带电粒子在匀强电场中的运动

一、教学目的：
    会综合应用力学和电学的知识分析和解决带电粒子在电场中被加速的问题。
    会综合应用力和学电学的知识分析和解决带电粒子垂直进入匀强电场时的偏转问题。
    二、教材分析：
    带电粒子在匀强电场中的运动一节，属于电学知识和力学知识的综合应用。教材在本节分析了利用电场来改变或控制带电粒子的两个应用：一是利用电场来使带电粒子加速，二是利用电场来使带电粒子偏转。
    课本在带电粒子的加速部分中，在介绍了加速装置、分析了物体受力情况后，应用动能定理，由电场力做的功W=ｑU等于动能的增加△EK=ｍｖ2／2，得到经过加速后的速度ｖ。
    课本在带电粒子的偏转部分中，在介绍了偏转装置、c后，对比平抛物体运动，应用运动合成的方法，得到经过偏转后，粒子的运动规律。
    三、授课班级：
    高三(6)班
    四、学情分析：
    (6)班是高考“3 X”模式下选学物理的好班，相对其它班物理水平稍高：
    1．基本概念、基本规律都能初步掌握，但对较复杂的物理问题的情形想象不够清楚。
    2．各章知识都能初步掌握，但对各部分知识之间的联系不够清楚，综合解决问题的能力较差。
    五、教学方法：
    针对该班的具体情况：
    1．利用电脑多媒体设备，将原来抽象的带电粒子加速、偏转问题，制作成学生看得见的动画，并展示不同电压对粒子的不同加速效果，不同初速度的粒子的不同偏转情况，正、负带电粒子的在加速、偏转时的不同运动情况，充分体现实验是物理学的基础。
    2．尽可能使用不同部分的知识解决问题，加强学生对它们之间的联系的理解：在解决带电粒子加速的问题时，分别使用匀变速运动规律、动能定理与电场力做功来加以解释；在解决带电粒子偏转的问题时，回忆、对比平抛物体运动的速度、位移合成方法，既解决了问题，又起到了复习的作用。
    六、教学仪器：
    586电脑，大屏幕显示器，声音放大系统。
    七、教学过程：
    带电粒子在电场中由于受到电场力的作用，要产生加速度，从而改变速度的大小和方向．跟据这个原理，现代科学技术设备中利用电场来改变或控制带电粒子的运动。它的应用主要有两类：一是利用电场来使带电粒子加速，二是利用电场来使带电粒子偏转。
    (一)带电粒子的加速
    1．加速装置：
    电脑显示装置简图，并介绍各部分名称。
    主要有：直流电源、阳极、阴极、匀强电场。
    2．加速过程：
    电脑分别显示正、负粒子的加速过程。
    正电荷由阳极飞向阴极，负电荷由阴极飞向阳极，两者都是速度越来越大。
    3．加速原因：
    电脑分别显示：
    (1)根据粒子的受力情况解释加速原因。
    在电场中正电荷的受力与电场方向相同，即由阳极指向阴极；负电荷的受力与电场方向相同，即由阴极指向阳极。
    它们在电场中都只受恒定电场力作用，初速度为零，所以正电荷由阳极向阴极做匀加速直线运动，负电荷由阴极向阳极同样做匀加速直线运动。
    (2)根据做功和能量转化解释加速原因。
    电荷是在电场力的作用下运动，电场力做正功，电势能减少，转化为动能，动能增加。
    但对于正电荷，从高电势的阳极飞向低电势的阴极，电势能减少，对于负电荷，从低电势的阴极飞向高电势的阳极，电势能减少。
    所以，正电荷是由阳极飞向阴极，负电荷是由阴极飞向阳极，速度均增大。
    4．加速规律：
    电脑分别显示：
    (1)使用牛顿第二定律、匀变速直线运动规律得到粒子加速后的速度ｖ。
    ∵ａ=F合/ｍ=F电/ｍ=ｑE/ｍ
    ∴ｖ2=2ａｓ=2ｑEｓ/ｍ=2ｑU/ｍ
    (2)使用动能定理、电场力做功公式得到粒子加速后的速度ｖ。
    ∵ｑU=W电=W总=ｍｖ2/2-0
    ∴ｖ2=2ｑU/ｍ
    (3)初速度不为零时的加速情况。
    无论用匀变速直线运动规律还是动能定理，均可得：
    ｖ2=ｖ 2ｑU/ｍ
    5．加速过程：
    电脑显示更详细的加速过程：
    分为正、负粒子分别在不同大小的电压：2000V、3000V、4000V、5000V下的运动过程。电压越大，加速后的速度越大。
    6．课堂练习：
    电脑显示例题一题目：
    一个初速度为零的电子，在电场强度为4.0╳103伏/米的匀强电场中被加速．求经过2.0╳10-8秒后，电子的速度和动能。
    (二)带电粒子的偏转
    1．偏转装置：
    电脑显示装置简图，并介绍各部分名称。
    主要有：直流电源、阳极、阴极、匀强电场，初速度垂直电场入射。
    2．偏转过程：
    电脑分别显示正、负粒子的偏转过蹋?
    正、负电荷均做曲线运动，正电荷向阴极偏转，负电荷向阳极偏转。
    3．偏转原因：
    电脑分别显示：
    (1)回忆平抛物体运动的受力情况及运动分解的方法：
    物体只受竖直向下的重力作用，且初速度沿水平方向与所受重力垂直。
    所以物体在水平方向：速度保持不变，做匀速直线运动；在竖直方向：在重力作用下做加速度为ｇ、初速度为零的匀加速直线运动(自由落体运动)。
    (2)由于受力、运动情况类似，得到粒子偏转的原因及运动分解的方法：
    与平抛类似，所不同的是粒子只受电场力作用，所以粒子在垂直于电场的方向：做匀速直线运动；在平行于电场的方向：做初速度为零的匀加速直线运动。
    4．偏转规律：
    电脑分别显示：
    (1)使用匀速直线运动规律、匀变速直线运动规律、运动合成的方法得到平抛物体运动的运动规律：
    ∵ｖｘｔ=ｖ0 ｖｙｔ=ｇｔ2/2
    ∴ｖ=ｖｖ
    ∵ｘ=ｖ0ｔｙ=ｇｔ2/2
    ∴ｓ2=ｘ2 ｙ2
    (2)根据与平抛类似的原理，所不同的是ｇ变为ａ=ｑE/ｍ=ｑU/ｍｄ，得到粒子偏转的运动规律：
    ∵ｖ⊥ｔ=ｖ0 ｖ∥ｔ=ｑUｔ2/2ｍｄ
    ∴ｖ=ｖｖ
    ∵ｘ=ｖ0ｔｙ=ｑUｔ2/2ｍｄ
    ∴ｓ2=ｘ2 ｙ2
    5．偏转过程：
    电脑显示更详细的偏转过程：
    分为正、负粒子分别以不同的初速度2╳106米/秒、3╳106米/秒、4╳106米/秒、5╳106米/秒射入电场后的偏转过程。初速度越大，偏转的角度越小。

    一对长6.0厘米、相距0.20厘米的平行金属板，加上2.0伏的电压后，产生一个电场。速度为3.0╳106米/秒的电子流，在板中央以平行于极板的方向进入电场，求电子离开电场时，偏离原方向的角度有多大？
    八、课程小结：
    带电粒子在电场中要受到电场力的作用：
    1．如果粒子的初速度为零或初速度方向与受力方向相同，粒子被加速：
    (1)如果是匀强电场，可用匀变速直线运动解决。
    (2)无论是否匀强电场，都可用动能定理解决。
    2．如果粒子的初速度方向与电场方向垂直，粒子被偏转，运动分解为：
    (1)垂直电场方向的匀速直线运动；
    (2)若为匀强电场，平行电场方向的初速度为零的匀加速直线运动。
    九、课后作业：
    课本P205(3)、(4)：
    (3)两价离子在90伏的电压下从静止加速后，测出它的动量是1.2╳10-21千克·米／秒，这种离子的质量是多大？
    (4)一动能为1000电子伏特的电子，沿着与电场垂直的方向进入匀强偏转电场。已知偏转电场长6.0厘米，相距1厘米，偏转电压4.0伏，求电子离开偏转电场时的偏

附加题目