静电平衡电容器带电粒子在电场中的运动讲解及习题含答案Word格式文档下载.docx
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外部电场对内部仪器没有影响若将源电荷置于空腔内,则外对内没有影响,但内对外有影响
实验演示:
将收音机置于金属网罩内则声音大小减小
若将球壳接地,则内外各不影响
电容器与电容
1
1、电容:
(1)定义:
电容器所带的电荷量(是指一个极板所带电荷量的绝对值)与电容器两极板间电压的比值.
(2)公式:
C=Q/U.单位:
法拉,1F=
(3)物理意义:
电容反映电容器容纳电荷的本领的物理量,和电容器是否带电无关.
(4)制约因素:
电容器的电容与Q、U的大小无关,是由电容器本身情况决定,对一个确定的电容器,它的电容是一定的,与电容器是否带电及带电多少无关。
注意:
由知,对确定的电容器,Q与U成正比,比值不变;
对不同的电容器,U相同时,Q越大,则C越大,因此说C是反映电容器容纳电荷本领的物理量。
2、平等板电容器
(1)决定因素:
C与极板正对面积、介质的介电常数成正比,与极板间距离成反比。
,式中k为静电力常量。
(3)的比较
1)公式是电容的定义式,对任何电容器都适用。
对一个确定的电容器其电容已确定,不会随其带电量的改变而改变,电容大小由电容器本身的因素决定,是用来表示电容器容纳电荷本领的物理量。
2)公式是平行板电容器电容的决定式,只对平行板电容器适用。
电容C随ε、S、d等因素的变化而变化。
问题1:
电容概念的理解问题:
对一电容充电时电容器的电容C、带电量Q、电压U之间的图象如图所示,其中正确的是()
答案:
CD
变式1:
如图所示为一只“极距变化型电容式传感器”的部分构件示意图。
当动极板和定极板之间的距离d变化时,电容C便发生变化,通过测量电容C的变化就可知道两极板之间距离d的变化情况。
在下列图中能正确反映C与d之间变化规律的图像是
A
变式2:
对于水平放置的平行板电容器,下列说法正确的是()
A.将两极板的间距加大,电容将增大
B.将两极板平行错开,使正对面积减小,电容将减小
C.在下板的内表面上放置一面积和极板相等、厚度小于极板间距的陶瓷板,电容将增大
D.在下板的内表面上放置一面积和极板相等、厚度小于极板间距的铝板,电容将增大
BCD
问题2:
平行板电容器的动态分析问题:
水平放置的两块正对平行金属板构成一个平行板电容器,该金属板电容器的两极分别与一电池的正负极和开关相连,在电容器的两块水平金属板之间有一带正电的质点,如图所示。
当开关闭合后,质点可悬浮处于静止状态。
下列说法中正确的是
A.保持开关闭合,若将电容器的两块水平金属板之间距离增大,则电容变大,质点向上运动
B.保持开关闭合,若将电容器的两块水平金属板之间距离减小,则电容变大,质点向上运动
C.断开开关,若将电容器的两块水平金属板错开一部分,则电容变大,质点向上运动
D.断开开关,若将电容器的两块水平金属板错开一部分,则电容变小,质点向上运动
BD
变式3:
如图所示,平行板电容器与电动势为E的直流电源(内阻不计)连接,下极板接地.一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态.现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离()
A.带电油滴将沿竖直方向向上运动
B.P点的电势将降低
C.带电油滴的电势能将减小
D.若电容器的电容减小,则极板带电量将增大
B
变式4:
如图所示,D是一只二极管,AB是平行板电容器,在电容器两极板间有一带电微粒P处于静止状态,当两极板A和B间的距离增大一些的瞬间(两极板仍平行),带电微粒P的运动情况是()
A.向下运动B.向上运动C.仍静止不动D.不能确定
C
小结:
平行板电容器动态分析的方法:
(1)认清分析的前提是Q与U中的哪个量恒定不变,一是电容器两板间的电势差U保持不变(与电源连接);
二是电容器所带的电荷量Q保持不变(与电源断开)。
(2)用决定式判断电容C的变化趋势。
(3)由定义式判断Q与U中会发生变化的那个量的变化趋势。
(4)由(常用于U不变时)或E∝(常用于Q不变时)分析场强的变化。
(因为,所以E∝)
(5)由F=qE分析电场中的点电荷受力变化,进一步分析其运动状态。
例如:
合力为零时,带电体将处于静止或匀速直线运动状态;
合力方向与初速度方向在同一直线上时,带电体将被加速或减速(初速为零必加速);
合力恒定且方向与初速度方向垂直时,带电体将做类平抛运动等。
1.带电粒子的加速
(1)动力学分析:
带电粒子沿与电场线平行方向进入电场,受到的电场力与运动方向在同一直线上,做加(减)速直线运动,如果是匀强电场,则做匀加(减)速运动.
(2)功能关系分析:
粒子只受电场力作用,动能变化量等于电势能的变化量.
(初速度为零);
此式适用于一切电场.
2.带电粒子的偏转
带电粒子以速度v0垂直于电场线方向飞入两带电平行板产生的匀强电场中,受到恒定的与初速度方向成900角的电场力作用而做匀变速曲线运动(类平抛运动).
(2)运动的分析方法(看成类平抛运动):
①沿初速度方向做速度为v0的匀速直线运动.
②沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动.
例1如图1—8—1所示,两板间电势差为U,相距为d,板长为L.—正离子q以平行于极板的速度v0射入电场中,在电场中受到电场力而发生偏转,则电荷的偏转距离y和偏转角θ为多少?
解析:
电荷在竖直方向做匀加速直线运动,受到的力F=Eq=Uq/d
由牛顿第二定律,加速度a=F/m=Uq/md
水平方向做匀速运动,由L=v0t得t=L/v0
由运动学公式可得:
带电离子在离开电场时,竖直方向的分速度:
v⊥
离子离开偏转电场时的偏转角度θ可由下式确定:
电荷射出电场时的速度的反向延长线交两板中心水平线上的位置确定:
如图所示,设交点P到右端Q的距离为x,则由几何关系得:
点评:
电荷好像是从水平线OQ中点沿直线射出一样,
注意此结论在处理问题时应用很方便.
3.示波管的原理
(1)构造及功能如图l—8—2所示
①电子枪:
发射并加速电子.
②偏转电极YY,:
使电子束竖直偏转(加信号电压)XX,:
使电子束水平偏转(加扫描电压).
③荧光屏.
(2)工作原理(如图1—8—2所示)
偏转电极XX,和YY,不加电压,电子打到屏幕中心;
若电压只加XX,,只有X方向偏;
若电压只加YY,,只有y方向偏;
若XX,加扫描电压,YY,加信号电压,屏上会出现随信号而变化的图象.
4.在带电粒子的加速或偏转的问题中,何时考虑粒子的重力?
何时不计重力?
一般来说:
(1)基本粒子:
如电子、质子、α粒子、离子等除有特别说明或有明确暗示以外,一般都不考虑重力(但不忽略质量).
(2)带电颗粒:
如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有特别说明或有明显暗示以外,一般都不能忽略重力.
5.易错易混点
带电粒子在电场中发生偏转,—定要区分开位移的方向与速度的方向,它们各自偏角的正切分别为:
,,切不可混淆
例2两平行金属板相距为d,电势差为U,一电子质量为m,电荷量为e,从O点沿垂直于极板的方向射出,最远到达A点,然后返回,如图1—8—3所示,OA=h,此电子具有的初动能是()
A.B.edUh
C.D.
电子从O点到A点,因受电场力作用,速度逐渐减小,根据题意和图示可知,电子仅受电场力,由能量关系:
,又E=U/d,,所以.故D正确.
应用电场力做功与电势差的关系,结合动能定理即可解答本题.
例3一束质量为m、电荷量为q的带电粒子以平行于两极板的速度v0进入匀强电场,如图1—8—4所示.如果两极板间电压为U,两极板间的距离为d、板长为L.设粒子束不会击中极板,则粒子从进入电场到飞出极板时电势能的变化量为.(粒子的重力忽略不计)
分析:
带电粒子在水平方向做匀速直线运动,在竖直方向做匀加速运动.电场力做功导致电势能的改变.
水平方向匀速,则运动时间t=L/v0①
竖直方向加速,则侧移②
且③
由①②③得
则电场力做功
由功能原理得电势能减少了
例4如图1—8-5所示,离子发生器发射出一束质量为m,电荷量为q的离子,从静止经加速电压U1加速后,获得速度,并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央,受偏转电压U2作用后,以速度离开电场,已知平行板长为,两板间距离为d,求:
①的大小;
②离子在偏转电场中运动时间;
③离子在偏转电场中受到的电场力的大小F;
④离子在偏转电场中的加速度;
⑤离子在离开偏转电场时的横向速度;
⑥离子在离开偏转电场时的速度的大小;
⑦离子在离开偏转电场时的横向偏移量y;
⑧离子离开偏转电场时的偏转角θ的正切值tgθ
①不管加速电场是不是匀强电场,W=qU都适用,所以由动能定理得:
②由于偏转电场是匀强电场,所以离子的运动类似平抛运动.
即:
水平方向为速度为v0的匀速直线运动,竖直方向为初速度为零的匀加速直线运动.
∴在水平方向
③F=qE=
④
⑤
⑥
⑦(和带电粒子q、m无关,只取决于加速电场和偏转电场)
解题的一般步骤是:
(1)根据题目描述的物理现象和物理过程以及要回答问题,确定出研究对象和过程.并选择出“某个状态”和反映该状态的某些“参量”,写出这些参量间的关系式.
(2)依据题目所给的条件,选用有关的物理规律,列出方程或方程组,运用数学工具,对参量间的函数关系进行逻辑推理,得出有关的计算表达式.
(3)对表达式中的已知量、未知量进行演绎、讨论,得出正确的结果.
[同步检测]
1.如图l—8—6所示,电子由静止开始从A板向B板运动,当到达B板时速度为v,保持两板间电压不变.则()
A.当增大两板间距离时,v也增大
B.当减小两板间距离时,v增大
C.当改变两板间距离时,v不变
D.当增大两板间距离时,电子在两板间运动的时间延长
2.如图1—8—7所示,两极板与电源相连接,电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场,且恰好从正极板边缘飞出,现在使电子入射速度变为原来的两倍,而电子仍从原位置射入,且仍从正极板边缘飞出,则两极板的间距应变为原来的()
A.2倍B.4倍
C.0.5倍D.0.25倍
3.电子从负极板的边缘垂直进入匀强电场,恰好从正极板边缘飞出,如图1—8—8所示,现在保持两极板间的电压不变,使两极板间的距离变为原来的2倍,电子的入射方向及位臀不变,且要电子仍从正极板边缘飞出,则电子入射的初速度大小应为原来的( )
A.B.C.D.2
4.下列带电粒子经过电压为U的电压加速后,如果它们的初速度均为0,则获得速度最大的粒子是()
A.质子B.氚核C.氦核D.钠离子Na+
5.真空中有一束电子流,以速度v、沿着跟电场强度方向垂直.自O点进入匀强电场,如图1—8—9所示,若以O为坐标原点,x轴垂直于电场方向,y轴平行于电场方向,在x轴上取OA=AB=BC,分别自A、B、C点作与y轴平行的线跟电子流的径迹交于M
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