2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第9節(jié) 帶電粒子在電場中的運動 教案1.doc
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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第9節(jié) 帶電粒子在電場中的運動 教案1 三維目標 知識與技能 1.了解帶電粒子在電場中的運動──只受電場力,帶電粒子做勻變速運動。并能分析解決加速和偏轉(zhuǎn)方向的問題; 2.重點掌握初速度與場強方向垂直的帶電粒子在電場中的運動(類平拋運動); 3.知道示波管的主要構造和工作原理。 過程與方法 培養(yǎng)學生綜合運用力學和電學知識分析、解決帶電粒子在電場中的運動。通過帶電粒子在電場中加速、偏轉(zhuǎn)過程分析研究,培養(yǎng)學生的分析和推理能力。 情感態(tài)度與價值觀 1.滲透物理學方法的教育:運用理想化方法,突出主要因素,忽略次要因素,不計粒子重力。 2.培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力,體會物理知識的實際應用。 教學重點 帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律。 教學難點 帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題及應用。 教學方法 講授法、練習法、歸納法。 教具準備 投影儀、投影片、示波器、CAI課件。 課時安排 2課時 教學過程 [新課導入] 帶電粒子在電場中受到靜電力的作用,因此產(chǎn)生加速度,速度的大小和方向都可能發(fā)生變化。對于質(zhì)量很小的帶電粒子,如電子、質(zhì)子等,雖然它們也會受到萬有引力(重力)的作用,但萬有引力(重力)一般遠小于靜電力,可以忽略。 在現(xiàn)代科學實驗和技術設備中,常常利用電場來改變帶電粒子或控制帶電粒子的運動。利用電場使帶電粒子加速、利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn),就是兩種最簡單的情況。本節(jié)課我們討論兩種最簡單的情況。 [新課教學] 一、帶電粒子的加速 1.帶電粒子在電場中的平衡 若帶電粒子在電場中所受合力為零時,粒子將保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。 mg qE + + + + + + - - - - - - 如圖所示,帶電粒子在電場中處于靜止狀態(tài),該粒子帶正電還是負電?根據(jù)不同的已知條件,你能求出哪些物理量? 分析:帶電粒子處于靜止狀態(tài),則有: qE-mg=0 因為所受重力豎直向下,所以所受電場力必為豎直向上。又因為場強方向豎直向下,所以帶電體帶負電。 根據(jù)不同的已知條件,可求出電荷量q,電場強度E,極板間距d,電勢差U等。 2.帶電粒子的加速 U + - q 如圖所示,在真空中有一對平行金屬板,極板間的距離為d,兩板間加以電壓U。兩板間有一個質(zhì)量為m帶正電荷q的帶電粒子,它在電場力的作用下,由靜止開始從正極板向負極板運動,求到達負極板時的速度。 (學生活動,求解該速度。抽查并在實物投影儀上評析) 方法一:根據(jù)動力學和運動學方法求解 平行金屬板間的場強:E= 帶電粒子受到的電場力:F=qE= 帶電粒子的加速度:a= 帶電粒子從正極板運動到負極板做初速度為零的勻加速直線運動,設到達負極板的速度為v,根據(jù)運動學公式有: v2=2ad 解得:v= (點評:動力學和運動學方法只適用于勻強電場) 方法二:根據(jù)動能定理求解 帶電粒子在運動過程中,電場力所做的是 W=qU 設帶電粒子到達負極板時的速率為v,其動能為 Ek=mv2 由動能定理可知 qU=mv2 于是求出 v= 金屬絲 金屬板 v + - U 【例題1】熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。在熾熱金屬絲和金屬板間加以電壓U=2500V(如圖),發(fā)射出的電子在真空中被加速后,從金屬板的小孔穿出。電子穿出時的速度有多大?設電子剛從金屬絲射出時的速度為零。電子質(zhì)量m=0.9110-30kg,電子的電荷量e=1.610-19C。 (學生閱讀并解答本例題) 解析:電荷量為e的電子從金屬絲移到到金屬板,兩處的電勢差為U,電勢能的減少量是eU。減少的電勢能全部轉(zhuǎn)化為電子的動能,所以 qU=mv2 解出速率v并把數(shù)值代入,得 v==3.0107m/s。 二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 問題:如何利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)呢? 結(jié)論:要使帶電粒子偏轉(zhuǎn),即速度方向發(fā)生變化,必須使粒子的加速度方向與速度方向之間有一夾角。其中最簡單的就是加速度方向與速度方向垂直的情況。下面就討論這種情況。 ++++++++ -------- L d Y Y′ y v0 y′ x 如圖所示,在真空中水平放置一對金屬板Y和Y′,板間距離為d,在兩板間加以電壓U?,F(xiàn)有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子以水平速度v0射入電場中,求: 1.帶電粒子在電場中的運動及運動方程 帶電粒子沿極板方向作速度為v0的勻速運動; 垂直于極板方向作初速度為零的勻加速運動。 粒子做類平拋運動。 以進入點為坐標原點,沿極板方向取x軸,垂直于極板方向取y軸,則粒子在電場中的運動方程為 x=v0t y= 解得:y= (拋物線軌跡方程) 2.帶電粒子飛過電場的時間 T= 3.帶電粒子離開電場時偏轉(zhuǎn)的側(cè)位移 y===tanφ=(為進入偏轉(zhuǎn)電場前的加速電壓) v0 v⊥ v φ 4.帶電粒子離開電場時的速度大小 vx=v0 vy=v⊥=aT= v== 5.帶電粒子離開電場時的偏角 tanφ= φ=arctan 可以證明:將帶電粒子的速度方向反向延長后交于極板中線上的中點。 tanφ==,其中y=,解得:l=。 6.帶電粒子射出偏轉(zhuǎn)電場后打到熒光屏上 在距偏轉(zhuǎn)電場粒子射出端為x的地方,有一與極板垂直的熒光屏。帶電粒子射出偏轉(zhuǎn)電場后作勻速直線運動,打到熒光屏上。如果在偏轉(zhuǎn)電場中沒有加偏轉(zhuǎn)電壓,這時帶電粒子打在熒光屏的中心點O。設加偏轉(zhuǎn)電壓后,粒子打在熒光屏上的點距O點的距離為y',如圖所示。 根據(jù)相似三角形知識有: =tanφ 【例題2】兩個相同極板的長度L=6.0cm,相距d=2cm,極板間的電壓U=200V。一電子沿平行于極板面的方向射入,射入時的速度v0=3.0107m/s。把兩極板間的電場看做勻強電場,求電子射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距離y和偏轉(zhuǎn)的角度θ。 解析:電子在垂直于板面的方向受到靜電力。由于電場不隨時間改變,而且是勻強電場,所以整個去云中在垂直板面的方向上加速度是不變的。電子在垂直于板面方向做勻加速運動,射出電場時豎直偏移的距離為 y===0.36cm 離開電場時的偏轉(zhuǎn)角θ為 tanθ= 代入數(shù)值后得 θ=6.8 帶電粒子在勻強電場中的去云,跟重物在重力場中的運動相似,有時像自由落體運動,有時像拋體運動,依初速度是否為零而定。不過,重物在重力場中受到的力跟質(zhì)量成正比,因此不同質(zhì)量的物體具有相同的加速度g。但是帶電粒子在電場中受到的力跟它的電荷量成正比,而電荷量相同的粒子可能質(zhì)量不同,因而它們在電場中的加速度可以互不相同,這是靜電力與重力場的重要區(qū)別。 【交流與討論】 讓一價氫離子、一價氦離子和二價氦離子的混合物經(jīng)過同一加速電場由靜止開始加速,然后在同一偏轉(zhuǎn)電場里偏轉(zhuǎn),它們是否會分為三股?打到熒光屏上會出現(xiàn)幾個亮點? (從側(cè)位移和偏轉(zhuǎn)角分析,得出不會分成三股。在熒光屏上只出現(xiàn)一個亮點。) 三、示波管的原理 1.示波器 用來觀察電信號隨時間變化的電子儀器。其核心部分是示波管。 2.示波管的構造及作用 剛才我們討論了帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn),那么,有什么實際意義呢?示波管就是利用帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)規(guī)律制成的。 示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成如圖所示。 (1)電子槍 發(fā)射并加速電子。 (2)偏轉(zhuǎn)電極 :使電子束豎直偏轉(zhuǎn)(加信號電壓); :使電子束水平偏轉(zhuǎn)(加掃描電壓)。 (3)熒光屏 3.原理 利用了電子的慣性小、熒光物質(zhì)的熒光特性和人的視覺暫留等,靈敏、直觀地顯示出電信號隨時間變化的圖線。 的作用:被電子槍加速的電子在電場中做勻變速曲線運動,出電場后做勻速直線運動,最后打到熒光屏上。 由,Y與U成正比。 的作用:加掃描電壓后,將不同時刻電子的水平位置錯開。 演示:示波器的掃描過程,掃描頻率由慢變快。 如果在偏轉(zhuǎn)電極、之間都沒有加電壓,電子束從電子槍射出后沿直線傳播,打在熒光屏中心,在那里產(chǎn)生一個亮斑。 示波管的偏轉(zhuǎn)電極上加的是待顯示的信號電壓,這個電壓是周期性的。偏轉(zhuǎn)電極通常接入儀器自身產(chǎn)生的鋸齒開電壓,叫做掃描電壓。如果信號電壓是周期性的,并且掃描電壓與信號電壓的周期相同,就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內(nèi)隨時間變化的穩(wěn)定圖象了。 演示:用示波器分別演示豎直亮線和水平亮線;加正弦交變電壓,顯示正弦曲線。當掃描電壓和信號電壓的周期相同時,熒光屏上將出現(xiàn)穩(wěn)定的波形。 【思考與討論】 1.如果在電極之間加不變的電壓,使Y的電勢比高(有時說這種情況是Y正,負),電子束運動過程中受到哪個方向的力?電子將打在熒光屏的什么位置? 如果在電極之間加不變的電壓,而在之間加不變的電壓(X正,負),電子將打在熒光屏的什么位置? 2.如果在電極之間不加電壓,而在電極之間所加的電壓按如圖(a)所示的規(guī)律隨時間變化,在熒光屏上會看到什么圖形?試著畫出來。 A B C D E F Ux t t1 t2 O A B C D E F Ux t t1 t2 O (a) (b) 3.如果之間加的電壓仍如圖(a)所示,而在電極之間加不變的電壓(X正,負),在熒光屏上會看到什么圖形?若在之間的電壓是“X負,正”呢?試著畫出來。 4.如果之間加的電壓仍如圖(a)所示,而在電極之間所加的電壓按如圖(b)所示的規(guī)律變化,在熒光屏上會看到什么圖形?建議按以下步驟畫圖。 (1)在白紙上按圖(b)右側(cè)的樣子畫出熒光屏的放大圖; (2)在圖上分別標出O、A、B、C、D、E、F、t2幾個時刻光點在熒光屏上的位置; (3)根據(jù)以上光點的位置,畫出熒光屏上的圖形。 [小結(jié)] 1.帶電粒子在勻強電場中的運動,常見的有加速、偏轉(zhuǎn)等,分析方法同力學,只是在受力分析時增加電場力分析一項。解決思路:選擇對象→受力分析→運動分析→選擇恰當?shù)囊?guī)律。 在解決帶電粒子在電場中的運動時,除了我們課堂上給出的求解方法外,是否考慮重力要視情況而定。 ①基本粒子,如電子、質(zhì)子、離子等除有說明或明確暗示外,一般不計重力,但并不忽略質(zhì)量; ②帶電微粒如液滴、油滴、塵埃等,除有特別說明外,一般都不能忽略重力。 2.示波管是帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的實際應用。 [布置作業(yè)] 教材第39頁“問題與練習”。- 配套講稿:
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