公开课1.9带电粒子在电场中的运动
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第一章静电场第9节 带电粒子在电场中的运动一、带电粒子在电场中运动时是否考虑重力1.基本粒子:如电子、质子、离子、α粒子等在没有明确指出或暗示的情况下重力一般忽略不计。
2.带电颗粒:如油滴、液滴、尘埃、带电小球等在没有明确指出或暗示的情况下重力一般不能忽略。
二、带电粒子在电场中的加速运动带电粒子沿与电场线平行的方向进入电场,带电粒子将做 运动。
有两种分析方法:用动力学的观点分析, , , 。
用功能的观点分析:粒子只受电场力作用,电场力做的功等于物体动能的变化, 。
三、带电粒子在匀强电场中的偏转1.研究条件:带电粒子 电场的方向进入匀强电场。
2.处理方法:类似于平抛运动,应用运动的 解题。
(1)沿初速度的方向做 。
(2)沿电场力的方向,做 。
2220200122tan =y F qE qU a m m md qUl y at mdv v qUl v mdv θ⎧⎪===⎪⎪⎪==⎨⎪⎪⎪=⎪⎩离开电场时偏移的距离:离开电场加速度: 时的偏转角度:结论:结论:(1)粒子以一定的速度v0垂直射入偏转电场。
粒子从偏转电场中射出时,就像是从极板间的1 2 l处沿直线射出的。
(2)经过相同的加速电场,又经过相同的偏转电场的带电粒子,其运动轨迹重合,与粒子的带电荷量和质量无关。
四、带电粒子在电场中运动的实际应用——示波管1.构造及功能(如图所示)(1)电子枪:发射并加速电子。
(2)偏转电极Y、Y′:使电子束(加信号电压);偏转电极X、X′:使电子束水平偏转(加)。
2.工作原理偏转电极X、X′和Y、Y′不加电压,电子打到屏幕的;若只在X、X′之间加电压,只在方向偏转;若只在Y、Y′之间加电压,只在方向偏转;若X、X′加扫描电压,Y、Y′加信号电压,屏上会出现随信号而变化的图象。
加(减)速qEam=UEd=222v v ad-=221122qU mv mv=-垂直于合成与分解匀速直线运动匀加速直线运动竖直偏转扫描电压中心X Y一、带电粒子在交变电场中的运动1.带电粒子在交变电场中的运动,通常只讨论电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)且不计粒子重力的情形。
课题:9 、带电粒子在电场中的运动执教者:龙步来一、教学目标:1.了解带电粒子在电场中的运动——只受电场力,带电粒子做匀变速运动。
2.重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动(类平抛运动)。
3.知道示波管的主要构造和工作原理。
4.培养学生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运动。
5.渗透物理学方法的教育:运用理想化方法,突出主要因素,忽略次要因素,不计粒子重力。
6.培养学生综合分析问题的能力,体会物理知识的实际应用。
二、重点:带电粒子在电场中的加速和偏转规律三、难点:带电粒子在电场中的偏转问题及应用。
四、课时:2个课时五、教学过程:(一)引入:复习力学及本章前面相关知识要点:动能定理、平抛运动规律、牛顿定律、场强等。
(二)授新1.带电粒子在电场中的运动情况(平衡、加速和减速)⑴.若带电粒子在电场中所受合力为零时,即∑F=0时,粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态。
例:带电粒子在电场中处于静止状态,该粒子带正电还是负电?分析:带电粒子处于静止状态,∑F=0,mgqE ,因为所受重力竖直向下,所以所受电场力必为竖直向上。
又因为场强方向竖直向下,所以带电体带负电。
⑵.若∑F≠0(只受电场力)且与初速度方向在同一直线上,带电粒子将做加速或减速直线运动。
(变速直线运动)◎打入正电荷(右图),将做匀加速直线运动。
设电荷所带的电量为q ,板间场强为E电势差为U ,板距为d, 电荷到达另一极板的速度为v,则电场力所做的功为:qEL qU W == 粒子到达另一极板的动能为:221mv E k = 由动能定理有:221mv qU =(或221mv qEL = 对恒力)※若初速为v 0,则上列各式又应怎么样?让学生讨论并列出。
◎若打入的是负电荷(初速为v 0),将做匀减速直线运动,其运动情况可能如何,请学生讨论,并得出结论。
请学生思考和讨论课本P 33问题分析讲解例题1。
(详见课本P 33)【思考与讨论】若带电粒子在电场中所受合力∑F ≠0,且与初速度方向有夹角(不等于0°,180°),则带电粒子将做什么运动?(曲线运动)---引出2.带电粒子在电场中的偏转(不计重力,且初速度v 0⊥E ,则带电粒子将在电场中做类平抛运动)复习:物体在只受重力的作用下,被水平抛出,在水平方向上不受力,将做匀速直线运动,在竖直方向上只受重力,做初速度为零的自由落体运动。
第九节带电粒子在电场中的运动三维目标知识与技能1.让学生掌握带电粒子在电场中做匀变速直线运动一类问题的解题技巧;2.让学生掌握带电粒子在电场中发生偏转时的基本规律;3.让学生掌握带电粒子在电场中发生偏转一类问题的基本解题技巧;4.让学生掌握示波管的基本原理。
过程与方法1.由一般的匀变速直线运动过渡到带电粒子在电场中的匀变速直线运动,让学生学会知识的迁移;2.由一般的平抛运动过渡到一般的类平抛运动,再过渡到带电粒子在偏转电场中的类平抛运动,让学生掌握知识迁移的方法。
情感、态度和价值观通过一般匀变速直线运动与带电粒子在电场中的匀变速直线运动的联系,以及一般平抛运动与一般类平抛运动、带电粒子在偏转电场中的类平抛运动的联系,揭示世界是普遍联系在一起的唯物主义哲学观点。
教学重点1.带电粒子在电场中的匀变速直线运动;2.带电粒子在电场中的偏转——类平抛运动。
教学难点带电粒子在电场中的偏转——类平抛运动教学方法讲解、提问、类比、练习课时安排1课时教学过程【新课导入】师:高一时,我们学习了匀变速直线运动和平抛运动。
匀变速直线运动是受到一个方向与速度方向在一条直线上的恒力,但不确定恒力是什么力;平抛运动是受到一个方向与速度方向垂直的重力,这个重力也是恒力。
那么,今天,我想问一下大家,匀变速直线运动中的恒力,能不能是什么具体的力,比如说匀强电场的电场力;平抛运动中重力,能不能改成其他的力,比如说改成匀强电场的电场力?生:(思考)师:这就是我们今天要讲的《带电粒子在电场中的运动》。
【板书】第九节带电粒子在电场中的运动【新课教学】师:首先,告诉大家一个常识,就是基本带电粒子在一般情况下所受的重力远远小于它所受的静电力,所以,对于基本带电粒子在电场中运动的问题,一般忽略其重力,只考虑它所受的电场力。
下面大家看下面几个问题:例1、一个质量为m的小球,在光滑的水平桌面上,受一恒力F作用,从静止开始运动,前进距离d,求其末速度为多大?例2、如图所示,在真空中有一对平行金属板,两板间加以电压U,两板间距d,两板间有一个带正电荷q的带电粒子,质量为m,它在电场力的作用下,由静止开始从正极板向负极板运动,到达负极板时的速度有多大?(不考虑带电粒子的重力)师:大家看这两个问题,首先分析一下,这两个问题中质点所受到的力是否具有相同的特征?如果具有相同的特征,他们相同的特征是什么?生甲:具有相同的特征,他们相同的特征是都受到大小方向都不变的恒力。
第一章 静电场1.9带电粒子在电场中的运动 学案知识点感知1.回顾相关知识(1)牛顿第二定律的内容是 ? (2)动能定理的表达式是 ?(3)平抛运动的相关知识:1 2. 2、带电粒子在电场中加速,应用动能定理,即所以v =3、(1)带电粒子在匀强电场中偏转问题的分析处理方法,类似于平抛运动的分析处理,应用运动的合成和分解的知识。
①离开电场运动时间 。
②离开电场时的偏转量 。
③离开电场时速度的大小 。
④以及离开电场时的偏转角 。
(2)若电荷先经电场加速然后进入偏转电场,则y=tan θ= (U 1为加速电压,U 2为偏转电压)4、处理带电粒子在匀强电场中运动问题的方法(1)等效法:(2)分解法:带电微粒在匀强电场中偏转这种较复杂的曲线运动,可分解成沿初速方向的 和沿电场力方向的 来分析、处理。
5、带电粒子的偏转深入探究:如右图所示,设电荷带电荷量为q ,平行板长为L ,两板间距为d ,电势差为U ,初速为v 0.试求:(1)带电粒子在电场中运动的时间t 。
(2)粒子运动的加速度。
(3)粒子受力情况分析。
(4)粒子在射出电场时竖直方向上的偏转距离。
(5)粒子在离开电场时竖直方向的分速度。
(6)粒子在离开电场时的速度大小。
(7)粒子在离开电场时的偏转角度θ。
拓展:若带电粒子的初速v 0是在电场的电势差U 1下加速而来的(从零开始),那么上面的结果又如何呢?(y ,θ) 学生活动:结合所学知识,自主分析推导。
θ=arctandU UL12与q 、m 无关。
6、示波管的原理要点一 处理带电粒子在电场中运动的两类基本思维程序 1.求解带电体在电场中平衡问题的一般思维程序这里说的“平衡”,即指带电体加速度为零的静止或匀速直线运动状态,仍属“静力学”范畴,只是带电体受的外力中多一静电力而已.解题的一般思维程序为: (1)明确研究对象.(2)将研究对象隔离开来,分析其所受全部外力,其中的静电力要根据电荷正、负和电场的方向来判定. (3)根据平衡条件( ∑F =0)列出方程,求出结果. 2.用能量观点处理带电体在电场中的运动对于受变力作用的带电体的运动,必须借助于能量观点处理.即使都是恒力作用的问题,用能量观点处理也显得简洁.具体方法常有两种:(1)用动能定理处理的思维程序一般为: ①弄清研究对象,明确所研究的物理过程.②分析物体在所研究过程中的受力情况,弄清哪些力做功,做正功还是负功. ③弄清所研究过程的始、末状态(主要指动能). ④根据W =ΔE k 列出方程求解.(2)用包括电势能和内能在内的能量守恒定律处理,列式的方法常有两种: ①从初、末状态的能量相等(即E 1=E 2)列方程.②从某些能量的减少等于另一些能量的增加(即ΔE =ΔE ′)列方程. 要点二 在带电粒子的加速或偏转问题中对粒子重力的处理若所讨论的问题中,带电粒子受到的重力远远小于静电力,即mg ≪qE ,则可忽略重力的影响.譬如,一电子在电场强度为4.0×103 V/m 的电场中,它所受到的静电力F =eE =6.4×10-16 N ,它所受的重力G =mg =9.0×10-30 N(g取10 N/kg),FG=7.1×1013.可见,重力在此问题中的影响微不足道,应该略去不计.此时若考虑了重力,反而会给问题的解决带来不必要的麻烦,要指出的是,忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量.反之,若是带电粒子所受的重力跟静电力可以比拟,譬如,在密立根油滴实验中,带电油滴在电场中平衡,显然这时就必须考虑重力了.若再忽略重力,油滴平衡的依据就不存在了.总之,是否考虑带电粒子的重力要根据具体情况而定,一般说来:(1)基本粒子:如电子、原子、α粒子、离子等除了有说明或有明确的暗示以外,一般都不考虑重力(但并不忽略质量).(2)带电颗粒:如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有说明或有明确的暗示以外,一般都不能忽略重力. 要点三 由类平抛运动规律研究带电粒子的偏转带电粒子以速度v 0垂直于电场线的方向射入匀强电场,受到恒定的与初速度方向垂直的静电力的作用,而做匀变速曲线运动,也称为类平抛运动.可以应用运动的合成与分解的方法分析这种运动.1.分析方法⎩⎨⎧v x =v 0 x =v 0t (初速度方向)v y =aty =12at 2(电场线方向)图1-9-2如图1-9-2所示,其中t=lv0,a=Fm=qEm=qUmd则粒子离开电场时的侧移位移为:y=ql2U2m v20d 粒子离开电场时的偏转角tan θ=v yv0=qlU m v20d2.对粒子偏转角的讨论粒子射出电场时速度的反向延长线与电场中线相交于O点,O点与电场边缘的距离为l′,则:tan θ=yl′则l′=ytan θ=ql2U2m v20dqlUm v20d=l2即tan θ=2yl示波器是怎样实现电信号观察功能的?1.示波器是用来观察电信号随时间变化情况的仪器,其核心部件是示波管.2.示波管的构造:电子枪、偏转电极、荧光屏.3.工作原理(如图1-9-3所示)利用带电粒子在电场中的加速和偏转的运动规律.图1-9-34.如果在偏转电极XX′和YY′之间都没有加电压,则电子枪射出的电子沿直线运动,打在荧光屏中心,在那里产生一个亮斑.5.信号电压:YY′所加的待测信号的电压.扫描电压:XX′上机器自身的锯齿形电压.若所加扫描电压和信号电压的周期相同,就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内变化的图象.6.若只在YY′之间加上如图1-9-4甲所示电压,电子在荧光屏上将形成一条竖直亮线,若再在XX′之间加上图乙所示电压,则在屏上将看到一条正弦曲线.图1-9-4例题1、要使带电粒子在电场中只被加速而不改变运动方向例1图为两个带小孔的平行金属板,板间电压为U。
图5
A.edh U
3.有一束正离子,图6
图1
.带电粒子在电场中受哪些力作用?重力可以忽略吗?
图3
.当增大两板间的距离时,速度v增大
.当减小两板间的距离时,速度v减小
.当减小两板间的距离时,速度v不变
图4
U′时,电子能飞出平行板间的偏转电场.
1
.下列粒子从初速度为零的状态经过电压为
.电子经电压为U1的加速电场后以速度v
是h,两平行板间的距离为d,电势差U2,板长
电压引起的偏转量h/U2)可采取的方法是(
.增大两板间电势差U2
.尽可能使板长L短些
.尽可能使板间距离d小一些
.使加速电压U1升高一些
.如图所示,电子由静止开始从A板向B
向右水平抛出一个质量为m,
3.如图所示,长L=
q=+1.0×10-6 C的小球,另一端连在一水平轴
做圆周运动,整个装置处在竖直向上的匀强电场中,电场强度。