高中物理十大难点之电子在电场中的运动之金典例题

难点之八带电粒子在电场中的运动1.在分析物体受力时，是否考虑重力要依据具体情况而定。（1）基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等，除有说明或有明确的暗示以外一般都忽略不计。2）带电颗粒：如尘埃、液滴、小球等，除有说明或有明确的暗示以外一般都不能忽略。“带电粒子”一般是指电子、质子及其某些离子或原子核等微观的带电体，它们的质量都很小，例如：电子的质量仅为0.91×10-30千克、质子的质量也只有1.67×10-27千克。（有些离子和原子核的质量虽比电子、质子的质量大一些，但从“数量级”上来盾，仍然是很小的。）如果近似地取g=10米/秒2，则电子所受的重力也仅仅是meg=0.91×10-30×10=0.91×10-29(牛)。但是电子的电量为q=1.60×10-19库（虽然也很小，但相对而言10-19比10-30就大了10-11倍），如果一个电子处于E=1.0×104牛/库的匀强电场中（此电场的场强并不很大），那这个电子所受的电场力F=qE=1.60×10-19×1.0×104=1.6×10-15（牛），看起来虽然也很小，但是比起前面算出的重力就大多了（从“数量级”比较，电场力比重力大了1014倍），由此可知：电子在不很强的匀强电场中，它所受的电场力也远大于它所受的重力——qEmeg。所以在处理微观带电粒子在匀强电场中运动的问题时，一般都可忽略重力的影响。但是要特别注意：有时研究的问题不是微观带电粒子，而是宏观带电物体，那就不允许忽略重力影响了。例如：一个质量为1毫克的宏观颗粒，变换单位后是1×10-6千克，它所受的重力约为mg=1×10-6×10=1×10-5（牛），有可能比它所受的电场力还大，因此就不能再忽略重力的影响了。2．加强力学知识与规律公式的基础教学，循序渐进的引入到带电粒子在电场中的运动，注意揭示相关知识的区别和联系。3．注重带电粒子在电场中运动的过程分析与运动性质分析（平衡、加速或减速、轨迹是直线还是曲线），注意从力学思路和能量思路考虑问题，且两条思路并重；同时选择好解决问题的物理知识和规律。带电粒子在匀强电场中的运动，是一种力电综合问题。解答这种问题经常运用电场和力学两方面的知识和规律，具体内容如下：所需电场的知识和规律有：EqF→F=qE；W=qU；EdU；电场线的性质和分布；等势面的概念和分布：电势、电势差、电势能、电场力做功与电势能变化关系。所需力学的知识和规律有：牛顿第二定律F=ma；动能定理W=ΔEk；动能和重力势能的概念和性质；能的转化和守恒定律；匀变速直线运动的规律；抛物体运动的规律；动量定理；动量守恒定律；解答“带电粒子在匀强电场中运动”的问题，既需要掌握较多的物理知识，又需要具有一定的分析综合能力。处理带电粒子运动问题的一般有三条途径：（1）匀变速直线运动公式和牛顿运动定律（2）动能定理或能量守恒定律（3）动量定理和动量守恒定律处理直线变速运动问题，除非题目指定求加速度或力，否则最好不要用牛顿第二定律来计算。要优先考虑使用场力功与粒子动能变化关系，使用动能定理来解，尤其是在非匀强电场中，我们无法使用牛顿第二定律来处理的过程，而动能定理只考虑始末状态，不考虑中间过程。一般来说，问题涉及时间则优先考虑冲量、动量，问题涉及空间则优先考虑功、动能。对带电粒子在非匀强电场中运动的问题，对中学生要求不高，不会有难度过大的问题。4．强化物理条件意识，运用数学工具（如，抛物线方程、直线方程、反比例函数等）加以分析求解。（一）带电粒子的加速1.运动状态分析带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与运动方向在同一直线上，做加速（或减速）直线运动。2.用功能观点分析粒子动能的变化量等于电场力做的功。（1）若粒子的初速度为零，则qU=mv2/2,V=2qUm（2）若粒子的初速度不为零，则qU=mv2/2-mv02/2,V=202qUVm3.用牛顿运动定律和运动学公式分析：带电粒子平行电场线方向进入匀强电场，则带电粒子做匀变速直线运动，可由电场力求得加速度进而求出末速度、位移或时间。说明：（1）不管是匀强电场还是非匀强电场加速带电粒子W=qU都适应，而W=qEd，只适应于匀强电场.（2）对于直线加速，实质上是电势能转化为动能，解决的思路是列动能定理的方程（能量观点）来求解。例1：如图8-1所示，带电粒子在电场中的加速：在真空中有一对平行金属板，两板间加以电压U，两板间有一个带正电荷q的带电粒子，它在电场力的作用下，由静止开始从正极板向负极板运动，到达负极板时的速度有多大？（不考虑带电粒子的重力）【审题】本题是带电粒子在匀强电场中的加速问题，物理过程是电场力做正功，电势能减少，动能增加，利用动能定理便可解决。【解析】带电粒子在运动过程中，电场力所做的功W=qU。设带电粒子到达负极板时的动能EK=12mv2，由动能定理qU=12mv2得：v=2qUm【总结】上式是从匀强电场中推出来的，若两极板是其他形状，中间的电场不是匀强电场，上式同样适用。例2：下列粒子从初速度为零的状态经过加速电压为U的电场之后，哪种粒子的速度最大？（A）a粒子（B）氚核（C）质子（D）钠离子aN【审题】解答本题需要把带电粒子在电场中加速的知识与原子核知识联系起来。1．本题已知电场的加速电压为U，要判断的是粒子被加速后的速度v的大小，因此采用221mvqU分析问题比较方便。2．若以mp表示质子11H的质量、以e表示质子的电量，则根据所学过的原子核知识可知——α粒子He42的质量应为4mp、电荷量应为2e；氚核H31的质量应为3mp、电量应为e；钠离子Na的质量比其它三种粒子的质量都大（由于是选择判断题，对此未记质量数也无妨）、图8-1电量应为e。【解析】1．根据212qUmv可以导出下式：mqUv2由此可知：对于各种粒子来说，加速电压U都是相同的。因此v与q成正比；v与m成反比。因为质子和钠离子所带的电量相同，而钠离子的质量却比质子大得多，所以可断定——电场加速后的质子速度应比钠离子大得多。因此选项（D）首先被淘太。2．为了严格和慎重起见，我们对被加速后的α粒子、氚核、质子的速度进行下列推导：对于α粒子——质量为4mp、电量为2epaameUmpeUmUqva4222对于氚核——质量为3mp、电量为eppmeUmeUv3232氚对于质子——质量为mp电量为epppmeUmeUv22从比较推导的结果中知：质子的速度VP最大，正确答案为（C）。【总结】本题关键是正确使用动能定理，正确得出速度的表达式，由表达式加以讨论，进而得出正确选项。例3：如图8-2所示，真空中相距d=5cm的两块平行金属板A、B与电源连接(图中未画出)，其中B板接地（电势为零）,A板电势变化的规律如图8-3所示.将一个质量m=2.0×10-23kg,电量q=+1.6×10-1C的带电粒子从紧临B板处释放，不计重力.求：(1)在t=0时刻释放该带电粒子，释放瞬间粒子加速度的大小;(2)若A板电势变化周期T=1.0×10-5s,在t=0时将带电粒子从紧临B板处无初速释放，粒子到达A板时动量的大小；(3)A板电势变化频率多大时，在t=4T到t=2T时间内从紧临B板处无初速释放该带电粒子，粒子不能到达A板.【审题】本题需要正确识别图像，由图像提供的信息分析带电粒子在电场中的受力，由受力图8-2图8-3情况得出粒子的运动情况，选择正确的物理规律进行求解。【解析】电场强度E=Ud带电粒子所受电场力UqFEqd，F=ma924.010/Uqamsdm粒子在02T时间内走过的距离为221()5.01022Tam故带电粒在在2Tt时恰好到达A板根据动量定理，此时粒子动量234.010pFtkg·m/s带电粒子在42TTtt向A板做匀加速运动，在324TTtt向A板做匀减速运动，速度减为零后将返回，粒子向A板运动的可能最大位移22112()2416TsaaT要求粒子不能到达A板，有sd由1fT，电势频率变化应满足4521016afdHZ【总结】带电粒子在周期性变化的匀强电场中的运动比较复杂，运动情况往往由初始条件决定，具体问题需要具体分析。（1）运动分析：若粒子受力方向与运动方向相同，则粒子加速运动；若粒子受力方向与运动方向相反，则粒子减速运动。（2）处理方法：①利用牛顿运动定律结合运动学公式。②利用能量观点，如动能定理，若为非匀强电场只能用能量观点。（二）带电粒子的偏转（限于匀强电场）1.运动状态分析：带电粒子以速度V0垂直电场线方向飞入匀强电场时，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。2.偏转问题的分析处理方法：类似平抛运动的分析处理，应用运动的合成和分解知识分析处理。（1）垂直电场方向的分运动为匀速直线运动：t=L/V0；vx=v0；x=v0t（2）平行于电场方向是初速为零的匀加速运动：vy=at,y=12at2经时间t的偏转位移：y=qU2md（xV0）2；粒子在t时刻的速度：Vt=V02+Vy2；时间相等是两个分运动联系桥梁；偏转角：tgφ=VyV0=qUxmdv02例4：如图8-4所示，一束带电粒子（不计重力），垂直电场线方向进入偏转电场，试讨论在以下情况下，粒子应具备什么条件才能得到相同的偏转距离y和偏转角度φ（U、d、L保持不变）。（1）进入偏转电场的速度相同；（2）进入偏转电场的动能相同；（3）进入偏转电场的动量相同；（4）先由同一加速电场加速后，再进入偏转电场。【审题】本题是典型的带电粒子在匀强电场中的偏转问题，是一个类平抛运动，关键是正确推出偏转距离y和偏转角度φ的表达式，根据题目给出的初始条件得出正确选项。【解析】（1）由带电粒子在偏转电场中的运动规律得：偏转距离y=12at2=qU2md（LV0）2偏转角tgφ=atv0=qULmdv02讨论：（1）因为v0相同，当q/m相同，y、tgφ也相同；（2）因为12mv02相同，当q相同，则y、tgφ相同；（3）因为mv0相同，当m、q相同或q/v0相同，则y、tgφ也相同；（4）设加速电场的电压为U′，由qU′=12mv02,有:y=UL24dU＇，tgφ=UL2dU＇【总结】可见，在（4）的条件下，不论带电粒子的m、q如何，只要经过同一加速电场加速，再垂直进入同一偏转电场，它们飞出电场的偏转距离y和偏转角度φ都是相同的。（三）先加速后偏转若带电粒子先经加速电场（电压U加）加速，又进入偏转电场（电压U偏），射出偏转电场时的侧移22222012244qULqULULyatdmVdqUdU偏偏偏加加偏转角：tgφ=VyV0=U偏L2U加d带电粒子的侧移量和偏转角都与质量m、带电量q无关。（五）根据运动轨迹分析有关问题该种类型的题目分析方法是：先画出入射点轨迹的切线，即画出初速度v0的方向，再根据轨迹的弯曲方向，确定电场力的方向，进而利用力学分析方法来分析其它有关的问题。例6：在图8-7甲中，虚线表示真空里一点电荷Q的电场中的两个等势面，实线表示一个带负电q的粒子运动的路径，不考虑粒子的重力，请判定（１）Ｑ是什么电荷？（２）ＡＢＣ三点电势的大小关系；（３）ＡＢＣ三点场强的大小关系；图8-4图8-7（４）该粒子在ＡＢＣ三点动能的大小关系。【审题】Ａ、Ｂ、Ｃ是带电粒子在电场中运动轨迹上的三点，通过轨迹的弯曲方向得出受力方向，由受力方向判断Q的电性，画出电场线，判断电势的高低及场强的大小；根据电场力对带电粒子的做功情况判断粒子在Ａ、Ｂ、Ｃ三点动能的大小关系。【解析】（１）设粒子在Ａ点射入，则Ａ点的轨迹切线方向就是粒子q的初速v0的方向（如图8-7乙）。由于粒子q向偏离Ｑ的方向偏转，因此粒子q受到Ｑ的作用力是排斥力，故Ｑ与q的电性相同，即Ｑ带负电。（２）因负电荷Ｑ的电场线是由无穷远指向Ｑ的，因此φＡ=φCφＢ。（3）由电场线的疏密分布（或由E=kQ/r2）得EA=ECEB。（4）因粒子从A→B电场力做负功，由动能定理可知EkBEkAA=φC，由电场力做功WAC=qUACWAC=0，因此由动能定