山东省专用201X201x学年高中物理 第一章 静电场 第9节 带电粒子在电场中的运动讲义含.docx
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山东省专用201X201x学年高中物理第一章静电场第9节带电粒子在电场中的运动讲义含
第9节带电粒子在电场中的运动
1.带电粒子仅在电场力作用下加速时,可根据动能定理求速度。
2.带电粒子以速度v0垂直进入匀强电场时,如果仅受电场力,则做类平抛运动。
3.示波管利用了带电粒子在电场中的加速和偏转原理。
1.基本粒子的受力特点
对于质量很小的基本粒子,如电子、质子等,虽然它们也会受到万有引力(重力)的作用,但万有引力(重力)一般远远小于静电力,可以忽略不计。
2.带电粒子加速问题的处理方法
(1)利用动能定理分析。
初速度为零的带电粒子,经过电势差为U的电场加速后,qU=
mv2,则v=
。
(2)在匀强电场中也可利用牛顿定律结合运动学公式分析。
1.自主思考——判一判
(1)基本带电粒子在电场中不受重力。
(×)
(2)带电粒子仅在电场力作用下运动时,动能一定增加。
(×)
(3)带电粒子在匀强电场中一定沿所受电场力的方向运动。
(×)
(4)带电粒子在匀强电场中无论是直线运动还是曲线运动,均做匀变速运动。
(√)
2.合作探究——议一议
(1)带电粒子在电场中运动时,什么情况下重力可以忽略?
提示:
①当带电粒子的重力远小于静电力时,粒子的重力就可以忽略。
②微观带电粒子,如电子、质子、离子、α粒子等除有说明或明确暗示外,处理问题时均不计重力。
而带电的液滴、小球等除有说明或明确暗示外,处理问题时均应考虑重力。
(2)如图所示,带电粒子从两板中间垂直于电场线水平进入电场,满足什么条件时带电粒子在电场中做直线运动?
提示:
带电粒子在电场中一定受电场力作用,当重力与电场力平衡时,带电粒子在电场中做直线运动。
带电粒子的加速问题
1.带电粒子的加速
当带电粒子以很小的速度进入电场中,在静电力作用下做加速运动,示波器、电视显像管中的电子枪、回旋加速器都是利用电场对带电粒子加速的。
2.处理方法
可以从动力学和功能关系两个角度进行分析,其比较如下:
动力学角度
功能关系角度
涉及知识
应用牛顿第二定律结合匀变速直线运动分式
功的公式及动能定理
选择条件
匀强电场,静电力是恒力
可以是匀强电场,也可以是非匀强电场,电场力可以是恒力,也可以是变力
1.如图所示,电子由静止开始从A板向B板运动,到达B板时的速度为v,保持两板间的电压不变,则( )
A.当增大两板间的距离时,速度v增大
B.当减小两板间的距离时,速度v减小
C.当减小两板间的距离时,速度v不变
D.当减小两板间的距离时,电子在两板间运动的时间变长
解析:
选C 由动能定理得eU=
mv2,当改变两板间的距离时,U不变,v就不变,故选项A、B错误,C正确;电子做初速度为零的匀加速直线运动,
=
=
,得t=
,当d减小时,v不变,电子在板间运动的时间变短,故选项D错误。
2.[多选]如图所示,从F处释放一个无初速度的电子向B板方向运动,则下列对电子运动的描述中正确的是(设电源电压为U)( )
A.电子到达B板时的动能是eU
B.电子从B板到达C板动能变化量为零
C.电子到达D板时动能是3eU
D.电子在A板和D板之间做往复运动
解析:
选ABD 由eU=EkB可知,电子到达B板时的动能为eU,A正确;因B、C两板间电势差为0,故电子从B板到达C板的过程中动能变化量为零,B正确;电子由C到D的过程中电场力做负功大小为eU,故电子到达D板时速度为零,然后又返回A板,以后重复之前的运动,C错误,D正确。
3.如图所示,一个质子以初速度v0=5×106m/s水平射入一个由两块带电的平行金属板组成的区域。
两板距离为20cm,设金属板之间电场是匀强电场,电场强度为3×105N/C。
质子质量m=1.67×10-27kg,电荷量q=1.60×10-19C。
求质子由板上小孔射出时的速度大小。
解析:
根据动能定理W=
mv12-
mv02
而W=Ep1-Ep0=qEd
=1.60×10-19×3×105×0.2J
=9.6×10-15J
所以v1=
=
m/s
≈6×106m/s
质子飞出时的速度约为6×106m/s。
答案:
6×106m/s
带电粒子在交变电场中的运动
[典例] 在如图所示的平行板电容器的两板A、B上分别加如图甲、乙所示的两种电压,开始B板的电势比A板高。
在电场力作用下原来静止在两板中间的电子开始运动。
若两板间距足够大,且不计重力,试分析电子在两种交变电压作用下的运动情况,并画出相应的vt图像。
[解析] t=0时,B板电势比A板高,在电场力作用下,电子向B板(设为正向)做初速度为零的匀加速运动。
(1)对于图甲,在0~
T电子做初速度为零的正向匀加速直线运动,
T~T电子做末速度为零的正向匀减速直线运动,然后周期性地重复前面的运动,其速度图线如图
(1)所示。
(2)对于图乙,在0~
做类似
(1)0~T的运动,
~T电子做反向先匀加速、后匀减速、末速度为零的直线运动。
然后周期性地重复前面的运动,其速度图线如图
(2)所示。
[答案] 见解析
带电粒子在交变电场中的运动可以是单向直线运动,也可以是往复周期性运动,与运动的开始时刻有关系,一般分析一个周期内的运动,一个周期以后重复第一个周期内的运动形式。
1.[多选]带正电的微粒放在电场中,场强的大小和方向随时间变化的规律如图所示。
带电微粒只在电场力的作用下由静止开始运动,则下列说法中正确的是( )
A.微粒在0~1s内的加速度与1~2s内的加速度相同
B.微粒将沿着一条直线运动
C.微粒做往复运动
D.微粒在第1s内的位移与第3s内的位移相同
解析:
选BD 0~1s和1~2s微粒的加速度大小相等,方向相反,A错;0~1s和1~2s微粒分别做匀加速直线运动和匀减速直线运动,根据这两段运动的对称性,1~2s的末速度为0,所以每个1s内的位移均相同且2s以后的运动重复0~2s的运动,是单向直线运动,B、D正确,C错误。
2.如图(a)所示,在两平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力),当两板间的电压分别如图(b)甲、乙、丙、丁所示,电子在板间运动(假设不与板相碰),下列说法正确的是( )
A.电压是甲图时,在0~T时间内,电子的电势能一直减少
B.电压是乙图时,在0~
时间内,电子的电势能先增加后减少
C.电压是丙图时,电子在板间做往复运动
D.电压是丁图时,电子在板间做往复运动
解析:
选D 若是甲图,电场力先向左后向右,则粒子先做匀加速直线运动,后做匀减速直线运动,即电场力先做正功后做负功,电势能先减少后增加,故A错误;电压是乙图时,在0~
时间内,电子先加速后减速,即电场力先做正功后做负功,电势能先减少后增加,故B错误;电压是丙图时,电子先做加速度先增大后减小的加速运动,过了
做加速度先增加后减小的减速运动,到T时速度减为0,之后继续朝同一方向加速减速,故粒子一直朝同一方向运动,C错误;电压是丁图时,电子先加速,到
后减速,
后反向加速,
后减速,T时减为零,之后又重复0~T的运动过程,故粒子做往复运动,D正确。
1.密立根油滴实验原理如图所示。
两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接,板间电压为U,形成竖直向下场强为E的匀强电场。
用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴。
通过显微镜可找到悬浮不动的油滴,若此悬浮油滴的质量为m,则下列说法正确的是( )
A.悬浮油滴带正电
B.悬浮油滴的电荷量为
C.增大场强,悬浮油滴将向上运动
D.油滴的电荷量不一定是电子电量的整数倍
解析:
选C 悬浮油滴受到电场力和重力的作用,且二力大小相等方向相反,由于电场的方向竖直向下,因此悬浮油滴带负电,A错误;由
q
=mg知,q=
,B错误;增大场强,悬浮油滴受到的电场力增大,悬浮油滴将向上运动,C正确;悬浮油滴所带电荷量一定是电子电量的整数倍,D错误。
2.如图所示,两平行金属板竖直放置,板上A、B两孔正好水平相对,板间电压为500V。
一个动能为400eV的电子从A孔沿垂直金属板方向射入电场中,经过一段时间电子离开电场,若不考虑重力的影响,则电子离开电场时的动能大小为( )
A.900eV B.500eV
C.400eVD.-100eV
解析:
选C 电子从A向B运动时,电场力对电子做负功,若当电子到达B点时,克服电场力所做的功W=qU=500eV>400eV,因此电子不能到达B点,电子向右做减速运动,在到达B之前速度变为零,然后反向运动,从A点离开电场,在整个过程中,电场力做功为零,由动能定理可知,电子离开电场时的动能:
Ek=400eV,故C正确。
3.(2018·浙江4月选考)一带电粒子仅在电场力作用下从A点开始以-v0做直线运动,其vt图象如图所示。
粒子在t0时刻运动到B点,3t0时刻运动到C点,下列判断正确的是( )
A.A、B、C三点的电势关系为φB>φA>φC
B.A、B、C三点的场强大小关系为EC>EB>EA
C.粒子从A点经B点运动到C点,电势能先增加后减少
D.粒子从A点经B点运动到C点,电场力先做正功后做负功
解析:
选C 带电粒子的带电性不确定,无法判断电势的高低,A错。
由题图可知,带电粒子从A点到B点过程中加速度越来越大,故电场强度EA 带电粒子从A点经B点运动到C点,速率先减小后增大,故电场力先做负功,后做正功,电势能先增加后减少,故C正确,D错误。 4.如图为某一电场的电场线,M、N、P为电场线上的三个点,M、N是同一电场线上两点。 下列判断正确的是( ) A.M、N、P三点中N点的场强最大 B.M、N、P三点中N点的电势最高 C.负电荷在M点的电势能大于在N点的电势能 D.正电荷从M点自由释放,电荷将沿电场线运动到N点 解析: 选A 电场线的疏密反应了场强的大小,所以N点场强最大,选项A正确;沿着电场线的方向,电势逐渐降低,M点的电势最高,所以选项B错误;根据Ep=qφ,φM>φP>φN可知,负电荷在M点电势能小于在N点的电势能,所以选项C错误;正电荷从M点静止释放,在电场力的作用下运动,但是运动轨迹并不是沿着电场线,选项D错误。 5.(2017·江苏高考)如图所示,三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔,小孔分别位于O、M、P点。 由O点静止释放的电子恰好能运动到P点。 现将C板向右平移到P′点,则由O点静止释放的电子( ) A.运动到P点返回 B.运动到P和P′点之间返回 C.运动到P′点返回 D.穿过P′点 解析: 选A 电子在A、B板间的电场中加速运动,在B、C板间的电场中减速运动,设A、B板间的电压为U,B、C板间的电场强度为E,M、P两点间的距离为d,则有eU-eEd=0,若将C板向右平移到P′点,B、C两板所带电荷量不变,由E= = = 可知,C板向右平移到P′时,B、C两板间的电场强度不变,由此可以判断,电子在A、B板间加速运动后,在B、C板间减速运动,到达P点时速度为零,然后返回,A项正确,B、C、D项错误。 6.一个质量为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。 设粒子紧贴上极板边缘飞出电场,求粒子从进入电场到飞出电场电势能的变化量。 (粒子的重力忽略不计) 解析: 两极板间的电场强度E= 带电粒子沿电场力方向的位移y= 则电场力做正功W=qE·y= 由功能原理得电势能减少了 。 答案: 电势能减少了 7.[多选]如图所示,三个质量相同,带电荷量分别为+q、-q和0的小液滴a、b、c,从竖直放置的两板中间上方由静止释放,最后从两板间穿过,轨迹如图所示,则在穿过极板的过程中( ) A.电场力对液滴a、b做的功相同 B.三者动能的增量相同 C.液滴a与液滴b电势能的变化量相等 D.重力对c做的功最多 解析: 选AC 因为液滴a、b的电荷量大小相等,则液滴所受的电场力大小相等,由静止释放,两粒子的运动具有对称性,则水平位移大小相等,电场力做功相等,故A正确;电场力对a、b两液滴做功相等,重力做功相等,则动能的增量相等,对于c液滴,只有重力做功,小于a、b动能的增量,故B错误;对于液滴a和液滴b,电场力均做正功,电场力所做的功等于电势能的变化量,故C正确;三者在穿过极板的过程中竖直方向的位移相等,三者质量相同,所以重力做功相等,故D错误。 8.如图所示,AMB是一条长L=10m的绝缘水平轨道,固定在离水平地面高h=1.25m处,A、B为端点,M为中点。 轨道MB处在方向竖直向上、大小E=5×103N/C的匀强电场中。 一质量m=0.1kg、电荷量q=+1.3×10-4C的可视为质点的滑块以初速度v0=6m/s在轨道上自A点开始向右运动,经M点进入电场,从B点离开电场。 已知滑块与轨道间的动摩擦因数μ=0.2,求滑块: (1)到达M点时的速度大小; (2)从M点运动到B点所用的时间; 解析: (1)滑块在AM段的加速度大小为 a1= = =2m/s2 由运动学公式得vM2-v02=2(-a1) 代入数据解得vM=4m/s。 (2)滑块在MB段的加速度大小为 a2= =0.7m/s2, 由运动学公式得 =vMt1- a2t12, 代入数据解得t1= s。 答案: (1)4m/s (2) s 9.(2017·全国卷Ⅰ)真空中存在电场强度大小为E1的匀强电场,一带电油滴在该电场中竖直向上做匀速直线运动,速度大小为v0。 在油滴处于位置A时,将电场强度的大小突然增大到某值,但保持其方向不变。 持续一段时间t1后,又突然将电场反向,但保持其大小不变;再持续同样一段时间后,油滴运动到B点。 重力加速度大小为g。 (1)求油滴运动到B点时的速度; (2)求增大后的电场强度的大小;为保证后来的电场强度比原来的大,试给出相应的t1和v0应满足的条件。 已知不存在电场时,油滴以初速度v0做竖直上抛运动的最大高度恰好等于B、A两点间距离的两倍。 解析: (1)设油滴质量和电荷量分别为m和q,油滴速度方向向上为正。 油滴在电场强度大小为E1的匀强电场中做匀速直线运动,故匀强电场方向向上。 在t=0时,电场强度突然从E1增加至E2时,油滴做竖直向上的匀加速运动,加速度方向向上,大小a1满足 qE2-mg=ma1① 油滴在时刻t1的速度为 v1=v0+a1t1② 电场强度在时刻t1突然反向,油滴做匀变速运动,加速度方向向下,大小a2满足 qE2+mg=ma2③ 油滴在时刻t2=2t1的速度为 v2=v1-a2t1④ 由①②③④式得 v2=v0-2gt1⑤ (2)由题意,在t=0时刻前有 qE1=mg⑥ 油滴从t=0到时刻t1的位移为 s1=v0t1+ a1t12⑦ 油滴在从时刻t1到时刻t2=2t1的时间间隔内的位移为 s2=v1t1- a2t12⑧ 由题给条件有 v02=2g(2h)⑨ 式中h是B、A两点之间的距离。 若B点在A点之上,依题意有 s1+s2=h⑩ 由①②③⑥⑦⑧⑨⑩式得 E2= E1⑪ 为使E2>E1,应有 2-2 + 2>1⑫ 即当0 ⑬ 或t1> ⑭ 才是可能的;条件⑬式和⑭式分别对应于v2>0和v2<0两种情形。 若B点在A点之下,依题意有 s1+s2=-h⑮ 由①②③⑥⑦⑧⑨⑮式得 E2= E1⑯ 为使E2>E1,应有 2-2 - 2>1⑰ 即t1> ⑱ 另一解为负,不合题意,已舍去。 答案: (1)v0-2gt1 (2)见解析 如有侵权请联系告知删除,感谢你们的配合!
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