物理：1.6 示波器的奥秘 课件(粤教版选修3-1)

第六节示波器的奥秘课标定位学习目标：1.掌握带电粒子在电场中加速和偏转所遵循的规律．2．知道示波管的主要构造和工作原理．重点难点：应用动力学的观点和功能关系来分析带电粒子在电场中加速和偏转问题．一、带电粒子的加速如图1－6－1，质量为m，带正电q的粒子，在电场力作用下由静止开始从正极板向负极板运动的过程中．图1－6－11．电场力对它做的功W＝______.2．带电粒子到达负极板速率为v，它的动能为Ek＝________.3．根据___________可知，qU＝12mv2可解出v＝_______.4．带电粒子在非匀强电场中加速，上述结果仍适用．qU动能定理12mv22qUm思考感悟提示：设平行金属板间距为d，则a＝qUdm.1．上述两平行金属板间为匀强电场，带电粒子在板间运动时的加速度为多少？二、带电粒子的偏转1．偏转的距离y竖直方向做_______运动，加速度a＝F/m＝___＝qUmd.射出电场时竖直偏移的距离y＝at22，其中t为飞行时间．水平方向做______运动，由_______可求得t＝lv0，将a和t代入y＝at22得y＝_________.匀加速匀速l＝v0tqEm12·qUmd·(lv0)22．偏转角度φ离开电场时竖直方向的分速度v⊥＝at＝______，tanφ＝v⊥v0＝_________.qUlmdv0qUlmdv20思考感悟2．带电粒子在电场中的运动是直线还是曲线与哪些因素有关呢？提示：在匀强电场中，只受电场力作用时，若v0＝0为直线运动；若v0≠0，但v0与电场力在一条直线上，做直线运动；有夹角则做曲线运动；若垂直则做类平抛运动．非匀强电场中较为复杂，例如在点电荷的电场中可做匀速圆周运动．三、示波器探秘1．如图1－6－2所示为示波管的结构图．图1－6－21．灯丝2.阴极3.控制极4.第一阳极5.第二阳极6.第三阳极7._________偏转系统8.________偏转系统9.荧光屏2．原理：灯丝通电后给阴极加热，使阴极发射电子．电子经阳极和阴极间的________加速聚集形成一个很细的电子束射出，电子打在管底和荧光屏上，形成一个小亮班．亮斑在荧光屏上的位置可以通过调节竖直偏转极与水平偏转极上的_________大小来控制．如果加在竖直极板上的_______是随时间正弦变化的信号，并在水平偏转板上加上适当的__________，荧光屏上就会显示出一条正弦曲线．竖直水平电场电压电压偏转电压一、带电粒子的加速1．带电粒子的分类(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，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)．(2)带电微粒如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都不能忽略重力．2．带电粒子的加速当带电粒子以平行电场的方向进入电场后，所受电场力与其运动方向共线，在不计其他受力的情况下，带电粒子做匀加(减)速直线运动，电场力与速度方向相同时，带电粒子做匀加速直线运动，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．3．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：两个角度内容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公式功的公式及动能定理选择条件匀强电场，电场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，也可以是变力特别提醒：(1)对带电粒子进行受力分析、运动特点分析、力做功情况分析是选择规律解题的关键．(2)选择解题的方法是优先从功能关系角度考虑，应用功能关系列式简单、方便，不易出错．即时应用(即时突破，小试牛刀)1．(双选)如图1－6－3所示，电量和质量都相同的带正电粒子以不同的初速度通过A、B两板间的加速电场后飞出，不计重力的作用，则()图1－6－3A．它们通过加速电场所需的时间相等B．它们通过加速电场过程中动能的增量相等C．它们通过加速电场过程中速度的增量相等D．它们通过加速电场过程中电势能的减少量相等解析：选BD.由于电量和质量都相等，因此产生的加速度相等，初速度越大的带电粒子经过电场所用时间越短，加速时间越短，则速度的变化量越小；由于电场力做功W＝qU与初速度及时间无关，因此电场力对各带电粒子做功相等，则它们通过加速电场过程中电势能的减少量相等，动能增加量也相等．二、带电粒子的偏转如图1－6－4所示，带电粒子以初速度v0垂直电场线进入匀强电场，图1－6－4加速度a＝qEm＝qUmd.1．基本关系vx＝v0x＝v0t初速度方向vy＝aty＝12at2电场线方向2．导出关系粒子离开电场时的侧移位移为：y＝ql2U2mv20d粒子离开电场时的偏转角tanθ＝vyv0＝qlUmv20d粒子离开电场时位移与初速度夹角的正切tanα＝yl＝qUl2mv20d.3．几个推论(1)粒子离开电场时的速度方向反向延长交于板长l的正中央，根据y/tanθ＝l/2.(2)位移方向与初速度方向间夹角的正切为速度偏转角正切的12，根据tanα＝12tanθ.特别提醒：(1)该类运动与之前所学的平抛运动处理方法相似，两种运动重要的区别是加速度的不同．(2)对带电粒子在电场中的偏转问题也可以选择动能定理求解，但只能求出速度大小，不能求出速度方向，涉及到方向问题，必须采用把运动分解的方法．即时应用(即时突破，小试牛刀)2．(单选)一束带电粒子以相同的速率从同一位置，垂直于电场方向飞入匀强电场中，所有粒子的运动轨迹都是一样的．这说明所有粒子()A．都具有相同的质量B．都具有相同的电荷量C．电荷量与质量之比都相同D．都是同位素解析：选C.据y＝12at2，a＝qEm，t＝xv0知，带电粒子在电场中的轨迹方程为y＝qE2mv20x2.由此看出只要粒子的电荷量与质量比qm相同，它们的轨迹就相同，C项正确．课堂互动讲练例1带电粒子在电场中的加速(单选)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1－6－5所示，OA＝h，此电子具有的初动能是()图1－6－5A.edhUB．edUhC.eUdhD.eUhd【精讲精析】电子从O点到A点，因受电场力作用，速度逐渐减小．根据题意和图示判断，电子仅受电场力，不计重力．这样，我们可以用能量守恒定律来研究问题．即12mv20＝eUOA.因E＝Ud，UOA＝Eh＝Uhd，故12mv20＝eUhd.所以D正确．【答案】D【方法总结】用能量观点分析问题是解决问题主要方法之一，要把功能关系和物体运动分析和受力分析结合起来，能够达到事半功倍的效果．一束电子流在经U＝5000V的加速电场加速后，在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场，如图1－6－6所示，若两板间距d＝1.0cm，板长l＝5.0cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最多能加多大电压？例2带电粒子在电场中的偏转图1－6－6【思路点拨】解答本题应明确以下三点：(1)离开加速电场时的速度即为进入偏转电场的速度．(2)电子在偏转电场中的运动时间可据平行板方向的运动求出．(3)电子能从板间飞出的条件是偏移距离y≤d2.【自主解答】设极板间电压为U′时，电子能飞离平行板间的偏转电场．加速过程，由动能定理得：eU＝12mv20.①进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动：l＝v0t.②在垂直于板面的方向做匀加速直线运动，加速度：a＝Fm＝eU′dm，③偏转距离：y＝12at2，④能飞出的条件为：y≤d2.⑤解①②③④⑤式得：U′≤2Ud2l2＝2×5000×10－225×10－22V＝400V.【答案】400V变式训练如图1－6－7所示，真空中一束电子流，以一定速度v0沿着与场强垂直方向自O点正下方进入匀强电场，OA＝AB＝BC，过A、B、C三点作竖直线与电子轨迹交于M、N、P三点，则电子在OM、MN、NP三段中动能增加量ΔEk1∶ΔEk2∶ΔEk3＝________.图1－6－7解析：根据动能定理，ΔEk等于每段中电场力做的功．因电场力相同，所以ΔEk∝s(位移)又OA、AB、BC相等，即tOM＝tMN＝tNP所以sOM∶sMN∶sNP＝1∶3∶5(电场力方向上的位移)所以ΔEk1∶ΔEk2∶ΔEk3＝1∶3∶5.答案：1∶3∶5(2011年湛江高二测试)喷墨打印机的结构简图如图1－6－8所示，其中墨盒可以发出墨汁微滴，其半径为1×10－5m，此微滴经过带电室时被带上负电，带电的多少由计算机按字体笔画高低位置输入信号加以控制，带电后的微粒以一定的水平初速度进入偏转电场，带电微滴经过偏转电场发生偏转后，打到纸上，显示出字体，无信号输入时，墨汁微滴不带电，例3带电粒子在电场中的运动与实际应用径直通过偏转电场而注入回流槽流回墨盒．设偏转极板长为l＝1.6cm，两板间的距离为d＝0.50cm，偏转板的右端距纸L＝3.2cm，若一个墨汁微滴的质量为1.6×10－10kg，以20m/s的初速度垂直于电场方向进入偏转电场，两偏转板间的电压是8.0×103V，若墨汁微滴打到纸上的点距原射入方向的距离是2.0mm，求这个墨汁微滴过带电室所带的电荷量(不计空气阻力和重力，可以认为偏转电场只局限在平行板电容器内部，忽略边缘电场的不均匀性)．为了使纸上的字体放大10%，请你分析一个可行的方法．图1－6－8【精讲精析】从偏转极板间射出后，微滴做匀速直线运动，其反向延长线交于极板中点，可求解微滴打到纸上点距原入射方向距离的表达式，即可分析得出可行的办法．设带电微滴的电荷量为q，进入电场后微滴的竖直侧移为y1，离开电场后打到纸上的过程中竖直侧移为y2，则y1＝12at2＝12qUmd(lv)2，y2L＝y1l2则微滴打到纸上的点距原入射方向的距离为y＝y1＋y2＝qUlmdv2(l2＋L)代入数据得q＝1.25×10－13C由上式可知：y与U成正比，要使字体放大10%，可将电压增大为原来的1.1倍，即U′＝8.8×103V.y与(l2＋L)成正比，因此也可增大偏转板与纸的距离L，设增大后为L′，则有：L′＋0.5lL＋0.5l＝1.1，L′＝3.6cm.【答案】1.25×10－13C可使U变为8.8×103V，或将L变为3.6cm【方法总结】学习物理的最终目的是把它服务于生活，要想很好的解决实际生活中一些问题，了解其中所暗含的物理原理，必须巩固掌握所学知识，真正理解其中的道理．