高中物理人教版 (2019)必修第三冊(cè)5 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)精品ppt課件-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

電子被加速器加速后轟擊重金屬靶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射線，可用于放射治療。
在原子物理、核物理等領(lǐng)域，帶電粒子被加速成高能粒子，轟擊原子、原子核，幫助人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。
電子在加速器中是受到什么力作用而加速的呢?
帶電粒子在電場(chǎng)中的加速
如圖，一個(gè)質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，只在靜電力的作用下由靜止開(kāi)始從正極板A向負(fù)極板B運(yùn)動(dòng)。試計(jì)算粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度？
方法一：動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：主要用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律
方法二：能量觀點(diǎn)： ——利用動(dòng)能定理
總結(jié)：粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)。
思考：若兩極板間不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，該用何種方法求解？
若粒子的初速度為零,則:
若粒子的初速度不為零,則:
問(wèn)題：如圖多級(jí)平行板連接，能否加速粒子？
因交變電壓的變化周期相同，故粒子在每個(gè)加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等。
【例題】如圖甲，某裝置由多個(gè)橫截面積相同的金屬圓筒依次排列，其中心軸線在同一直線上，圓筒的長(zhǎng)度依照一定的規(guī)律依次增加。序號(hào)為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個(gè)極相連，序號(hào)為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個(gè)極相連。交變電源兩極間電勢(shì)差的變化規(guī)律如圖乙所示。在 t＝0 時(shí)，奇數(shù)圓筒相對(duì)偶數(shù)圓筒的電勢(shì)差為正值，此時(shí)位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號(hào)為0）中央的一個(gè)電子，在圓板和圓筒 1 之間的電場(chǎng)中由靜止開(kāi)始加速，沿中心軸線沖進(jìn)圓筒 1，為使電子運(yùn)動(dòng)到圓筒與圓筒之間各個(gè)間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向相同而不斷加速，圓筒長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m，電子電荷量為 e，電壓的絕對(duì)值為 u，周期為 T，電子通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。則金屬圓筒的長(zhǎng)度和它的序號(hào)之間有什么定量關(guān)系？第 n 個(gè)金屬圓筒的長(zhǎng)度應(yīng)該是多少？
方法：分析帶電粒子加速的問(wèn)題，常有兩種思路∶ 一種是利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式分析;另一種是利用靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理分析。
選擇：當(dāng)解決的問(wèn)題屬于勻強(qiáng)電場(chǎng)且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程的物理量時(shí)，適合運(yùn)用前一種思路分析;當(dāng)問(wèn)題只涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場(chǎng)情景時(shí)，適合運(yùn)用后一種思路分析。
電荷能不能在電場(chǎng)中走出一條我們想要的曲線呢？
帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)
如圖，一帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向以初速度v0 射入電場(chǎng)，若不計(jì)粒子的重力，帶電粒子將做什么運(yùn)動(dòng)？
偏移距離（側(cè)移距離或側(cè)移量）
如圖，粒子以初速度v0射入電場(chǎng)，求射出電場(chǎng)時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y和速度偏轉(zhuǎn)的角度θ。
1.初速度相同的帶電粒子，無(wú)論m、q是否相同，只要q/m相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)
當(dāng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的U、L、d一定：
2.初動(dòng)能相同的帶電粒子，只要q相同，無(wú)論 m 是否相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。 (即軌跡重合)
若金屬平行板水平放置，電子將在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
若金屬平行板豎直放置，電子將在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
偏轉(zhuǎn)電極的不同放置方式
如果電子在電場(chǎng)中既加速又偏轉(zhuǎn)會(huì)怎樣呢？
帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)
如圖，若粒子能從極板的右邊緣飛出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，則末速度反向延長(zhǎng)線交于水平位移的中點(diǎn),粒子好像從極板間L/2處沿直線射出一樣。
問(wèn)題拓展：若粒子是從靜止經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速電壓U1加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)U2發(fā)生側(cè)移y；離開(kāi)電場(chǎng)后，打在熒光屏上形成光斑，光斑距熒光屏中心的距離Y。請(qǐng)結(jié)合前面結(jié)論，推出y與Y的表達(dá)式。
3.某些帶電體是否考慮重力，要根據(jù)題目暗示或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)判定。
1.帶電的基本粒子（微觀）：如電子、質(zhì)子、α粒子、正負(fù)離子等。這些粒子所受重力和電場(chǎng)力相比小得多，除非有說(shuō)明或明確的暗示以外，一般都不考慮重力。（但不能忽略質(zhì)量）。
2.帶電微粒（宏觀）：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說(shuō)明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。
關(guān)鍵突破——粒子重力問(wèn)題
生活中還有其他應(yīng)用嗎？
示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。示波器的核心部件是示波管。
在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。
思考與討論1：如果在電極 XXˊ 之間不加電壓，而在 YYˊ 之間也不加電壓，電子將打在熒光屏的什么位置？
思考與討論2：如果在電極 XXˊ 之間不加電壓，而在 YYˊ 之間加不變電壓，使Y 的電勢(shì)比 Yˊ 高，電子將打在熒光屏的什么位置？
思考與討論3：如果在電極 XXˊ 之間不加電壓，而在 YYˊ 之間加不變電壓，使 Y ˊ 的電勢(shì)比Y 高，電子將打在熒光屏的什么位置？
思考與討論4：如果在 XXˊ 之間不加電壓，而在 YYˊ 之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？
Yˊ 隨信號(hào)電壓同步變化，但由于視覺(jué)暫留和熒光物質(zhì)的殘光特性，只能看到一條豎直的亮線。
思考與討論5：如果在電極 YYˊ 之間不加電壓，而在 XXˊ 之間加不變電壓，使 X 的電勢(shì)比 Xˊ 高，電子將打在熒光屏的什么位置？
思考與討論6：如果在電極 YYˊ 之間不加電壓，而在 XXˊ 之間加不變電壓，使 X ˊ 的電勢(shì)比 X 高，電子將打在熒光屏的什么位置？
總結(jié)：若 XXˊ 所加的電壓為特定的周期性變化電壓，則亮斑在水平方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)一一掃描，如果掃描電壓變化很快，亮斑看起來(lái)為一條水平的亮線。
思考與討論6：如果在 YYˊ 之間加如圖所示的交變電壓，同時(shí)在 XXˊ 之間加鋸齒形掃描電壓，在熒光屏上會(huì)看到什么圖形？
如果信號(hào)電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號(hào)電壓的周期相同，就可以在熒光屏上得到待測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖象。
【練習(xí)1】（多選）（2022·福建寧德·高二期末）一電子（電荷量大小為e，質(zhì)量為m）由靜止釋放，經(jīng)U1的加速電壓加速后，沿平行于板面方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)。如圖所示，兩板相距為d，板長(zhǎng)為l，極板間的電壓為U2。電子射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)速度偏轉(zhuǎn)角為θ，偏移的距離為y。則下列選項(xiàng)正確的是（　?。〢．偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中電場(chǎng)線豎直向上B．加速電場(chǎng)中左極板電勢(shì)較低C． D．
【練習(xí)2】如圖，一帶正電荷的粒子以豎直向上的速度v從P點(diǎn)進(jìn)入水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，已知粒子所受重力與其所受的電場(chǎng)力大小相等。與在P點(diǎn)相比，粒子運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)（??）A．電勢(shì)能增加，動(dòng)能不變B．電勢(shì)能減小，動(dòng)能不變C．重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減小D．重力勢(shì)能增加，動(dòng)能增加
【練習(xí)3】（2022·湖北·襄陽(yáng)五中模擬預(yù)測(cè)）圖甲為示波管的原理圖。電子槍源源不斷發(fā)射的電子經(jīng)前面的加速電壓加速之后已經(jīng)獲得了極大的速度，如果在電極之間所加的電壓按圖乙所示的規(guī)律變化，在電極之間所加的電壓按圖丙所示的規(guī)律變化，則在熒光屏上會(huì)看到的圖形可能為（　?。〢． B．C． D．
【練習(xí)4】在真空中有水平放置的兩個(gè)平行、正對(duì)金屬平板，板長(zhǎng)為l，兩板間距離為d，在兩極板間加一交變電壓如圖乙，質(zhì)量為m，電荷量為e的電子以速度v0（v0接近光速的）從兩極板左端中點(diǎn)沿水平方向連續(xù)不斷地射入兩平行板之間。若電子經(jīng)過(guò)兩極板間的時(shí)間相比交變電流的周期可忽略不計(jì)，不考慮電子間的相互作用和相對(duì)論效應(yīng)，則在任意0.2s內(nèi)（　?。〢．當(dāng) 時(shí)，所有電子都能從極板的右端射出B．當(dāng) 時(shí)，將沒(méi)有電子能從極板的右端射出C．當(dāng) 時(shí)，有電子從極板右端射出的時(shí)間與無(wú)電子從極板右端射出的時(shí)間之比為1：2D．當(dāng) 時(shí)，有電子從極板右端射出的時(shí)間與無(wú)電子從極板右端射出的時(shí)間之比為
【練習(xí)5】（2022·遼寧營(yíng)口·高二開(kāi)學(xué)考試）如圖所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)的絕緣細(xì)線一端連著帶正電小球（視為點(diǎn)電荷），另一端固定在O點(diǎn)，小球在豎直平面內(nèi)繞O點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。已知小球的質(zhì)量為m、電荷量為q，勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E、方向水平向右，重力加速度大小為g。下列說(shuō)法正確的是（　　）A．小球經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)速度最大B．若細(xì)線斷裂，小球?qū)⒆鰟蜃兯龠\(yùn)動(dòng)C．小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小速度可能為D．若小球做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)的過(guò)程中，其動(dòng)能、重力勢(shì)能和電勢(shì)能之和先增加后減少
【練習(xí)6】（多選）（2022·重慶·模擬）在傾角為θ的光滑固定絕緣斜面上有兩個(gè)用絕緣輕彈簧連接的物塊A和B，它們的質(zhì)量分別為m和2m，彈簧的勁度系數(shù)為k，C為一固定擋板，開(kāi)始未加電場(chǎng)，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，A帶正電，B不帶電，現(xiàn)加一沿斜面向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)，物塊A沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)B剛離開(kāi)C時(shí)，A的速度為v，之后兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)中當(dāng)A的加速度為0時(shí)，B的加速度大小均為a，方向沿斜面向上，則下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．從加電場(chǎng)后到B剛離開(kāi)C的過(guò)程中，擋板C對(duì)物塊B的沖量為0B．從加電場(chǎng)后到B剛離開(kāi)C的過(guò)程中，A發(fā)生的位移大小為C．從加電場(chǎng)后到B剛離開(kāi)C的過(guò)程中，物塊A的機(jī)械能和電勢(shì)能之和先增大后減小D．B剛離開(kāi)C時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)A做功的瞬時(shí)功率為
【練習(xí)7】（2022·福建·莆田一中高一期末）如圖所示，虛線MN左側(cè)有一場(chǎng)強(qiáng)為E1＝E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，在兩條平行的虛線MN和PQ之間存在著寬為L(zhǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度為E2＝2E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，在虛線PQ右側(cè)距PQ為L(zhǎng)處有一與電場(chǎng)E2平行的屏?，F(xiàn)將一電子（電荷量為e，質(zhì)量為m，重力不計(jì)）無(wú)初速度地放入電場(chǎng)E1中的A點(diǎn)，最后電子打在右側(cè)的屏上，A點(diǎn)到MN的距高為，AO連線與屏垂直，垂足為O，求：（1）電子到MN的速度大?。海?）電子從釋放到打到屏上所用的時(shí)間；（3）電子剛射出電場(chǎng)E2時(shí)的速度方向與AO連線夾角θ的正切值tanθ。
【練習(xí)8】（2022·遼寧·鞍山市礦山高級(jí)中學(xué)高三階段練習(xí)）如圖所示，AB為半徑R=1m的四分之一光滑絕緣豎直圓弧軌道，在四分之一圓弧區(qū)域內(nèi)存在著E=1×106V/m的豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)，一質(zhì)量m=1kg、帶電荷量q=+1.2×10-5C的物體（視為質(zhì)點(diǎn)）從A點(diǎn)的正上方距離A點(diǎn)H=1m處由靜止開(kāi)始下落（不計(jì)空氣阻力），BC段為長(zhǎng)L=3.0m、與物體間動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.25的粗糙絕緣水平面，CD段為傾角θ=45°且最高點(diǎn)C與地面DE距離h=0.8m的斜面。（g=10m/s2），（1）試通過(guò)計(jì)算說(shuō)明物體能否通過(guò)B點(diǎn)；（2）求物體從C點(diǎn)射出后的落點(diǎn)離C點(diǎn)的水平距離（不討論物體反彈以后的情況）。

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