2019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学案 新人教版必修2.doc
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1、19 9 带电粒子在电场中的运动带电粒子在电场中的运动学科素养与目标要求科学思维:1.能够从运动和力、功和能的角度分析带电粒子在电场中的直线运动问题,通过综合应用牛顿第二定律、动能定理解题的过程,提高科学推理能力.2.建立带电粒子在交变电场中直线运动的思维模型.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,它们受到重力的作用一般远小于静电力,故可以忽略.2.带电粒子的加速:(1)运动分析:带电粒子从静止释放,将沿电场力方向在匀强电场中做匀加速运动.(2)末速度大小:根据qUmv2,得v.1 22qU m判断下列说法的正误.(1)质量很小的粒子不受重力的作用.( )(2)动能定
2、理能分析匀强电场中的直线运动问题,也能分析非匀强电场中的直线运动问题.( )(3)利用牛顿运动定律结合运动学公式可分析匀强电场中的直线运动问题,也可分析非匀强电场中的直线运动问题.( )(4)当电子在电场中做加速直线运动时,电场力做负功,电势能增加,动能增加.( )一、带电粒子在电场中的直线运动如图 1 所示,平行板电容器两板间的距离为d,电势差为U.一质量为m、带正电荷为q的 粒子,在电场力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动.2图 1(1)比较 粒子所受电场力和重力的大小,说明重力能否忽略不计( 粒子质量是质子质量的 4 倍,即m41.671027kg,电荷量是质子的 2 倍).(2
3、) 粒子的加速度是多大(结果用字母表示)?在电场中做何种运动?(3)计算粒子到达负极板时的速度大小(尝试用不同的方法求解,结果用字母表示).答案 (1) 粒子所受电场力大、重力小;因重力远小于电场力,故可以忽略重力.(2) 粒子的加速度为a.在电场中做初速度为 0 的匀加速直线运动.qU md(3)方法 1 利用动能定理求解.在带电粒子的运动过程中,电场力对它做的功是WqU设带电粒子到达负极板时的速率为v,则Ekmv21 2由动能定理可知qUmv21 2v.2qU m方法 2 利用牛顿运动定律结合运动学公式求解.设粒子到达负极板时所用时间为t,则dat2,vat,a1 2qU md联立解得v.
4、2qU m1.带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、 粒子、离子等基本粒子,一般都不考虑重力.(2)质量较大的微粒:带电小球、带电油滴、带电颗粒等,除有说明或有明确的暗示外,处理问题时一般都不能忽略重力.2.分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两种方法(1)利用牛顿第二定律Fma和运动学公式,只能用来分析带电粒子的匀变速运动.(2)利用动能定理:qUmv2mv02.若初速度为零,则qUmv2,对于匀变速运动和非匀1 21 21 2变速运动都适用.例 1 如图 2 所示,M和N是匀强电场中的两个等势面,相距为d,电势差为U,一质量为m(不计重力)、电荷量为q的粒子,以速度v0通过等势面M垂直
5、射入两等势面之间,则该3粒子穿过等势面N的速度应是( )图 2A.B.v02qU m2qU mC.D.v022qUmv022qUm答案 C解析 qUmv2mv02,v,选 C.1 21 2v022qUm针对训练 如图 3 所示,电子由静止开始从A板向B板运动,到达B板的速度为v,保持两板间的电势差不变,则( )图 3A.当减小两板间的距离时,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答案 C解析 由动能定理得eUmv2,当改变两极板间的距离时,U不变,v就不变,故选项1 2A、B 错误,C 正确;粒子在
6、极板间做初速度为零的匀加速直线运动, , ,即tvd tv 2d t,当d减小时,v不变,电子在两极板间运动的时间变短,故选项 D 错误.2d v二、带电体在重力场和电场叠加场中的直线运动带电体在电场中受电场力和重力作用,当带电体所受合外力为零时,将做匀速直线运动,当带电体所受合外力不为零,且合外力的方向与速度方向在一条直线上时将做加速或减速直线运动.分析方法:(1)力和加速度方法牛顿运动定律、匀变速直线运动公式;4(2)功和能方法动能定理;(3)能量方法能量守恒定律.例 2 如图 4 所示,充电后的平行板电容器水平放置,电容为C,极板间距离为d,上极板正中有一小孔.质量为m、电荷量为q的小球
7、从小孔正上方高h处由静止开始下落,穿过小孔到达下极板处速度恰好为零(空气阻力忽略不计,极板间电场可视为匀强电场,重力加速度为g).求:图 4(1)小球到达小孔处的速度大小;(2)极板间电场强度大小和电容器所带电荷量;(3)小球从开始下落到运动到下极板处所用的时间.答案 (1) (2) 2ghmghdqdmghdCq(3)hd h2h g解析 (1)小球从静止开始下落到小孔处做自由落体运动,由v22gh,得v.2gh(2)在极板间带电小球受重力和电场力作用,由牛顿第二定律得:mgqEma由运动学公式知:0v22ad整理得电场强度Emghdqd由UEd,QCU,得电容器所带电荷量Q.mghdCq(
8、3)设小球做自由落体运动所用时间为t1,电场中小球做匀减速运动所用时间为t2,由hgt12,0vat2,tt1t21 2整理得t.hd h2h g例 3 (2018山东济南市高一下期末)如图 5 所示,一匀强电场,场强方向水平向左.一个质量为m、带电荷量为q的小球,从O点出发,初速度的大小为v0,在电场力与重力的作用下,恰能沿与场强的反方向成角做直线运动.(重力加速度为g)求:5图 5(1)匀强电场的场强大小;(2)小球从O点到最高点的距离;(3)小球运动到的最高点与O点的电势差.答案 (1) (2) (3)mg qtanv02sin 2gmv02cos2 2q解析(1)根据带电小球做直线运动
9、,则重力和电场力的合力与初速度在同一直线上,tan,mg qE解得:Emg qtan(2)解法一:最高点与O点间的距离为sv02 2aF合mamg sin解得:sv02sin 2g解法二:由动能定理:s0mv02mg sin1 2得:sv02sin 2g(3)最高点的电势大于O点的电势,电势差UEscos.mv02cos2 2q三、带电粒子在交变电场中的直线运动例 4 在如图 6 所示的平行板电容器的两板A、B上分别加如图 7 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.若两板间距离足够大且不计重力,试分析电子分别在甲、乙两种交变电压作用下的运
10、动情况,并画出相应的vt图象.6图 6甲 乙图 7答案 见解析解析 t0 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直线运动.对于题图甲,在 0T内电子做初速度为零的正向匀加速直线运动,TT内电子做末速1 21 2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vt图线如图(a)所示.对于题图乙,在 0 内做类似(1)0T的运动, T电子做反向先匀加速、后匀减速、末T 2T 2速度为零的直线运动.然后周期性地重复前面的运动,其vt图线如图(b)所示.(a) (b)1.当空间存在交变电场时,粒子所受电场力方向将随着电场方向的改变而改变,粒子的运动性
11、质也具有周期性.2.研究带电粒子在交变电场中的运动需要分段研究,并辅以vt图象.特别注意带电粒子进入交变电场时的时刻及交变电场的周期.1.(带电粒子的直线运动)(2018山东济宁市高一下期末)如图 8 所示,P和Q为两平行金属板,板间恒定电压为U,一电子只在电场力作用下,从P板由静止开始向Q板运动.关于电子到达Q板时的速率,下列说法正确的是( )图 87A.两板间距离越大,电子获得的速率就越大B.两板间距离越小,电子获得的速率就越大C.电子到达Q板时的速率,与两板间距离无关D.以上说法都不正确答案 C2.(带电粒子的直线运动)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
12、沿垂直于极板的方向射出,最远到达A点,然后返回,如图 9 所示,OAL,则此电子具有的初动能是( )图 9A.B.edULedL UC.D.eU dLeUL d答案 D解析 电子从O点运动到A点,因受电场力作用,速度逐渐减小.根据题意和题图判断,电子仅受电场力,不计重力.根据能量守恒定律得mv02eUOA.因E ,UOAEL,故1 2U dUL dmv02,所以 D 正确.1 2eUL d3.(带电粒子在交变电场中的直线运动)(多选)如图 10 甲所示,平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力),两板间距离足够大.当两板间加上如图乙所示的交变电压后,选项中的图象反映电子速度v、位移x和加速度a
13、三个物理量随时间t的变化规律可能正确的是( )图 108答案 AD解析 在平行金属板之间加上如题图乙所示的周期性变化的电压时,因为电子在平行金属板间所受的电场力F,所以电子所受的电场力大小不变,而方向随电压呈周期性变化.由U0e d牛顿第二定律Fma可知,电子在第一个 内向B板做匀加速直线运动,在第二个 内向BT 4T 4板做匀减速直线运动,在第三个 内向A板做匀加速直线运动,在第四个 内向A板做匀减T 4T 4速直线运动.所以at图象如图甲所示,vt图象如图乙所示,又因匀变速直线运动的位移xv0tat2,所以xt图象应是曲线.1 24.(带电体在叠加场中的直线运动)(2018山东聊城市高一下
14、期末)如图 11 所示,两块水平放置的平行金属板M、N相距为d,组成一个电容为C的平行板电容器,M板接地,M板正中央有一个小孔B,从小孔B正上方高h处的A点,一滴一滴地由静止滴下质量为m、电荷量为q的带电油滴,油滴穿过B孔后落到N板,把全部电荷量传给N板,M板也带上等量的异种电荷,不计空气阻力及板外电场的影响.重力加速度为g,求:图 11(1)当某一滴油滴在板间恰好做匀速直线运动时,板间的电场强度大小和电容器所带的电荷量;(2)最终到达N板的油滴不会超过多少滴.答案 (1) (2)1mg qmgdC qmghdCq29解析 (1)由平衡条件得qEmg,电场强度Emg q再由E ,CU dQ U
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