高中物理人教版 (2019)必修 第三册带电粒子在电场中的运动教学ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册带电粒子在电场中的运动教学ppt课件，共77页。PPT课件主要包含了加速问题，能量观点动能定理，偏转问题，受力分析，仅受竖直向下的电场力，做类平抛运动，运动分析，飞行时间，加速度，竖直分速度等内容，欢迎下载使用。
电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。图中展示了一台医用电子直线加速器。电子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？
1. 加速问题2.偏转问题3. 加速与偏转4.示波管的原理5.带电粒子在叠加场中的运动6.课堂总结7.练习与应用8. 提升训练
第5节 带电粒子在电场中的运动
如图，一个质量为m、带正电荷q的粒子，只在静电力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动。试计算粒子到达负极板时的速度？
方法一：动力学观点：主要用牛顿运动定律和匀变速直线运动的规律
方法二：能量观点： ——利用动能定理
总结：粒子加速后的速度只与加速电压有关。
思考：若两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解？
若粒子的初速度为零,则:
若粒子的初速度不为零,则:
【例1】如图所示炽热的金属丝可以发射电子。在金属板P、Q间加电压U，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。设电子刚离开金属丝时的速度为零，电子质量为m、电荷量大小为e。
(1)已知电子的质量为me＝9.1×10－31 kg，电荷量为e＝1.6×10－19 C，若极板电压U＝200 V，板间距离为d＝2 cm，则电子的重力与所受静电力的比值为________(g取10 m/s2，结果保留一位有效数字)。在研究粒子运动的过程________(选填“需要”或“不需要”)考虑重力。
(2)电子在P、Q间做什么运动？
(3)求电子到达正极板时的速度大小。(用两种方法求解，结果用字母表示)
【变式1】(1)若保持P、Q间电压不变，增大P、Q两板间的距离，电子到达极板时所用的时间将________(填“变长”“不变”或“变短”)，电子到达Q板的速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)如何增大电子到达Q板的速率？
【变式2】　若粒子的初速度v0≠0，电子到达Q板的速率为_____________。
【变式3】如图所示，若Q板为其他形状，两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解。
【解析】如果是非匀强电场，电子将做变加速运动，动力学方法不可用；静电力做功仍然可以用W＝eU求解，动能定理仍然可行。
【总结提升】1.带电粒子在带电金属板间加速后的速率仅与带电粒子的初速度大小及两板间的电压有关，与板间距离无关。2.带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、α粒子、离子等基本粒子，重力远小于静电力，一般都不考虑重力，但不能忽略质量。(2)质量较大的微粒，如带电小球、带电油滴、带电颗粒等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略重力。
如图，一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度v0 射入电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？
如图，粒子以初速度v0射入电场，求射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和速度偏转的角度θ。
偏移距离（侧移距离或侧移量）
1.初速度相同的带电粒子，无论m、q是否相同，只要q/m相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。(即轨迹重合)
当偏转电场的U、L、d一定：
2.初动能相同的带电粒子，只要q相同，无论 m 是否相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。 (即轨迹重合)
【例2】如图甲，两个相同极板Y与Y′的长度为l，相距d，极板间的电压为U。一个质量为m、电荷量为e的电子沿平行于板面的方向射入电场中，射入时的速度为v0。把两极板间的电场看作匀强电场。
(1)电子在电场中做什么运动？如何处理？_________________________
(2)设电子不与平行板相撞，如图乙，完成下列内容(均用题中所给字母表示)。①电子通过电场的时间t＝________。②静电力方向：加速度a＝________，离开电场时垂直于极板方向的分速度vy＝________。③速度与初速度方向夹角的正切值tan θ＝_______。④离开电场时沿静电力方向的偏移量y＝____。
【解析】（1）电子在电场中做类平抛运动，应运用运动的分解进行处理，沿v0方向：做匀速直线运动；沿静电力方向：做初速度为零的匀加速直线运动。
【变式】若电子可以飞出极板，两极板间距d应满足什么条件？
【总结提升】带电粒子在匀强电场中的偏转问题类似于平抛运动，运用运动的合成与分解来分析：将运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和垂直初速度方向初速度为零的匀加速直线运动，在这两个方向上分别列运动学方程或牛顿第二定律求解物理量。
如图，若粒子能从极板的右边缘飞出偏转电场，则末速度反向延长线交于水平位移的中点,粒子好像从极板间L/2处沿直线射出一样。
问题拓展：若粒子是从静止经过电场加速电压U1加速后进入偏转电场U2发生侧移y；离开电场后，打在荧光屏上形成光斑，光斑距荧光屏中心的距离Y。请结合前面结论，推出y与Y的表达式。
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。示波器的核心部件是示波管。
在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。
【思考与讨论】1.如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间也不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？
【思考与讨论】2.如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使Y 的电势比 Yˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
【思考与讨论】3.如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使 Y ˊ 的电势比Y 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
【思考与讨论】4.如果在 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？
Yˊ 随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线。
【思考与讨论】5.如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X 的电势比 Xˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
【思考与讨论】6.如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X ˊ 的电势比 X 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
总结：若 XXˊ 所加的电压为特定的周期性变化电压，则亮斑在水平方向来回运动一一扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。
五、带电粒子在叠加场中的运动
1.带电粒子在电场和重力场中做直线运动的条件（1）合外力为零，带电粒子做匀速直线运动，此种情况下，电场通常为竖直方向。（2）合外力不为零，但合外力的方向与运动方向在同一直线上，带电粒子做匀变速直线运动。
【例5】 (1)如图甲，一带电液滴沿直线从b点运动到d点，bd与水平面成30°角，匀强电场方向竖直向下，液滴的质量为m，带电荷量为q，重力加速度为g，则液滴带_____电(填“正”或“负”)，电场强度E＝ ，液滴做_________运动。
(2)如图乙，若其他条件不变，电场方向______，电场强度为________，液滴做___________运动，加速度大小a＝_____。
2.处理带电粒子在电场和重力场中抛体运动的方法（1）明确研究对象并对其进行受力分析。（2）将运动正交分解，分方向进行分析，把曲线运动转化为分方向的直线运动，利用牛顿运动定律、运动学公式求解。（3）涉及到功和能量问题可利用功能关系和动能定理处理。①功能关系：静电力做的功等于电势能的减少量，W电＝Ep1－Ep2。②动能定理：合力做的功等于动能的变化，W＝Ek2－Ek1。
【例6】在水平面MN的下方存在竖直向下的匀强电场，质量为m的带电小球由MN上方的A点以一定初速度水平抛出，从B点进入电场，到达C点时速度方向恰好水平，A、B、C三点在同一直线上，且AB＝BC，如图所示。重力加速度为g，由此可知小球带___(填“正”或“负”)电，小球从A到B与从B到C的运动时间_____(填“相等”或“不相等”)，静电力为______，小球从A到B与从B到C的速度变化量的大小______(填“相等”或“不相等”)。
【解析】由题意可知，小球受到的静电力向上，与电场方向相反，所以小球带负电，两个运动过程水平方向的位移相等，
解得F＝2mg，速度变化量等于加速度与时间的乘积，即Δv＝at，
故速度变化量的大小相等。
3.解决电场和重力场中的圆周运动问题的方法(1)首先分析带电体的受力情况进而确定向心力的来源。(2)用“等效法”的思想找出带电体在电场和重力场中的等效“最高点”和“最低点”。①等效重力法将重力与静电力进行合成，如图所示，则F合为等效重力场中的“等效重力”，F合的方向为“等效重力”的方向，即等效重力场中的“竖直向下”方向。a＝ 视为等效重力场中的“等效重力加速度”。
②几何最高点(最低点)与物理最高点(最低点)A.几何最高点(最低点)：是指图形中所画圆的最上(下)端，是符合人视觉习惯的最高点(最低点)。
B.物理最高点(最低点)：是指“等效重力F合”的反向延长线过圆心且与圆轨道的交点，即物体在圆周运动过程中速度最小(大)的点。
【例7】将光滑绝缘圆轨道置于竖直面内，一带正电小球能在圆轨道内完成完整的圆周运动，圆轨道的圆心为O。重力加速度为g，轨道半径为R。(1)在图甲中作图确定小球速度最大的位置A及小球速度最小的位置B。
【答案】(1)解析如图（a)
(2)若将此轨道置于竖直向上匀强电场中，电场强度大小为E＝ 。①小球受到重力与静电力合力大小为____，方向___________。
【例7】将光滑绝缘圆轨道置于竖直面内，一带正电小球能在圆轨道内完成完整的圆周运动，圆轨道的圆心为O。重力加速度为g，轨道半径为R。
②在图乙中作图确定小球速度最大的位置C及小球速度最小的位置D。
①F合＝Eq－mg＝mg，方向竖直向上
②小球速度最大和最小位置如图(b)
③若小球恰好完成圆周运动，则vD＝_____，vC＝______。
(3)若将此轨道置于水平向右的电场中，电场强度大小为E＝ 。①小球受重力与静电力的合力大小为_____，方向为________________。
②在图丙中作图确定小球速度最大的位置M和速度最小的位置N。
③若小球恰好完成圆周运动，则vN＝______vM＝______。
②过圆心O作与F合方向一致的直线，交圆周于M、N两点，如图(c)。
带电粒子在叠加场中的运动问题
第3节 电势差与电场强度的关系