2019_2020学年高考物理主题1静电场9带电粒子在电场中的运动课件必修3.pdf

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1、主题1 静电场 9 带电粒子在电场中的运动 学科素养与目标要求 物理观念： 1.了解带电粒子在电场中只受电场力作用时的运动情况. 2.知道示波管的主要构造和工作原理. 科学思维： 能综合运用力学和电学的知识分析、解决带电粒子在电场中的两种典型运动模型. NEIRONGSUOYIN 内容索引 自主预习 达标检测 课时对点练 预习新知 夯实基础 检测评价 达标过关 注重双基 强化落实 重点探究 启迪思维 探究重点 自主预习 一、带电粒子的加速 1.基本粒子的受力特点：对于质量很小的基本粒子，如电子、质子等，它们受 到重力的作用一般 静电力，故可以 . 2.带电粒子的加速： (1)运动分析：带电粒子

2、从静止释放，将沿 方向在匀强电场中做匀加速 运动. (2)末速度大小：根据qU ，得v . 远小于忽略 电场力 二、带电粒子的偏转 如图1所示，质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于 两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U. (1)运动性质： 沿初速度方向：速度为 的 运动. 垂直v0的方向：初速度为 的匀加速直线运动. 图图1 v0 匀速直线 零 (2)运动规律： 三、示波管的原理 1.示波管主要由 (由发射电子的灯丝、加速电极组成)、 (由一对 X偏转电极和一对Y偏转电极组成)和 组成. 2.扫描电压：XX偏转电极接入的是由仪器自身产生的

3、电压. 3.示波管工作原理：被加热的灯丝发射出热电子，电子经加速电场加速后，以 很大的速度进入偏转电场，如果在Y偏转电极上加一个 电压，在X偏转电极 上加一 电压，在荧光屏上就会出现按 规律变化的可视图象. 电子枪偏转电极 荧光屏 锯齿形 信号 扫描Y偏转电压 即学即用 1.判断下列说法的正误. (1)质量很小的粒子如电子、质子等，在电场中受到的重力可忽略不计.( ) (2)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，不能分析非匀强电场中的 直线运动问题.( ) (3)带电粒子在匀强电场中偏转时，加速度不变，粒子的运动是匀变速曲线 运动.( ) (4)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转

4、电极的作用是使电 子束偏转，打在荧光屏不同位置.( ) 2.如图2所示，M和N是匀强电场中的两个等势面，相距为d，电势差为U，一质 量为m(不计重力)、电荷量为q的粒子，以速度v0通过等势面M射入两等势面 之间，则该粒子穿过等势面N的速度应是 . 图图2 重点探究 一、带电粒子的加速 如图所示，平行板电容器两板间的距离为d，电势差为U.一质量为m、带电 荷量为q的粒子，在电场力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动. 导学探究 答案 粒子所受电场力大、重力小；因重力远小于电场力， 故可以忽略重力. (1)比较粒子所受电场力和重力的大小，说明重力能否忽略 不计(粒子质量是质子质量的4倍，即m

5、41.671027 kg， 电荷量是质子的2倍). (2)粒子的加速度是多大(结果用字母表示)？在电场中做何种运动？ 答案 粒子的加速度为a .在电场中做初速度为0的匀加速直线运动. (3)计算粒子到达负极板时的速度大小.(结果用字母表示，尝试用不同的方 法求解) 答案 方法1 利用动能定理求解. 方法2 利用牛顿运动定律结合运动学公式求解. vat 1.带电粒子的分类及受力特点 (1)电子、质子、粒子、离子等基本粒子，一般都不考虑重力. (2)质量较大的微粒：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. 2.分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两

6、种方法 (1)利用牛顿第二定律Fma和运动学公式，只能用来分析带电粒子的匀变 速运动. 知识深化 变速运动和非匀变速运动都适用. 例1 (2017盐城市第三中学期中)如图3所示，在A板附近有一电子由静止开始向B 板运动，则关于电子到达B板时的时间和速率，下列说法正确的是 A.两板间距越大，则加速的时间越长，获得的速率越小 B.两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率越小 C.两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率不变 D.两板间距越小，则加速的时间不变，获得的速率不变 图图3 解析 由于两极板之间的电压不变， 由此可见，两板间距离越小，加速度越大，电子在电场中一直做匀加速直线运动， 由此

7、可见，两板间距离越小，加速时间越短， 所以电子到达B板时的速率与两板间距离无关，仅与加速电压U有关，故C正确， A、B、D错误. 二、带电粒子的偏转 如图4所示，质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入 两极板间，两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场，已知板长为l，板间电 压为U，板间距离为d，不计粒子的重力. 图图4 1.运动分析及规律应用 粒子在板间做类平抛运动，应用运动分解的知识进行分析处理. (1)在v0方向：做匀速直线运动； (2)在电场力方向：做初速度为零的匀加速直线运动. 2.过程分析 如图5所示，设粒子不与平行板相撞 图图5 3.两个重要推论 (1)粒子从偏转电

8、场中射出时，其速度方向的反向延长线与初速度方向的延 长线交于一点，此点为粒子沿初速度方向位移的中点. (2)位移方向与初速度方向间夹角的正切值为速度偏转角正切值的 ，即 tan tan . 4.分析粒子的偏转问题也可以利用动能定理，即qEyEk，其中y为粒子在 偏转电场中沿电场力方向的偏移量. 例2 一束电子流经U15 000 V的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进 入平行板间的匀强电场，如图6所示，两极板间电压U2400 V，两极板间距d 2.0 cm，板长L15.0 cm. (1)求电子在两极板间穿过时的偏移量y； 答案 0.25 cm 图图6 进入偏转电场，电子在平行于极板的方向上

9、做匀速运动， L1v0t 代入数据得：y0.25 cm (2)若平行板的右边缘与屏的距离L25 cm，求电子打在屏上的位置与中心O的距 离Y(O点位于平行板水平中线的延长线上)； 答案 0.75 cm 解析 如图，由几何关系知： 代入数据得：Y0.75 cm (3)若另一个质量为m(不计重力)的二价负离子经同一电压U1加速，再经同一偏转 电场，射出偏转电场的偏移量y和打在屏上的偏移量Y各是多大？ 答案 0.25 cm 0.75 cm 故二价负离子经同样装置后，yy，YY. 学科素养 建立带电粒子在匀强电场中偏转的类平抛运动模型，会用运动的 合成和分解的知识分析带电粒子的偏转问题，提高分析综合能

10、力，体现了 “科学思维”的学科素养. 例3 长为L的平行金属板水平放置，两极板带等量的异种电荷，板间形成匀强 电场，一个带电荷量为q、质量为m的带电粒子，以初速度v0紧贴上极板垂直 于电场线方向进入该电场，刚好从下极板边缘射出，射出时速度恰与水平方向 成30角，如图7所示，不计粒子重力，求： (1)粒子离开电场时速度的大小； 图图7 解析 粒子离开电场时，速度与水平方向夹角为30， (2)匀强电场的场强大小； 解析 粒子在匀强电场中做类平抛运动， 在水平方向上：Lv0t，在竖直方向上：vyat， 由牛顿第二定律得：qEma (3)两板间的距离. 解析 粒子在匀强电场中做类平抛运动，在竖直方向上

11、： 解析 两极板间的电压为U，两极板间的距离为d，所以电场强度大小为E . 针对训练 如图8所示，两个板长均为L的平板电极，平行正对放置，两极板相距为 d，极板之间的电势差为U，板间电场可以认为是匀强电场.一个带电粒子(质量为m， 电荷量为q，可视为质点)从正极板边缘以某一初速度垂直于电场方向射入两极板之 间，到达负极板时恰好落在极板边缘.忽略重力和空气阻力的影响.求： (1)极板间的电场强度E的大小. 图图8 (2)该粒子的初速度v0的大小. 解析 带电粒子在极板间做类平抛运动，在平行于极板方向上有Lv0t (3)该粒子落到负极板时的末动能Ek的大小. 达标检测 1.(带电粒子的直线运动)两

12、平行金属板相距为d，电势差为U，一电子质量为m， 电荷量为e，从O点沿垂直于极板的方向射入，最远到达A点，然后返回，如图9 所示，OAL，则此电子具有的初动能是 1234 图图9 解析 电子从O点运动到A点，因受电场力作用，速度逐渐减小. 根据题意和题图判断，电子仅受电场力，不计重力. 1234 2.(带电粒子的偏转)如图10所示，带电荷量之比为qAqB13的带电粒子A、B， 先后以相同的速度从同一点水平射入平行板电容器中，不计重力，带电粒子偏 转后打在同一极板上，水平飞行距离之比为xAxB21，则带电粒子的质量 之比mAmB以及在电场中飞行的时间之比tAtB分别为 A.11,23 B.21,

13、32 C.11,34 D.43,21 1234 图图10 解析 粒子在水平方向上做匀速直线运动xv0t， 由于初速度相同，xAxB21， 1234 且yAyB，故aAaBtB2tA214. 综上所述，D项正确. 3.(示波管的原理)(多选)示波管的构造如图11所示.如果在荧光屏上P点出现亮斑， 那么示波管中的 A.极板X应带正电 B.极板X应带正电 C.极板Y应带正电 D.极板Y应带正电 1234 图图11 解析 根据亮斑的位置，电子偏向XY区间，说明电子受到电场力作用发生了偏 转，因此极板X、极板Y均应带正电. 4.(带电粒子的加速和偏转)(2018宿迁市高一下期末)如图12所示，电子从静止

14、开始被 U180 V的电场加速，沿直线垂直进入另一个场强为E6 000 V/m的匀强偏转电场， 而后电子从右侧离开偏转电场.已知电子比荷为 不计电子的重力， 偏转极板长为L6.0102 m.求： (1)电子经过电压U加速后的速度vx的大小； 答案 8106 m/s 图图12 1234 (2)电子在偏转电场中运动的加速度a的大小； 答案 1.11015 m/s2 解析 电子在偏转电场中受到竖直向下的电场力， 1234 (3)电子离开偏转电场时的速度方向与刚进入该电场时的速度方向之间的夹角. 答案 45 在竖直方向上做初速度为零的匀加速直线运动， 1234 课时对点练 123456789 1011

15、12 123456789 101112 2.如图1所示，一个平行板电容器充电后与电源断开，从负极板处由静止释放一 个电子(不计重力)，设其到达正极板时的速度为v1，加速度为a1.若将两极板间 的距离增大为原来的2倍，再从负极板处由静止释放一个电子，设其到达正极板 时的速度为v2，加速度为a2，则 A.a1a211，v1v212 B.a1a221，v1v212 C.a1a221，v1v2 1 D.a1a211，v1v21 123456789 101112 图图1 解析 电容器充电后与电源断开，增大两极板间的距离时，场强不变，电子在 电场中受到的电场力不变，故a1a211， 123456789 1

16、01112 因两极板间的距离增大为原来的2倍，由UEd知，电势差U增大为原来的2倍， 3.(多选)如图2所示，M、N是真空中的两块平行金属板，质量为m、电荷量为q 的带电粒子以初速度v0由小孔射入板间电场，当M、N间电势差为U时，粒子恰 好能到达N板.要使这个带电粒子到达M、N板间距的 后返回，下列措施中能满 足要求的是(不计带电粒子的重力) A.使初速度减小为原来的 B.使M、N间电势差加倍 C.使M、N间电势差提高到原来的4倍 D.使初速度和M、N间电势差都减小为原来的 123456789 101112 图图2 4.(2017江苏单科)如图3所示，三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各

17、有 一小孔，小孔分别位于O、M、P点.由O点静止释放的电子恰好能运动到P点.现 将C板向右平移到P点，则由O点静止释放的电子 A.运动到P点返回 B.运动到P和P点之间返回 C.运动到P点返回 D.穿过P点 123456789 101112 图图3 B、C两板间的电场强度不变，由O点静止释放的电子仍然可以运动到P点，并 且会原路返回，故选项A正确. 123456789 101112 考点二 带电粒子的偏转 5.如图4所示，a、b两个带正电的粒子，以相同的速度先后垂直于电场线从同一 点进入平行板间的匀强电场后，a粒子打在B板的a点，b粒子打在B板的b点， 若不计重力，则 A.a的电荷量一定大于b

18、的电荷量 B.b的质量一定大于a的质量 C.a的比荷一定大于b的比荷 D.b的比荷一定大于a的比荷 图图4 123456789 101112 解析 粒子在电场中做类平抛运动， 123456789 101112 6.(2018人大附中高二期中)如图5所示，有一带电粒子贴着A板沿水平方向射入 匀强电场，当偏转电压为U1时，带电粒子沿轨迹从两板正中间飞出；当偏转 电压为U2时，带电粒子沿轨迹落到B板中间；设粒子两次射入电场的水平速 度相同，则两次偏转电压之比为 A.U1U218 B.U1U214 C.U1U212 D.U1U211 图图5 123456789 101112 解析 带电粒子在匀强电场中

19、做类平抛运动，水平位移为xv0t， 两次运动的水平位移之比为21，两次运动的水平速度相同， 故运动时间之比为t1t221， 123456789 101112 故两次偏转电压之比为U1U218，故A正确. 7.如图6所示，一重力不计的带电粒子以初速度v0射入水平放置、距离为d的两 平行金属板间，射入方向沿两极板的中心线.当极板间所加电压为U1时，粒子落 在A板上的P点.如果将带电粒子的初速度变为2v0，同时将A板向上移动 后，使 粒子由原入射点射入后仍落在P点，则极板间所加电压U2为 A.U23U1 B.U26U1 C.U28U1 D.U212U1 123456789 101112 图图6 解析

20、 板间距离为d，射入速度为v0，板间电压为U1时， 123456789 101112 考点三 带电粒子的加速和偏转 示波管的原理 8.(多选)(2017扬州市高一期末)如图7所示是某示波管的示意图，电子先由电子 枪加速后进入偏转电场，如果在偏转电极上加一个电压，则电子束将会偏转， 并飞出偏转电场.下面措施中能使电子偏转距离变大的是 A.尽可能把偏转极板L做得长一点 B.尽可能把偏转极板L做得短一点 C.尽可能把偏转极板间的距离d做得小一点 D.将电子枪的加速电压提高 图图7 123456789 101112 解析 设加速电压为U1， 设偏转电压为U2， 123456789 101112 9.图

21、8甲为示波管的原理图.如果在电极YY之间所加的电压按图乙所示的规律变化， 在电极XX之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是 图图8 123456789 101112 123456789 101112 解析 由于电极XX之间所加的是扫描电压，电极YY之间所加的电压为信 号电压，所以荧光屏上会看到B选项所示的图形. 二、非选择题 10.(2018清华附中高二期中)如图9所示，电子由静止开始经加速电场加速后， 沿平行于板面的方向射入偏转电场，并从另一侧射出，已知电子质量为m，电荷 量为e，加速电场电压为U0，偏转电场可看做匀强电场，极板间电压为U，极板 长度为L，板间距为d.

22、 图图9 123456789 101112 (1)忽略电子所受重力，求电子射入偏转电场时初速 度v0和从电场射出时沿垂直板面方向的偏转距离y； 答案 见解析 解析 电子在加速电场中加速，根据动能定理，则有： 123456789 101112 电子在偏转电场中做类平抛运动，将其运动分解成平行于板面方向的匀速直 线运动与平行于电场强度方向的初速度为零的匀加速直线运动，则有： 平行于板面方向的位移为：Lv0t， (2)分析物理量的数量级，是解决物理问题的常用方法，在解决(1)问时忽略了电子 所受重力，请利用下列数据分析说明其原因.已知U2.0102 V，d4.0102 m， m9.11031 kg，

23、e1.61019 C，取g10 m/s2. 123456789 101112 答案 见解析 解析 已知U2.0102 V，d4.0102 m，m9.11031 kg，e1.61019 C， 取g10 m/s2， 电子所受重力为：Gmg9.11030 N， 123456789 101112 由于F电G，所以重力忽略不计. 11.如图10所示，有一电子(电荷量为e)经电压U0加速后，进入两块间距为d、电 压为U的平行金属板间.若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能从金 属板边缘穿出电场，求： (1)金属板AB的长度； 图图10 123456789 101112 解析 设电子飞离加速电场时的速

24、度为v0， 123456789 101112 (2)电子穿出电场时的动能. 解析 设电子穿出电场时的动能为Ek，根据动能定理得 123456789 101112 12.(2018青岛二中高二期中)一群速率不同的一价离子从A、B两平行极板正中央水 平射入如图11所示的偏转电场，离子的初动能为Ek，A、B两极板间电压为U，间 距为d，C为竖直放置并与A、B间隙正对的金属挡板，屏MN足够大.若A、B极板长 为L，C到极板右端的距离也为L，C的长为d.不考虑离子所受重力，元电荷为e. (1)写出离子射出A、B极板时的偏转距离y的表达式； 图图11 123456789 101112 解析 设离子的质量为m，初速度为v0， 123456789 101112 (2)初动能范围是多少的离子才能打到屏MN上？ 123456789 101112 离子射出电场后做匀速直线运动 解析 离子射出电场时的竖直分速度vyat 123456789 101112