《2017秋高中物理 第一章 静电场 5 匀强电场中电势差与电场强度的关系 示波管原理导学案 教科版选修3-1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017秋高中物理 第一章 静电场 5 匀强电场中电势差与电场强度的关系 示波管原理导学案 教科版选修3-1（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5匀强电场中电势差与电场强度的关系示波管原理学习目标1.掌握匀强电场中电势差与电场强度的关系及其适用条件.2.会用关系式UEd处理匀强电场问题.3.了解示波管的构造和工作原理.4.通过示波管的工作原理掌握带电粒子在电场中的加速和偏转问题.一、匀强电场中电势差与电场强度的关系导学探究如图1所示的一个匀强电场，场强大小为E，A、B是沿电场方向上的两点，其电势差为U，A、B之间相距为d.现将一个电荷量为q的电荷由A移到B.图1(1)从力和位移的角度计算静电力所做功的多少；通过A、B间的电势差计算静电力做功的多少.(2)比较两次计算的功的大小，说明电势差与电场强度有何关系.(3)B、C在同一等势面上，
2、UAC与电场强度有何关系？答案(1)WABFdqEdWABqUAB(2)UABEd(3)UACUABEd知识梳理1.匀强电场中电势差与电场强度的关系(1)关系式：UABEd或E.(2)物理意义：在匀强电场中，两点间的电势差等于场强与这两点间沿电场线方向的距离的乘积.(3)适用条件匀强电场.d为两点沿电场方向的距离.2.公式E的理解(1)意义：在匀强电场中，场强的大小等于沿场强方向每单位距离上的电势差.(2)电场强度的另一个单位：由E可导出电场强度的另一个单位，即伏特每米，符号为V/m.1V/m1N/C.即学即用判断下列说法的正误.(1)公式UEd适用于所有电场.()(2)由UEd可知，匀强电场
3、中两点的电势差与这两点的距离成正比.()(3)匀强电场的场强值等于沿电场线方向每单位长度上的电势差值.()(4)沿电场线方向任意相同距离上的电势差必相等.()(5)在匀强电场中，任意两点间的电势差等于场强与这两点间距离的乘积.()二、带电粒子的加速导学探究两平行金属板间的距离为d，电势差为U.一质量为m、带正电荷q的粒子(重力忽略不计)，在电场力的作用下由静止开始从正极板向负极板运动.(1)粒子的加速度是多少？在电场中做何运动？(2)计算粒子到达负极板时的速度(尝试用不同的方法).答案(1)粒子的加速度为a，做初速度为零的匀加速直线运动.(2)方法1利用动能定理求解.在带电粒子的运动过程中，电
4、场力对它做的功是WqU设带电粒子到达负极板时的速率为v，其动能可以写为Ekmv2由动能定理可知mv2qU于是求出v.方法2利用牛顿定律结合运动学公式求解.设粒子到达负极板时所用时间为t，则dat2vata联立解得v.知识梳理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的加速运动，有两种方法：(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.(2)利用动能定理：qUmv2mv02.若初速度为
5、零，则qUmv2，对于匀变速运动和非匀变速运动都适用.即学即用判断下列说法的正误.(1)质量很小的粒子不受重力的作用.()(2)带电粒子在电场中只受电场力作用时，电场力一定做正功.()(3)牛顿定律结合运动学公式能分析匀强电场中的直线运动问题，也能分析非匀强电场中的直线运动问题.()(4)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，也能分析非匀强电场中的直线运动问题.()三、带电粒子的偏转导学探究如图2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，板间距为d，不计粒子的重力.图2(1)粒子的加速度大小是多少
6、？方向如何？做什么性质的运动？(2)求粒子通过电场的时间及粒子离开电场时水平方向和竖直方向的速度，及合速度与初速度方向的夹角的正切值.(3)求粒子沿电场方向的偏移量y.答案(1)粒子受电场力大小为FqEq，加速度为a，方向和初速度方向垂直且竖直向下.粒子在水平方向做匀速直线运动，在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，其合运动类似于平抛运动.(2)如图所示tvxv0vyattan(3)yat2.知识梳理带电粒子在匀强电场中的偏转1.运动性质(1)沿初速度方向：速度为v0的匀速直线运动.(2)垂直v0的方向：初速度为零，加速度为a的匀加速直线运动.2.运动规律(1)偏移距离：因为t，a，所以偏
7、移距离yat2.(2)偏转角度：因为vyat，所以tan.即学即用判断下列说法的正误.(1)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.()(2)带电粒子在匀强电场中偏转时，可用平抛运动的知识分析.()(3)带电粒子在匀强电场中偏转时，若已知进入电场和离开电场两点间的电势差以及带电粒子的初速度，可用动能定理求解末速度大小.()四、示波管的原理导学探究图3为示波管结构原理图.图3(1)示波管由哪几部分组成？各部分的作用是什么？(2)在电极X1和X2加扫描电压，目的是什么？在电极Y1和Y2加信号电压，可以使电子向什么方向偏转？答案(1)主要有电子枪、偏转电极、荧光屏三部分组
8、成.电子枪的作用是发射电子并且加速电子，使电子获得较大的速度；偏转电极的作用是使电子发生偏转；荧光屏的作用是显示电子的偏转情况.(2)扫描电压的作用是使电子在水平方向偏转，Y方向的信号电压可以使电子向上或向下偏转.知识梳理对示波管的认识(1)示波管主要由电子枪(由发射电子的灯丝、加速电极组成)、偏转电极(由一对X偏转电极板和一对Y偏转电极板组成)和荧光屏组成.(2)若只在偏转电极X1、X2加一稳定电压，电子束将沿x方向偏转；若只在偏转电极Y1、Y2上加一稳定电压，电子束将沿y方向偏转.(3)若在X1、X2加一锯齿形电压，在Y1、Y2方向加一信号电压，在荧光屏上就会出现按Y偏转电压规律变化的图形
9、.即学即用判断下列说法的正误.(1)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作用是使电子束发生偏转，打在荧光屏的不同位置.()(2)如果在偏转电极YY和XX上不加电压电子束不偏转，打在荧光屏中心.()(3)只在YY上加恒定电压时，电子束不偏转.()(4)只在XX上加恒定电压时，电子束沿YY方向偏转.()一、对关系式UEd和E的理解1.关系式表明了电场强度与电势差的关系(1)大小关系：由E可知，电场强度在数值上等于沿电场方向每单位距离上降低的电势，电场强度是电势差对空间位置的变化率，电势随空间变化的快慢，反映了电场强度的大小.(2)方向关系：电场中电场强度的方向就是电势降低最快的方向
10、.2.UEd的两个推论(1)在匀强电场中，沿任意一个方向，电势变化都是均匀的，故在同一直线上相同间距的两点间电势差相等.(2)在匀强电场中，相互平行且长度相等的线段两端点的电势差相等.例1如图4所示，在xOy平面内有一个以O为圆心、半径R0.1m的圆，P为圆周上的一点，O、P两点连线与x轴正方向的夹角为.若空间存在沿y轴负方向的匀强电场，场强大小E100V/m，则O、P两点的电势差可表示为()图4A.UOP10sin (V)B.UOP10sin (V)C.UOP10cos (V)D.UOP10cos (V)答案A解析由题图可知匀强电场的方向是沿y轴负方向的，沿着电场线的方向电势是降低的，所以P
11、点的电势高于O点的电势，O、P两点的电势差UOP为负值.根据电势差与场强的关系可得UOPEdERsin10sin (V)，所以A正确.例2如图5所示，P、Q两金属板间的电势差为50V，板间存在匀强电场，方向水平向左，板间的距离d10cm，其中Q板接地，两板间的A点距P板4cm.求：图5(1)P板及A点的电势.(2)保持两板间的电势差不变，而将Q板向左平移5cm，则A点的电势将变为多少？答案(1)50V30V(2)10V解析板间场强方向水平向左，可见Q板电势最高.Q板接地，则电势Q0，板间各点电势均为负值.利用公式E可求出板间匀强电场的场强，再由UEd可求出各点与Q板间的电势差，即各点的电势.(
12、1)场强EVm15102Vm1Q、A间电势差UQAEd5102(104)102V30V所以A点电势A30V，同理可求得P板电势PUPQ50V(2)当Q板向左平移5cm时，两板间距离d(105) cm5cmQ板与A点间距离变为d(104) cm5cm1cm电场强度EVm11.0103Vm1Q、A间电势差UQAEd1.01031.0102V10V所以A点电势A10V.在应用公式UABEd时可简化为UEd，即只把电势差大小、场强大小通过公式联系起来，至于电势差的正负、电场强度的方向我们可根据题意另作判断.二、带电粒子在电场中的加速运动分析带电粒子在电场中的加速运动，可以从动力学和功能关系两个角度进行
13、分析，其比较如下：内容两个角度动力学角度功能关系角度涉及知识应用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式功的公式及动能定理选择条件匀强电场，静电力是恒力可以是匀强电场，也可以是非匀强电场，电场力可以是恒力，也可以是变力例3如图6所示，在点电荷Q激发的电场中有A、B两点，将质子和粒子分别从A点由静止释放到达B点时，它们的速度大小之比为多少？图6答案1解析质子和粒子都带正电，从A点释放都将受电场力作用加速运动到B点，设A、B两点间的电势差为U，由动能定理可知，对质子：mHvH2qHU，对粒子：mv2qU.所以.针对训练1如图7所示，P和Q为两平行金属板，两极板间电压为U，在P板附近有一电子由静止开始向Q
14、板运动，关于电子到达Q板时的速率，下列说法正确的是()图7A.两极板间距离越大，加速时间越长，获得的速率就越大B.两极板间距离越小，加速度越大，获得的速率就越大C.与两极板间距离无关，仅与加速电压U有关D.以上说法都不正确答案C三、带电粒子在电场中的偏转1.带电粒子垂直进入匀强电场的运动类似于物体的平抛运动，可以利用运动的合成与分解知识分析.规律：2.分析粒子的偏转问题也可以利用动能定理，即qEyEk.3.两个特殊推论：(1)粒子从偏转电场中射出时，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，此点为初速度方向位移的中点，如图8所示.图8(2)位移方向与初速度方向间夹角的正切为速度偏转角正切的，即tantan.例4一束电子流在经U5000V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9所示.若两板间距离d1.0cm，板长l5.0cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最大能加多大电压？图9答案400V解析在加速电压一定时，偏转电压U越大，电子在极板间的偏转距离就越大，当偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘飞出时，两板间的偏转电压
