2018-物理选修3-1粤教版全程导学笔记第一章电场第六节.docx

第六节示波器的奥秘

[学习目标]1.会从力和能量角度分析计算带电粒子在电场中的加速问题.2.能够用类平抛运动的分析方法研究带电粒子在电场中的偏转问题.3.知道示波管的主要构造和工作原理．

一、带电粒子的加速

[导学探究]如图1所示，平行金属板间的距离为d，电势差为U.一质量为m、带正电荷为q的α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．

图1

(1)比较α粒子所受电场力和重力的大小，说明重力能否忽略不计(α粒子质量是质子质量的4倍，即m＝4×1.67×10－27kg，电荷量是质子的2倍)．

(2)α粒子的加速度是多大(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)．

答案(1)α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)α粒子的加速度为a＝eq\f(qU,md)，做初速度为零的匀加速直线运动．

(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W＝qU

设带电粒子到达负极板时的速率为v，则

Ek＝eq\f(1,2)mv2

由动能定理可知eq\f(1,2)mv2＝qU

v＝eq\r(\f(2qU,m)).

方法2利用牛顿第二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

d＝eq\f(1,2)at2

v＝at

a＝eq\f(qU,md)

联立解得v＝eq\r(\f(2qU,m)).

[知识梳理]

1．带电粒子的分类及受力特点

(1)电子、质子、α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F＝ma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：qU＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(02).若初速度为零，则qU＝eq\f(1,2)mv2，对于匀变速运动和非匀变速运动都适用．

二、带电粒子的偏转

[导学探究]如图2所示，质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间，两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场，已知板长为l，板间电压为U，板间距离为d，不计粒子的重力．

图2

(1)粒子的加速度大小是多少？方向如何？做什么性质的运动？

(2)求粒子通过电场的时间及粒子离开电场时水平方向和竖直方向的速度，及合速度与初速度方向的夹角θ的正切值．

(3)求粒子沿电场方向的偏移量y.

答案(1)粒子受电场力大小为F＝qE＝qeq\f(U,d)，加速度为a＝eq\f(F,m)＝eq\f(qU,md)，方向和初速度方向垂直且竖直向下．粒子在水平方向做匀速直线运动，在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，其合运动类似于平抛运动．

(2)如图所示t＝eq\f(l,v0)

vx＝v0

vy＝at＝eq\f(qUl,mdv0)

tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(qUl,mdv\o\al(02))

(3)y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(qUl2,2mdv\o\al(02)).

[知识梳理]带电粒子在匀强电场中的偏转

(1)运动性质

①沿初速度方向：速度为v0的匀速直线运动．

②垂直v0的方向：初速度为零的匀加速直线运动．

(2)运动规律

①偏移距离：因为t＝eq\f(l,v0)，a＝eq\f(qU,md)，所以偏移距离y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(ql2U,2mv\o\al(02)d).

②偏转角度：因为vy＝at＝eq\f(qUl,mdv0)，所以tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(qUl,mdv\o\al(02)).

三、示波器探秘

[知识梳理]

1．结构

如图3所示为示波管的结构图．

图3

1．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.竖直偏转系统8.水平偏转系统

9．荧光屏

2．原理

(1)发射电子：灯丝通电后给阴极加热，使阴极发射电子．

(2)形成亮斑：电子经过电场加速聚焦后形成一很细的电子束射出，电子打在荧光屏上形成一个小亮斑．

(3)控制位置：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电压大小来控制．

如果在竖直偏转极板上加一个信号电压，在水平偏转极板上加一扫描电压，在荧光屏上就会出现按竖直偏转电压规律变化的可视图象．

[即学即用]判断下列说法的正误．

(1)质量很小的粒子如电子、质子等，在电场中受到的重力可忽略不计．(√)

(2)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，不能分析非匀强电场中的直线运动问题