2018-2019學年高中物理 第2章 電場與示波器 2.5 探究電子束在示波管中的運動學案 滬科版選修3-1.doc
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2.5探究電子束在示波管中的運動學 習 目 標知 識 脈 絡1.了解示波器的構造2.學會探究電子束在偏轉電極中的偏轉,并觀察帶電油滴在勻強電場中的偏轉3.掌握示波管中電子束加速和偏轉的運動規(guī)律,會運用力學知識解決帶電粒子在電場中的加速和偏轉問題(難點)自 主 預 習探 新 知知識梳理一、示波管的構造和原理1構造:示波管是示波器的核心部件,外部是一個抽成真空的玻璃殼,內部主要由電子槍(由發(fā)射電子的燈絲、加速電極組成)、偏轉電極(由一對X偏轉電極板和一對Y偏轉電極板組成)和熒光屏組成,如圖251所示圖2512工作原理(1)偏轉電極不加電壓:從電子槍射出的電子將沿直線運動,射到熒光屏中心點形成一個亮斑(2)僅在XX(或YY)加電壓:若所加電壓穩(wěn)定,則電子被加速,偏轉后射到XX(或YY)所在直線上某一點,形成一個亮斑(不在中心),如圖252所示圖252(3)示波管實際工作時,豎直偏轉板和水平偏轉板都加上電壓,若兩者周期相同,在熒光屏上就會顯示出信號電壓隨時間變化的波形圖二、電子束在示波管中的運動規(guī)律1電子束的加速設陰極金屬絲釋放出的電子初速度為零,則電子從電子槍陽極小孔射出的速度v0,可由動能定理計算表達式為qUmv,解得v0.2電子束的偏轉(1)如圖253所示,偏轉電極YY兩極間的電場是勻強電場圖253(2)電子在兩極間受到一個大小和方向都不變的電場力的作用電子束垂直進入偏轉極板間將做類平拋運動電子經過極板的時間t:t;垂直于偏轉極板方向偏移距離y:yat2;垂直于偏轉極板方向的分速度vy:vyat ;離開偏轉電場時的速度偏轉角:tan .(3)電子離開偏轉電極后的運動電子離開偏轉電極后不再受電場力作用,電子做勻速直線運動電子打在熒光屏上發(fā)生的偏移y.基礎自測1思考判斷(正確的打“”,錯誤的打“”)(1)示波管主要是由電子槍、偏轉電極和熒光屏組成的()(2)從電子槍中發(fā)出的電子只有在勻強電場中加速,才能應用動能定理()(3)帶電粒子僅在電場力作用下運動時,動能一定增加()(4)帶電粒子在電容器兩板間加速時,若電壓不變,增大板間距離時,并不改變粒子末速度大小,但改變運動時間()(5)示波管偏轉電極間的電場是勻強電場()(6)示波管的熒光屏上顯示的是電子的運動軌跡()(7)電子槍的加速電壓越大,電子束離開偏轉電場時的偏轉角越小()【提示】(2)電子在勻強電場和非勻強電場中加速,都可以應用動能定理(3)電場力對電子做正功,電子動能才能增加(6)示波管的熒光屏上顯示的是電子打在熒光屏上的位置2下列粒子從靜止狀態(tài)經過電壓為U的電場加速后,速度最大的是()A質子(H)B氘核(H)C粒子(He)D鈉離子(Na)A根據(jù)qUmv2,v,當U相同時,比荷越大,加速后的速度越大,故A正確3如圖254所示,質子(H)和粒子(He),以相同的初動能垂直射入偏轉電場(不計粒子重力),則這兩個粒子射出電場時的側位移y之比為()【導學號:69682104】圖254A41B12C21D14B由y和Ek0mv,得:y,可知y與q成正比,B正確4(多選)如圖255所示,一帶電小球以速度v0水平射入接入電路中的平行板電容器中,并沿直線打在屏上O點,若僅將平行板電容器上極板平行上移一些后,讓帶電小球再次從原位置水平射入并能打在屏上,其他條件不變,兩次相比較,則再次射入的帶電小球()圖255A將打在O點的下方B將打在O點的上方C穿過平行板電容器的時間將增加D到達屏上時的動能將增加AD由題意可知,要考慮小球的重力,第一種情況重力與電場力平衡;U不變,若僅將平行板電容器上極板平行上移一些后,極板間的距離d變大,場強變小,電場力變小,重力與電場力的合力偏向下,帶電小球將打在O點的下方由于水平方向運動性質不變,故時間不變;而由于第二種情況合力做正功,小球的動能將增加合 作 探 究攻 重 難帶電粒子在電場中的加速1電場中的帶電粒子的分類(1)帶電的基本粒子如電子、質子、粒子、正離子、負離子等,這些粒子所受重力和電場力相比要小得多,除非有特別的說明或明確的標示,一般都不考慮重力(但并不能忽略質量)(2)帶電微粒如帶電小球、液滴、塵埃等,除非有特別的說明或明確的標示,一般都要考慮重力某些帶電體是否考慮重力,要根據(jù)題目說明或運動狀態(tài)來判定2解決帶電粒子在電場中加速時的基本思路 (多選)如圖256所示,M、N是真空中的兩塊平行金屬板,質量為m、電荷量為q的帶電粒子,以初速度v0由小孔進入電場,當M、N間電壓為U時,粒子恰好能到達N板,如果要使這個帶電粒子到達M、N板間距的后返回,下列措施中能滿足要求的是(不計帶電粒子的重力)()圖256A使初速度減為原來的倍B使M、N間電壓加倍C使M、N間電壓增加到原來的4倍D使初速度和M、N間的電壓都減為原來的倍思路點撥:帶電粒子恰好到達N板,表明到達N板時速度減小為零帶電粒子到達M、N板間距后返回,表明到達板間距時速度減小為零BD由qElmv,當v0變?yōu)関0時l變?yōu)椋灰驗閝Eq,所以qElqlmv,通過分析知B、D選項正確針對訓練1.如圖257所示,M和N是勻強電場中的兩個等勢面,相距為d,電勢差為U,一質量為m(不計重力)、電荷量為q的粒子,以速度v0通過等勢面M射入兩等勢面之間,此后穿過等勢面N的速度大小應是()圖257ABv0 C DC由動能定理得:qUmv2mv,解得v,故C正確2兩平行金屬板相距為d,電勢差為U,一電子質量為m、電荷量為e,從O點沿垂直于極板的方向射出,最遠到達A點,然后返回,如圖258所示,OAh,此電子具有的初動能是() 【導學號:69682105】圖258ABedUhC DD由動能定理:Fsmv所以eEh0mveh0Ek0故Ek0.帶電粒子在電場中的偏轉1類平拋運動帶電粒子以速度v0垂直于電場線的方向射入勻強電場,受到恒定的與初速度方向垂直的電場力的作用而做勻變速曲線運動,稱之為類平拋運動可以采用處理平拋運動方法分析這種運動圖2592運動規(guī)律(1)沿初速度方向:vxv0,Lv0t(初速度方向)(2)垂直初速度方向:vyat,yat2(電場線方向,其中a)3兩個結論(1)偏轉距離:y.(2)偏轉角度:tan .4兩個推論(1)粒子從偏轉電場中射出時,其速度方向反向延長線與初速度方向延長線交于一點,此點平分沿初速度方向的位移(2)位移方向與初速度方向間夾角的正切為速度偏轉角正切的,即tan tan .如圖2510所示,兩個板長均為L的平板電極,平行正對放置,兩極板相距為d,極板之間的電勢差為U,板間電場可以認為是勻強電場一個帶電粒子(質量為m,電荷量為q)從正極板邊緣以某一初速度垂直于電場方向射入兩極板之間,到達負極板時恰好落在極板邊緣忽略重力和空氣阻力的影響求:圖2510(1)極板間的電場強度E的大小;(2)該粒子的初速度v0的大??;(3)該粒子落到下極板時的末動能Ek的大小思路點撥:極板間的電場強度可以根據(jù)勻強電場中電勢差和電場強度的關系來計算粒子在極板間做類平拋運動,粒子的初速度可以用類平拋運動的規(guī)律求解粒子落到下極板時的動能可以根據(jù)動能定理求解【解析】(1)兩極板間的電壓為U,兩極板的距離為d,所以電場強度大小為E.(2)帶電粒子在極板間做類平拋運動,在水平方向上有Lv0t在豎直方向上有dat2根據(jù)牛頓第二定律可得:a,而FEq所以a解得:v0.(3)根據(jù)動能定理可得UqEkmv解得EkUq.【答案】(1)(2)(3)Uq確定粒子經偏轉電場后的動能(或速度)的兩種方法方法1:方法2:針對訓練3如圖2511所示,一電子槍發(fā)射出的電子(初速度很小,可視為零)進入加速電場加速后,垂直射入偏轉電場,射出后偏轉位移為y,要使偏轉位移增大,下列哪些措施是可行的(不考慮電子射出時碰到偏轉電極板的情況)() 【導學號:69682106】圖2511A增大偏轉電壓UB增大加速電壓U0C增大偏轉極板間距離D將發(fā)射電子改成發(fā)射負離子A設偏轉電極板長為l,極板間距為d,由qU0mv,t,yat2t2,得偏轉位移y,增大偏轉電壓U,減小加速電壓U0,減小偏轉極板間距離,都可使偏轉位移增大,選項A正確,B、C錯誤;由于偏轉位移大小y與粒子質量和帶電量無關,故將發(fā)射電子改成發(fā)射負離子,偏轉位移大小不變,選項D錯誤4如圖2512所示,一束電子從靜止開始經U5 000 V的電場加速后,從水平放置的一對平行金屬板正中間水平射入偏轉電場中,若金屬極板長L0.05 m,兩極板間距d0.02 m,求兩板間至少要加多大的電壓U才能使電子不飛出電場?圖2512【解析】在加速電場中,根據(jù)動能定理得:qUmv0電子進入偏轉電場,因Ev0,故電子做類平拋運動,水平方向:sv0t豎直方向:yat2由題意,電子恰不飛出電場,則有sL,y由此解得:U1.6103 V.【答案】1.6103 V當 堂 達 標固 雙 基1質子(H)、粒子(He)、鈉離子(Na)三個粒子分別從靜止狀態(tài)經過電壓為U的同一電場加速后,獲得動能最大的是()A質子(H)B粒子(He)C鈉離子(Na)D都相同B由動能定理得:qUmv2,所以帶電粒子電荷量越大,獲得的動能越大,故B正確2如圖2513所示,在P板附近有一電子由靜止開始向Q板運動,則關于電子到達Q板時的速度,下列說法正確的是() 【導學號:69682107】圖2513A兩板間距離越大,加速的時間就越長,獲得的速度就越大B兩板間距離越小,加速度就越大,獲得的速度就越大C與兩板間距離無關,僅與加速電壓有關D以上說法均不正確C電子由P到Q的過程中,靜電力做功,根據(jù)動能定理eUmv2,得v,速度大小與U有關,與兩板間距離無關3如圖2514所示,有一帶電粒子(不計重力)貼著A板沿水平方向射入勻強電場,當偏轉電壓為U1時,帶電粒子沿軌跡從兩板正中間飛出;當偏轉電壓為U2時,帶電粒子沿軌跡落到B板中間;設粒子兩次射入電場的水平速度相同,則兩次偏轉電壓之比為()圖2514AU1U218BU1U214CU1U212DU1U211A設帶電粒子的質量為m,帶電荷量為q,A、B板的長度為L,板間距離為d.則:a1tda2t解以上兩式得U1U218,A正確4如圖2515所示為一真空示波管的示意圖,電子從燈絲K發(fā)出(初速度可忽略不計),經燈絲與A板間的電壓U1加速,從A板中心孔沿中心線KO射出,然后進入兩塊平行金屬板M、N形成的偏轉電場中(偏轉電場可視為勻強電場),電子進入M、N間電場時的速度與電場方向垂直,電子經過偏轉電場后打在熒光屏上的P點已知M、N兩板間的電壓為U2,兩板間的距離為d,板長為L,電子的質量為m,電荷量為e,不計電子受到的重力及它們之間的相互作用力求:圖2515(1)電子穿過A板時速度的大?。?2)電子從偏轉電場射出時的偏移量;(3)若要使電子打在熒光屏上P點的上方,可采取哪些措施?【導學號:69682108】【解析】(1)設電子經電壓U1加速后的速度為v0,由動能定理得eU1mv0,解得v0.(2)電子以速度v0進入偏轉電場后,垂直于電場方向做勻速直線運動,沿電場方向做初速度為0的勻加速直線運動由牛頓第二定律和運動學公式有t,F(xiàn)ma,F(xiàn)eE,E,yat2解得偏移量y.(3)由y可知,減小U1或增大U2均可使y增大,從而使電子打在P點的上方【答案】(1)(2)(3)減小加速電壓U1或增大偏轉電壓U2- 配套講稿:
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