1.6示波器的奥秘 学案(2020年粤教版高中物理选修3-1)
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1、第六节第六节 示波器的奥秘示波器的奥秘 学科素养与目标要求 物理观念:1.了解带电粒子在电场中只受电场力作用时的运动情况.2.知道示波管的主要构造 和工作原理 科学思维: 能综合运用力学和电学的知识分析、 解决带电粒子在电场中的两种典型运动模型 一、带电粒子的加速 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)带电粒子在电场中做加速直线运动的条件:只受电场力作用时,初速度为零或电场力方向 与初速度方向相同 (2)质量为 m, 电荷量为 q 的粒子从静止开始, 仅在电场力作用下, 经电压为 U 的电场加速
2、后, 根据动能定理 qU1 2mv 2,得粒子到达另一极板的速度 v 2qU m . 二、带电粒子的偏转 如图 1 所示,质量为 m、带电荷量为 q 的基本粒子(忽略重力),以初速度 v0平行于两极板进 入匀强电场,极板长为 l,极板间距离为 d,极板间电压为 U. 图 1 (1)运动性质: 沿初速度方向:速度为 v0的匀速直线运动 垂直 v0的方向:初速度为零的匀加速直线运动 (2)运动规律: 偏移距离:因为 t l v0,a qU md,所以偏移距离 y 1 2at 2 qUl2 2mv02d. 偏转角度:因为 vyat qUl mv0d,所以 tan vy v0 qUl mdv02. 三
3、、示波器探秘 1结构 如图 2 所示为示波管的结构图 图 2 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 示波器的核心部件是示波管,示波管外部是一个抽成真空的玻璃管, 内部主要有: (1)电子枪:由发射电子的灯丝及加速电极(阴极、阳极)组成; (2)偏转系统:水平偏转系统,竖直偏转系统; (3)荧光屏 2原理: (1)扫描电压:XX偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿形扫描电压; (2)灯丝被电源加热后,出现热电子发射,发射出来的电子经加速电场加速后,以很大的速度 进入偏转电场,如果在 YY偏转极板上加一个随时间正弦变化的
4、信号电压,在 XX偏转极 板上加上适当的偏转电压,在荧光屏上就会出现按 YY偏转电压规律变化的可视图象 1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 () (3)带电粒子在匀强电场中偏转时,加速度不变,粒子的运动是匀变速曲线运动() (4)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束,偏转电极的作用是使电子束偏转,打在荧 光屏不同位置() 2.如图 3 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,
5、以速度 v0通过等势面 M 的一点射入两等势面之间,则该粒 子穿过等势面 N 的速度为_ 图 3 答案 v022qU m 解析 由动能定理得:qU1 2mv 21 2mv0 2,解得 v v022qU m . 一、带电粒子的加速 如图所示,平行板电容器两板间的距离为 d,电势差为 U.一质量为 m、带电荷量为 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 (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 m41.6710 27 kg,电荷量是质子的 2 倍) (2) 粒子的加速度是多大(结果用字母表示)?在电场中做何
6、种运动? (3)计算粒子到达负极板时的速度大小(结果用字母表示,尝试用不同的方法求解) 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 aqU md.在电场中做初速度为 0 的匀加速直线运动 (3)方法 1 利用动能定理求解 由动能定理可知 qU1 2mv 2 v 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 d1 2at 2 vat aqU md 联立解得 v 2qU m . 1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
7、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:qU1 2mv 21 2mv0 2.若初速度为零,则 qU1 2mv 2,对于匀变速运动和非匀 变速运动都适用 例 1 如图 4 所示,在点电荷Q 激发的电场中有 A、B 两点,将质子和 粒子分别从 A 点 由静止释放到达 B 点时,它们的速度大小之比为多少? 图 4 答案 21 解析 质子和 粒子都带正电,从 A 点释放都将受电场力作用加速运动到 B 点,设
8、A、B 两 点间的电势差为 U,由动能定理可知,对质子:1 2mHvH 2q HU,对 粒子:1 2mv 2q U.所以 vH v qHm qmH 14 21 2 1 . 针对训练 1 (2017 盐城市第三中学期中)如图 5 所示,在 A 板附近有一电子由静止开始向 B 板运动,则关于电子到达 B 板时的时间和速率,下列说法正确的是( ) 图 5 A两板间距越大,则加速的时间越长,获得的速率越小 B两板间距越小,则加速的时间越短,获得的速率越小 C两板间距越小,则加速的时间越短,获得的速率不变 D两板间距越小,则加速的时间不变,获得的速率不变 答案 C 解析 由于两极板之间的电压不变, 所以
9、极板之间的场强为 EU d, 电子的加速度为 aqE m qU md, 电子在电场中一直做匀加速直线运动, 由 d1 2at 2qUt 2 2md, 所以电子加速的时间为 td 2m qU, 由此可见,两板间距离越小,加速时间越短, 对于全过程,由动能定理可知,qU1 2mv 2, 所以电子到达 B 板时的速率与两板间距离无关,仅与加速电压 U 有关,故 C 正确,A、B、 D 错误 二、带电粒子的偏转 如图 6 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 极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
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