《(新教材)2023年春人教版物理必修第三册《静电场中的能量》第5节《带电粒子在电场中的运动》学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(新教材)2023年春人教版物理必修第三册《静电场中的能量》第5节《带电粒子在电场中的运动》学案（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 5 节 带电粒子在电场中的运动物理观念科学思维1.会从力和能量角度分析计算带电粒核心子在电场中的加速问题。能综合运用力学和电学的学问素养2.能够用类平抛运动分析方法争论带分析、解决带电粒子在电场中的电粒子在电场中的偏转问题。两种典型运动模型。3.了解示波管的根本原理。学问点一带电粒子的加速观图助学(1) 一个质量为 m、带正电荷q 的粒子(如图甲所示)，在静电力的作用下由静止开头从正极板向负极板运动。试分析带电粒子在电场中的运动性质？f(2) 为模拟空气净化过程，有人设计了如图乙所示的含灰尘空气的密闭玻璃圆桶， 在圆桶顶面和底面间加上电压 U，沿圆桶的轴线方向形成一个匀强电场，灰尘的运动方
2、向如下图，空气阻力与灰尘运动的速度大小成正比，即F kv(k为肯定值)，试分析灰尘的运动状况和空气净化过程的原理。甲乙1. 根本粒子的受力特点对于质量很小的根本粒子，如电子、质子等，虽然它们也会受到万有引力(重力) 的作用，但万有引力(重力)一般远远小于静电力，可以无视不计。2. 带电粒子加速问题的处理方法(1) 利用动能定理分析1初速度为零的带电粒子，经过电势差为 U 的电场加速后， qU2mv2，则 v2qUm 。(2) 在匀强电场中也可利用牛顿定律结合运动学公式分析。 思考推断(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静电力作用时，静电力肯定做正功。()(3)
3、 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。()学问点二带电粒子在电场中的偏转观图助学图甲是物体从水平匀速飞行的飞机上投下，不计空气阻力时的运动轨迹；图乙是带电粒子垂直进入匀强电场中只在静电力作用下运动的轨迹图，结合图片分析它们的受力和运动的共同特性。1. 受力特点带电粒子进入电场后，无视重力，粒子只受电场力，方向平行电场方向向下。运动状况类似于平抛运动。2. 运动性质v(1) 沿初速度方向：速度为 vl0 的匀速直线运动， 穿越两极板的时间 t 。0(2) 垂直 vqU0 的方向：初速度为零的匀加速直线运动，加速度 a 。md3. 运动规律lqU1qUl2(
4、1) 偏移距离：由于 tv ，a ，所以偏移距离 yat22 。0md22mv0d(2) 偏转角度：由于 vatqUl，所以 tanvy qUl 。0 思考推断ymv0dv0mdv2(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，可用平抛运动的学问分析。()(3) 带电粒子在匀强电场中偏转时，假设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。()学问点三示波管的原理观图助学带电粒子在电场中受静电力作用，我们可以利用电场来掌握粒子，使它加速或偏转。如下图是示波器的核心部件示波管。请思考：示波管
5、中电子的运动可分为几个阶段？各阶段的运动遵循什么规律？1. 构造示波管是示波器的核心部件，外部是一个抽成真空的玻璃壳，内部主要由电子枪 (放射电子的灯丝、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，如下图。2. 原理(1) 扫描电压：XX偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿形电压。(2) 灯丝被电源加热后，消灭热电子放射，放射出来的电子经加速电场加速后， 以很大的速度进入偏转电场，假设在 Y 偏转极板上加一个信号电压，在 X 偏转极板上加一扫描电压，在荧光屏上就会消灭按Y 偏转电压规律变化的可视图像。 思考推断(1) 假设在偏转电极 YY和 XX上
6、不加电压电子束不偏转，打在荧光屏中心。()(2) 只在 YY上加恒定电压时，电子束不偏转。()(3) 只在 XX上加恒定电压时，电子束沿 YY方向偏转。()带电粒子在电场中运动时，可以无视重力的两种状况：当带电粒子的重力远小于静电力时，粒子的重力就可以无视。微观带电粒子，如电子、质子、离子、粒子等除有说明或明确示意外，处理问题时均不计重力。而带电的液滴、小球等除有说明或明确示意外，处理问题时均应考虑重力。0如下图，带电粒子(不计重力)从两板中间垂直电场线方向进入电场，假设能离开电场，则运动时间与板的长度 L 和初速度 v 有关；假设打在极板上，则运动时间与电场强度 E 和板间距离有关。当示波管
7、的偏转电极没有加电压时，电子束沿直线运动、打在荧光屏中心，形成一个亮斑。核心要点带电粒子在电场中的直线运动观看探究如下图，直线上有 O、a、b、c 四点，a、b 间的距离与 b、c 间的距离相等，在 O 点处有固定点电荷。 b 点电势高于 c 点电势。假设一带负电荷的粒子仅在静电力作用下先从 c 点运动到 b 点，再从 b 点运动到 a 点。试分析：(1)电子的运动状况；(2)从 c 点到 b 点，从 b 点到 a 点两段运动上，静电力对电子做功的关系。答案 (1)依据点电荷电场及电势分布特点可知，b 点电势高于 c 点电势，则 O 点固定的是正电荷。电子从c 点运动到 b 点，再从b 点运动
8、到 a 点，静电力对电子始终做正功，电子速度始终增大。ab(2)静电力做功 WqU，由于 UbcU ，则前一个过程中静电力做功小于后一个过程静电力做功。探究归纳1. 关于带电粒子在电场中的重力(1) 根本粒子：如电子、质子、粒子、离子等，除有说明或有明确的示意以外， 此类粒子一般不考虑重力(但并不无视质量)。(2) 带电微粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的示意以外， 一般都不能无视重力。2. 带电粒子的加速当带电粒子以很小的速度进入电场中，在静电力作用下做加速运动，示波器、电视显像管中的电子枪都是利用电场对带电粒子加速的。3. 处理方法可以从动力学和功能关系两个角度进展分析，其
9、比较如下。涉及学问动力学角度应用牛顿其次定律结合匀变速直线运动公式功能关系角度功的公式及动能定理可以是匀强电场，也可以是非匀选择条件匀强电场，静电力是恒力强电场，静电力可以是恒力，也可以是变力试题案例例 1 质量和电荷量不同的带电粒子，在电场中由静止开头经一样电压加速后()A.比荷大的粒子速度大，电荷量大的粒子动能大B.比荷大的粒子动能大，电荷量大的粒子速度大C.比荷大的粒子速度和动能都大D.电荷量大的粒子速度和动能都大解析 依据动能定理得：qU1mv2，得 v2qU，依据上式可知，在一样电2m压的加速电场中，比荷q 大的粒子其速度 v 大，电荷量 q 大的粒子动能大，故Am正确，B、C、D
10、错误。例 2 如下图，平行板电容器两板间的距离为 d，电势差为 U。一质量为 m、带正电电荷量为 q 的 粒子，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。答案 A(1) 比较 粒子所受静电力和重力的大小，说明重力能否无视不计( 粒子质量是质子质量的 4 倍，即 m 41.671027 kg，电荷量是质子的 2 倍)。(2) 粒子的加速度是多少？在电场中做何种运动？(3) 计算粒子到达负极板时的速度大小(尝试用不同的方法)。解析 (1)粒子所受静电力大、重力小；因重力远小于静电力，故可以无视重力，U 一般几百伏，d 为几厘米。qU(2) 粒子的加速度为 amd，做初速度为 0
11、的匀加速直线运动。(3) 方法 1利用动能定理求解。在带电粒子的运动过程中，静电力对它做的功是 WqU12设带电粒子到达负极板时的速率为 v，则 Ek mv21由动能定理可知 qUmv2，解得 v2qUm 。2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，1则 d2qU at2，vat，amd2qU联立解得 vm 。答案 见解析方法归纳 带电体在匀强电场中的直线运动问题的分析方法针对训练 1 如下图，一个质子以初速度v05106 m/s 水平射入一个由两块带电的平行金属板组成的区域。两板距离为 20 cm，设金属板之间电场是匀强电场，电场强度为 3105 N/C。质
12、子质量 m1.671027 kg，电荷量 q1.601019 C。求质子由板上小孔射出时的速度大小。11解析 依据动能定理 W mv2 mv2212029.6101551.67102710 62而 WqEd1.60101931050.2 J9.61015 J所以 v12Wv2m0m/s6106 m/s质子飞出时的速度约为 6106 m/s。答案 6106 m/s针对训练 2 (20234 月浙江选考，10)当今医学上对某些肿瘤承受质子疗法进展治疗，该疗法用肯定能量的质子束照耀肿瘤杀死癌细胞。现用始终线来加速质子，使其从静止开头被加速到 1.0107 m/s。加速电场的场强为 1.3105 N/
13、C，质子的质量为 1.671027 kg，电荷量为 1.61019 C，则以下说法正确的选项是( )A. 加速过程中质子电势能增加B. 质子所受到的电场力约为 21015 N C.质子加速需要的时间约为 8106 s D.加速的直线长度约为 4 m解析 电场力对质子做正功，质子的电势能削减，A 错误；质子受到的电场力大m小 FqE21014 N，B 错误；质子的加速度 aF1.21013 m/s2，加速时间 tv7v2810s，C 错误；加速的直线长度 x4 m，故 D 正确。a2a答案 D核心要点带电粒子的偏转观看探究如下图，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并从另一侧射出，两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场，板长为 l，板间电压为 U，板间距为 d，不计粒子的重力。(1) 粒子的加速度大小是多少？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)UFqU mmd粒子受静电力大小为 FqEqd
