《带电粒子在电场中的运动》PPT课件

第一章静电场第九节带电粒子在电场中的运动大型粒子对撞机1.带电粒子在电场中要受到哪些力的作用？2.对于像电子、质子、α粒子、离子等带电微粒在电场中运动时，我们怎样处理它们的受力？通常要受到重力和电场力电子、质子、α粒子、离子等带电微粒所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略。重力势能就可以不考虑。但带电物体：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。3.带电粒子在电场中运动时，电场力对粒子的运动有什么效果？带电粒子在电场中运动时，所受电场力对粒子产生加速度，改变粒子的速度。电场力（合外力）对粒子做功，改变粒子的动能。4.带电粒子在均强电场中运动时，运动有什么特点？带电粒子在均强电场中运动时，所受电场力是恒力,产生恒定的加速度，所以带电粒子在均强电场中的运动跟物体在重力场中的自由落体和抛体运动相似。动能定理W=qU=𝟏𝟐mvt2‒𝟏𝟐mv02研究带电粒子运动的主要理论方法电场力F=qE加速度a=F/m电场力的功W=qU二、带电粒子在电场中的偏转一、带电粒子在电场中的加速带电粒子在电场中的两类基本运动++++++++________UE加速匀速+q、m、v=?一、带电粒子的加速qUm+_带电粒子的加速过程d1.受力分析:F2.运动分析:初速度为零，加速度为a=qU/md的向右匀加速直线运动。解法一运用运动学知识求解2222qUqUvaddmdm2qUvm水平向右的电场力F＝Eq=qU/dqUm+_带电粒子的加速过程d1.受力分析:F2.能量转化:电势能转化为动能21==2WqUmv总粒子加速后的速度只与加速电压有关水平向右的电场力F＝Eq=qU/d2qUvm解法二运用能量知识求解如两极板间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，第二种方法仍适用。若粒子的初速度为零,则:qUmv221若粒子的初速度不为零,则:qUmvmv2202121例1.炽热的金属丝可以发射电子。两边加以电压U=2500V，电子初速度为0，求电子穿出时的速度。解：带电粒子运动过程中，只受电场力作用，电场力做的功为：W＝qU根据动能定理有：W＝12mv2－0，解得v＝2Uqm=3.0×107m/s。粒子做匀减速直线运动1.若带正电粒子以v0从负板向正板运动，粒子运动情况如何？2.若粒子以初速度v0沿垂直场强方向进入电场，离子的运动情况如何？粒子做类平抛运动++++++------lv0d-qθvv0v⊥θyx二、带电粒子在电场中的偏转类平抛运动偏转角侧移1.粒子穿越电场的时间t为多少？2.粒子离开电场时的速度v多大？3.粒子离开电场时的偏角θ多大？4.沿垂直于板面方向偏移的距离为多少？5.x呢？mFamqEmdqU0vlt212yat2202qUlmvd与粒子比荷q/m成正比与粒子初速度v0平方成反比与电场的属性U、l、d有关mFamqEmdqU0vltatvydmvqUl0与粒子比荷q/m成正比与粒子初速度v0平方成反比与电场的属性U、l、d有关0tanyvv20qUlmvdmFamqEmdqU0vltatvydmvqUl0tan2ylx推论:粒子从偏转电场中射出时,其速度反向延长线与初速度方向交一点,此点平分沿初速度方向的位移。LmqUv102122202242dULUvLmdqUy122022tandULUmdvLqU三、加速和偏转一体++++++------φv0vy+_U1U2v0-qmy让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，在通过加速电场时获得的动能是否相同？通过偏转电场时，它们是否会分为三股？请说明理由。答案：通过加速电场时获得的动能Ek=qU,加速电压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动能最大。粒子的偏转量和偏转角由加速电场和偏转电场决定，所以三种粒子不可能分开为三股。122202242dULUvLmdqUyvyyL++++++------φv0+-U1U2v0-qm1.如图，电子在电势差为U1的加速电场中，由静止开始加速，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角θ变大的是（）A.U1变大、U2变大B.U1变小、U2变大C.U1变大、U2变小D.U1变小、U2变小21012qUmv2012mvqU220taneUlmvd解析：对加速过程由动能定理：对偏转过程由偏转角正切公式：212UlUd示波器示波器图象电子枪偏转电极-+荧光屏YYˊX三、示波管的原理XˊXˊXYYˊ产生高速飞行的电子束锯齿形扫描电压使电子沿Y方向偏移待显示的电压信号使电子沿X方向偏移如果在电极XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加不变电压，使Y的电势比Yˊ高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY电子枪偏转电极荧光屏如果在电极XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加不变电压，使Yˊ的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY电子枪偏转电极荧光屏如果在XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？XˊXYYˊUYtO如果在XXˊ之间不加电压，而在YYˊ之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？UYtOYˊ随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线。示波器图象-+XˊXˊXXYYˊYˊY电子枪偏转电极荧光屏如果在电极YYˊ之间不加电压，而在XXˊ之间加不变电压，使X的电势比Xˊ高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY电子枪偏转电极荧光屏如果在电极YYˊ之间不加电压，而在XXˊ之间加不变电压，使Xˊ的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？UXt扫描电压可知，若XXˊ所加的电压为特定的周期性变化电压，则亮斑在水平方向来回运动一一扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。示波器图象OXˊXYYˊ如果在YYˊ之间加如图所示的交变电压，同时在XXˊ之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？ABCDFABCt1DEFt2XˊXYYˊtOUYUXOtABCDEEFt2t1t2t1如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图象。示波器图象tOUYUXOtXˊXYYˊ一、利用电场使带电粒子加速二、利用电场使带电粒子偏转从动力学和运动学角度分析从做功和能量的角度分析类似平抛运动的分析方法粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动粒子在与电场平行的方向上做初速度为零的匀加速运动1.偏转电极不加电压时：从电子枪射出的电子将沿直线运动，射到荧光屏的心点形成一个亮斑。2.在XX′(或YY′)加电压时：若所加电压稳定，则电子被加速，偏转后射到XX′(或YY′)所在直线上某一点，形成一个亮斑(不在中心)。3.示波管实际工作时，竖直偏转板和水平偏转板都加上电压。一般地，加在竖直偏转板上的电压是要研究的信号电压，加在水平偏转板上的电压是扫描电压，若两者周期相同，在荧光屏上就会显示出信号电压在一个周期内随时间变化的波形图。示波管的主要工作原理