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(共30張PPT)
第 9 節(jié) 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
第一章 靜電場(chǎng)
教學(xué)目標(biāo)
1．掌握帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)所遵循的規(guī)律．
2．帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題及應(yīng)用.
新課引入
大型粒子對(duì)撞機(jī)
醫(yī)用直線(xiàn)加速器(IGRT)
示波器
在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)設(shè)備中，常利用電場(chǎng)來(lái)改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。
對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，從受力的角度來(lái)看，遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，從做功的角度來(lái)看，遵循能的轉(zhuǎn)化和守恒定律．
★研究帶電粒子運(yùn)動(dòng)的主要工具：
電場(chǎng)力
加速度
電場(chǎng)力的功
動(dòng)能定理
F=qE
a=F/m
W=qU
這里所說(shuō)的帶電粒子，指電子、質(zhì)子等各種微觀(guān)粒子，電場(chǎng)力遠(yuǎn)大于重力
研究它們?cè)陔妶?chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力可以忽略
【觀(guān)察思考】
一、帶電粒子的加速
1.為什么要在管內(nèi)設(shè)置熒光屏？
2.通過(guò)觀(guān)察到的徑跡，你認(rèn)為電子在管內(nèi)做的是什么運(yùn)動(dòng)？
設(shè)置熒光屏是為了觀(guān)察到電子的運(yùn)動(dòng)徑跡
我們看到電子的運(yùn)動(dòng)徑跡是一條直線(xiàn)，說(shuō)明電子在管內(nèi)做的是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
【情景】如圖,真空中一對(duì)金屬板間距為d,加上電壓U。若一個(gè)質(zhì)量為m,帶正電荷q的粒子, 在靜電力的作用下由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)從正極板向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)。
【問(wèn)題】1.帶電粒子在兩極板間做什么運(yùn)動(dòng)？ 2.如何求出到達(dá)另一極板的末速度v ？
U
(不計(jì)粒子的重力）
解法一　利用牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)求解
解法二　利用靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理求解
當(dāng)解決的問(wèn)題屬于勻強(qiáng)電場(chǎng)且運(yùn)動(dòng)時(shí)間等運(yùn)動(dòng)過(guò)程的物理量，適合運(yùn)用解法一;
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)用解法二。
粒子在極板間做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)
單級(jí)加速---電子槍
低壓電源加熱燈絲產(chǎn)生熱電子
高壓
＋
－
高壓電源產(chǎn)生加速電場(chǎng)
【拓展應(yīng)用】
多級(jí)加速
問(wèn)題：如圖多級(jí)平行板連接，能否加速離子？
U
＋
＋
＋
－
－
－
A
B
C
D
E
F
【拓展應(yīng)用】
多級(jí)直線(xiàn)加速器示意圖
U
0
u0
-u0
t
T
2T
U
~
＋
－
【拓展應(yīng)用】
【觀(guān)察思考】
在陰極射線(xiàn)管靠左側(cè)位置，加一個(gè)沿豎直方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)，可以觀(guān)察到電子束向下或向上偏轉(zhuǎn)
1.電子在勻強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為什么是曲線(xiàn)？你能用牛頓第二定律解釋嗎？
電場(chǎng)力與速度不在同一直線(xiàn)上
與平拋運(yùn)動(dòng)類(lèi)似
二、帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)
2.電子如果以一定的初速度垂直電場(chǎng)方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng)，只在電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)，與我們?cè)诹W(xué)中的哪種運(yùn)動(dòng)規(guī)律類(lèi)似？
【情景】如圖，水平放置一對(duì)金屬板Y和Y′,長(zhǎng)度為L(zhǎng)，相距為d，極板間的電壓為U。一電荷量為q質(zhì)量為m的電子，從兩板中央以水平速度v0射入。
【問(wèn)題】
1.請(qǐng)你分析電子的運(yùn)動(dòng)？
2.求電子穿出電場(chǎng)時(shí)的速度？
3.求粒子束射出電場(chǎng)時(shí)沿電場(chǎng)線(xiàn)方向位移y的大小
d
U
+
-
v0
L
Y
Y′
-
y
x
)
θ
v0
v
v┴
y
完成探究表
探究表 “帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”
探究?jī)?nèi)容 帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)
①運(yùn)動(dòng)性質(zhì)
②分析方法 水平： 運(yùn)動(dòng)
豎直： 運(yùn)動(dòng)
③加 速 度 a=
④運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t=
⑤位移分解 水平：
豎直：
⑥速度分解 水平：
豎直：
偏轉(zhuǎn)角: tanθ=
勻變速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)
做勻速直線(xiàn)
做初速度為零的勻加速直線(xiàn)
x=L
vx=v0
【情景】如圖，水平放置一對(duì)金屬板Y和Y′,長(zhǎng)度為L(zhǎng)，相距為d，極板間的電壓為U。一電荷量為q質(zhì)量為m的電子，從兩板中央以水平速度v0射入。
d
U
+
-
v0
L
Y
Y′
-
y
x
)
θ
v0
v
v┴
y
拓展：
L/2
tan÷L/2=2y/L
【物理意義】表示末速度v的線(xiàn)段反向延長(zhǎng)，與x軸交于L/2處.
也可以說(shuō)，垂直于電場(chǎng)線(xiàn)方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中的帶電粒子，就好像先沿直線(xiàn)前進(jìn)，到L/2處偏折θ角再沿直線(xiàn)飛出電場(chǎng) .
U0
-
+
m,q
【想一想】如何控制帶電粒子穿出電場(chǎng)時(shí)偏移的距離y？
+
L
-
U
d
-
-
v0
【例題】若帶電粒子從靜止開(kāi)始，先經(jīng)電場(chǎng)U0加速又垂直進(jìn)入電場(chǎng)U，則粒子穿出電場(chǎng)時(shí)偏移量y為多少 (用U0、U、L、d 表示)
典例分析
利用電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，在技術(shù)上有很多應(yīng)用。以前示波器中的顯示儀器——示波管就是利用電場(chǎng)來(lái)控制電子束的路徑，從而可以把信號(hào)顯示在屏幕上。
電子槍
偏轉(zhuǎn)電極
-
+
熒光屏
Y
Yˊ
X
Xˊ
Xˊ
X
Y
Yˊ
產(chǎn)生高速飛行的電子束
鋸齒形掃描電壓
使電子沿Y方向偏移
待顯示的電壓信號(hào)
使電子沿X方向偏移
要使圖像在水平方向展開(kāi)，應(yīng)在XX′之間加怎樣的電壓？
Y
Y′
X ′
X
亮斑在水平方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)－－掃描.
B
C
D
E
A
一個(gè)小實(shí)驗(yàn)的啟示
t
Uxx′
A
B
D
C
E
Y
Y′
X′
X
若在YY′之間加如圖信號(hào)電壓，同時(shí)在XX′之間加如圖掃描電壓，兩者周期相同，則在熒光屏上就會(huì)看到信號(hào)電壓的波形了。
Uyy′
Uxx′
t
O
0
t
知識(shí)總結(jié)：
方法總結(jié)：
通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你學(xué)到了哪些知識(shí)？學(xué)會(huì)了哪些方法？
1.帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)。
2.帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題。
1.理想化處理建立模型；
2. 類(lèi)比、控制變量法等。
課堂小結(jié)
1.如圖所示,兩極板與電源相連接,電子從負(fù)極板邊緣垂直電場(chǎng)方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng),且恰好從正極板邊緣飛出,現(xiàn)在使電子射入速度變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍,而電子仍從原來(lái)位置射入,且仍從正極板邊緣飛出,則兩極板間距離就變?yōu)樵瓉?lái)的( )
A.2倍 B.4倍 C. 倍 D. 倍
C
U
v0
跟蹤練習(xí)
2.如圖所示，在A(yíng)板附近有一電子由靜止開(kāi)始向B板運(yùn)動(dòng)，則關(guān)于電子到達(dá)B板時(shí)的速率，下列解釋正確的是 (　　)
A．兩板間距越大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)，則獲得的速率越大
B．兩板間距越小，加速度就越大，則獲得的速率越大
C．與兩板間的距離無(wú)關(guān)，僅與加速電壓U有關(guān)
D．以上解釋都不正確
解析：帶電粒子的末速度取決于電場(chǎng)力對(duì)粒子做功的情況．由W＝qU＝ mv2知，電場(chǎng)力做的功由兩板間電勢(shì)差決定，而與板間距無(wú)關(guān)．故C正確．
C
3.如圖所示,相距為d長(zhǎng)度為l的平行板AB加上電壓后,可在A(yíng)、B之間的空間中產(chǎn)生電場(chǎng),在A(yíng)、B左端距AB 等距離處的O點(diǎn),有一電量為+q質(zhì)量為m的粒子以初速度v0沿水平方向(與A、B板平行)射入.不計(jì)重力,要使此粒子能從C處射出,則A、B間的電壓應(yīng)為( )
A. B.
C. D.
v0
+ + + + + + +
- - - - - - -
d
A
B
O
C
A
v0
+ + + + +
- - - - -
θ
或?qū)ζD(zhuǎn)過(guò)程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：
對(duì)偏轉(zhuǎn)過(guò)程由側(cè)移公式：
解析：
4.如圖，電子在電勢(shì)差為U1的加速電場(chǎng)中由靜止開(kāi)始加速，然后射入電勢(shì)差為U2的兩塊平行極板間的電場(chǎng)中，入射方向跟極板平行。整個(gè)裝置處在真空中，重力可忽略。在滿(mǎn)足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情況中，一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角θ變大的是 （ ）
A.U1變大、U2變大
B.U1變小、 U2變大
C. U1變大、 U2變小
D. U1變小、 U2變小
B
對(duì)偏轉(zhuǎn)過(guò)程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：
與粒子的電量q、質(zhì)量m無(wú)關(guān)
解析：對(duì)加速過(guò)程由動(dòng)能定理：
5.如圖所示，有一電子(電量為e、質(zhì)量為m)經(jīng)電壓U1加速后，沿平行金屬板A、B中心線(xiàn)進(jìn)入兩板，A、B板間距為d、長(zhǎng)度為l， A、B板間電壓為U2，屏CD足夠大，距離A、B板右邊緣2l，AB板的中心線(xiàn)過(guò)屏CD的中心且與屏CD垂直。試求電子束打在屏上的位置到屏中心間的距離。
θ
Y
對(duì)加速過(guò)程由動(dòng)能定理：
解析
電子離開(kāi)電場(chǎng)，就好像從中點(diǎn)沿直線(xiàn)離開(kāi)的：
謝謝
大家

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