高考物理第一轮复习:带电粒子在匀强电场中的运动专题
更新时间:2023-10-11 11:44:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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带电粒子在匀强电场中的运动专题
一、带电粒子在匀强电场中的加速运动
【例1】如图所示,在真空中有一对平行金属板,两板间加以电压U。在板间靠近正极板附近有一带正电荷q的带电粒子,它在电场力作用下由静止开始从正极板向负极板运动,到达负极板的速度为多大? 分析:带电粒子在运动中受到电场力的作用,电场力对它做功,使它的动能增加,由动能定理可知: M N 【例2】如图所示,两个极板的正中央各有一小孔,两板间加以电压U,一带正电荷q的带电粒子以初速度v0从左边的小孔射入,并从右边的小孔射出,则射出时速度为多少? q 分析:带电粒子在运动中受到电场力的作用,电场力对它做功,使它的动能增加,由动能U 定理可知: M N 练习:两平行金属板相距为d,电势差为U,以电子质量为m,电荷量为e,从O点沿垂v v0 直于极板的方向射出,最远到达A点,然后返回,如图所示,OB?h,此电子具有的初q
N 动能是( ) M edheUeUh A、 B、edUh C、 C、
UdhdO U h B 小结:带电粒子在匀强电场中加速运动,它的运动特点是:带电粒子在匀强电场中的电场U FqU力F的作用下,以恒定加速度a?做匀加速直线运动,处理方法有:(1)牛顿运?mmd动定律和运动学公式;(2)能量观点。 二、带电粒子在匀强电场中的偏转
【例3】质量为、电荷量为的带电粒子以初速沿垂直于电场的方向,进入长为、间距为、电压为的平行金属板间的匀强电场中,粒子将做匀变速曲线运动,如图所示,若不计粒子重力,则可求出如下相关量:
l (1)粒子穿越电场的时间:
粒子在垂直于电场方向以vx?v0做匀速直线运动,
q v0 U d (2)粒子离开电场时的速度:
qEqU粒子沿电场方向做匀加速直线运动,加速度a?,粒子离开电场时平行电场方向? mmdqUl2qUl22)。 的分速度vy?at?,所以v?v2x?vy?v0?(mdv0mdv0(3)粒子离开电场时的侧移距离:
(4)粒子离开电场时的偏角:
vyqUlqUl???arctan因为tan??,所以。 22vxmdv0mdv0(5)速度方向的反向延长线必过偏转电场的中点
y qUlqUl2l由tan??和,可推得y?y?tan?。粒子可看作是从两板间的中点沿直线22mdv02mdv02射出的。
注意:带电粒子是否考虑重力要依据情况而定
(1)基本粒子:如电子、质子、粒子、离子等,除有说明或明确的暗示外,一般都不考虑重力(但不能忽略质量)。
(2)带电颗粒:如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有说明或明确的暗示外,一般都不能忽略重力。
三、带电粒子经加速电场后进入偏转电场
【例4】如图所示,由静止开始被电场(加速电压为)加速的带电粒子平行于两正对的平行金属板且从两板正中间射入,从右侧射出,设在此过程中带电粒子没有碰到两极板。若金属板长为,板间距离为、两板间电压为,试分析带电粒子的运动情况。 (1)粒子穿越加速电场获得的速度 U1 L 设带电粒子的质量为,电量为,
经电压加速后速度为。由动能定理有 q q vv0 1 U2 d (2)粒子穿越偏转电场的时间:
v1 带电粒子以初速度平行于两正对的平行金属板从两板正中间射入后,在偏转电场中运 Lmv2
动时间为,则t? ?Lv12qU1(3)粒子穿越偏转电场时沿电场方向的加速度:
带电粒子在偏转电场中运动时沿电场方向的加速度a?F?qU2 ?mdm(4)粒子离开偏转电场时的侧移距离:
带电粒子在偏转电场中运动时沿电场方向作初速度为0的做匀加速直线运动
121qU2m2U2L2y?at???L?22dm2qU14U1d
(5)粒子离开偏转电场时沿电场方向的速度为:
带电粒子离开电场时沿电场方向的速度为,则vy?at?(6)粒子离开偏转电场时的偏角:
U2Lq
d2mU1U2L
vx2U1d【例5】如图所示,由静止开始被电场(加速电压为)加速的带电粒子平行于两正对的平行金属板且从两板正中间射入。若金属板长为,板间距离为、两板间电压为,试讨论带电粒子能飞出两板间的条件和飞出两板间时的速度方向。 分析:设带电粒子的质量为,电量为, U1 L 经电压加速后速度为。由动能定理有
带电粒子以初速度平行于两正对的平行金属板从两板正中间射入后,若能飞出偏转电q d U2 Lm?L场,在电场中运动时间为,则t?。 v12qU1设飞出两板间时的速度方向与水平方向夹角为。则tan??vy?带电粒子在偏转电场中运动时的加速度a?qU2。 dm2U1d2dU2L2d带电粒子飞出偏转电场时的侧移的最大值为,则?,所以U2?。
24U1d2L22U1d2由上式可知,当两极板间电压U2?时,带电粒子不可能飞出两金属板之间;当≤
L22U1d2时,带电粒子可飞出两金属板之间。 L22U1d2在满足≤的条件下,设带电粒子飞出两金属板之间的侧移为,由上面的讨论
L2U2L212可知y?at?。
24U1d带电粒子离开电场时沿电场方向的速度为,则vy?at?U2Lq。
d2mU1设飞出两板间时的速度方向与水平方向夹角为。则tan??vyvx?U2L。 2U1d四、带电粒子在电场中运动的应用——示波器
【例6】如图所示,k级发射出电子,经过KS之间的加速电场加速后,进入AB的偏转电场,AB两板间的电压为U2,射出电场后将射到电子屏幕上。试分析电子的整个运动过程。 (1)电子穿越加速电场获得的速度
设电子的质量为,电量为, 经电压加速后速度为。由动能定理有 (2)电子穿越偏转电场的时间:
电子以初速度平行于两正对的平行金属板从两板正中间射入后,在偏转电场中运动时间为,则t?Lm ?Lv12qU1F?qU2 ?mdm(3)电子穿越偏转电场时沿电场方向的加速度:
电子在偏转电场中运动时沿电场方向的加速度a?(4)电子离开偏转电场时的侧移距离:
电子在偏转电场中运动时沿电场方向作初速度为0的做匀加速直线运动
121qU2m2U2L2y?at???L?22dm2qU14U1d
(5)电子离开偏转电场时沿电场方向的速度为:
电子离开电场时沿电场方向的速度为,则vy?at?(6)电子离开偏转电场时的偏角:
设飞出两板间时的速度方向与水平方向夹角为。则tan??U2Lq
d2mU1vyvx?U2L 2U1d(7)电子在屏幕上的偏移位移:
电子飞出电场以后将沿电子出场时速度方向做匀速直线运动,最后射到屏幕上。所以:
vyU2LU2LL?y?? 则y? =tan???2U1dL?vx2U1dU2L2U2LL?U2LL 所以Y?y?y????(?L?)
4U1d2U1d2U1d2【例7】如图所示是示波器的原理图。分析下列情况中,示波器荧光屏上观察到的现象。 (1)偏转电极YY′上加稳定的电压,荧光屏上出现什么现象?
(2)只在YY′电极上加如图所示的正弦规律变化的电压Uy,荧光屏上出现什么现象? 如果电压按正弦规律变化U=Umaxsinωt,偏移量也将按正弦规律变化Y=Ymaxsinωt,即亮斑在竖直方向上作简谐运动,当电压变化很快时,亮斑的移动也很快,由于视觉暂留和荧光物质的残光特性,亮斑看起来就成为一条竖直的亮线。
(3)在YY′电极上不加电压,在XX′电极上加如图所示Ux从-U均匀变化到U的电压,荧光屏上出现什么现象?
加上特定的周期性变化的电压,亮斑从一侧匀速运动到另一侧,然后迅速返回原处,再匀速移向另一侧,如此反复继续。这个过程叫扫描,所加电压叫扫描电压。如果电压变化很快,亮斑看起来就成为一条水平亮线。
(4)在YY′电极上加上左图所示的正弦规律变化的电压,在XX′电极上加如右图所示从-U到U均匀变化的电压,两电压同时开始,周期相同,在荧光屏上出现什么现象? 例4:如图(a)所示,A、B为水平放置的平行金属板,板间距离为(远小于板的长和宽)。在两板之间有一带负电的质点P。已知若在A、B间加电压,则质点P可以静止平衡。 现在A、B间加上如图(b)所示的随时间t变化的电压U,在t=0时质点P位于A、B间的中点处且初速度为0。已知质点P能在A、B之间以最大的幅度上下运动而又不与两板相碰,求图(b)中U改变的各时刻t1,t2,t3及tn的表达式。(质点开始从中点上升到最高点,及以后每次从最高点到最低点或从最低点到最高点的过程中,电压只改变一次。0
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