高中物理知識(shí)點(diǎn):帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的綜合應(yīng)用

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)
帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的綜合應(yīng)用:

1、帶電粒子在電場中的平衡問題:
帶電粒子在電場中處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),則粒子在電場中處于平衡狀態(tài)。假設(shè)勻強(qiáng)電場的兩極板間的電壓為U,板間的距離為d,則:mg=qE=,有q=。
2、帶電粒子在電場中的加速問題:
帶電粒子在電場中加速,若不計(jì)粒子的重力,則電場力對帶電粒子做功等于帶電粒子動(dòng)能的增量。

3、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題:
帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)方向進(jìn)入電場后,做類平拋運(yùn)動(dòng)。
垂直于場強(qiáng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng):Vx=V0,L=V0t;
平行于場強(qiáng)方向做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng):,,偏轉(zhuǎn)角:。
4、粒子在交變電場中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)
當(dāng)電場強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),由于帶電粒子在電場中的受力將發(fā)生變化,從而使粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化,粒子表現(xiàn)出來的運(yùn)動(dòng)形式可能是單向變速直線運(yùn)動(dòng),也可能是變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。帶電粒子是做單向變速直線運(yùn)動(dòng),還是做變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要由粒子的初始狀態(tài)與電場的變化規(guī)律(受力特點(diǎn))的形式有關(guān)。

①若粒子(不計(jì)重力)的初速度為零,靜止在兩極板間,再在兩極板間加上甲圖的電壓,粒子做單向變速直線運(yùn)動(dòng);若加上乙圖的電壓,粒子則做往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)。
②若粒子以初速度為v0從B板射入兩極板之間,并且電場力能在半個(gè)周期內(nèi)使之速度減小到零,則甲圖的電壓能使粒子做單向變速直線運(yùn)動(dòng);則乙圖的電壓也不能粒子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以這類問題要結(jié)合粒子的初始狀態(tài)、電壓變化的特點(diǎn)及規(guī)律、再運(yùn)用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)綜合分析。
注:是否考慮帶電粒子的重力要根據(jù)具體情況而定,一般說來:
①基本粒子:如電子、質(zhì)子、α粒子、離子等除有說明或有明確的暗示以外,一般都不考慮重力(但并不忽略質(zhì)量);
②帶電顆粒:如液滴、油滴、塵埃、小球等,除有說明或有明確的暗示以外,一般都不能忽略重力。

電場中無約束情況下的勻速圓周運(yùn)動(dòng):


1.物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件從力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系來看,物體要做勻速圓周運(yùn)動(dòng),所受合外力必須始終垂直于物體運(yùn)動(dòng)的方向,而且大小要恒等于物體所需的向心力。岡此,物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必須受到變力的作用,或者不受恒力的作用,或者恒力能被平衡。
2.在靜電力作用下的勻速圓周運(yùn)動(dòng)在不考慮帶電粒子的重力作用時(shí),帶電粒子有兩種情況可以做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
(1)在帶有異種電荷的同定點(diǎn)電荷周圍。
(2)在等量同種點(diǎn)電荷的中垂面上,運(yùn)動(dòng)電荷與場源電荷異性。在這種情境中,還要求運(yùn)動(dòng)電荷所具有的初速度要與所受到的電場力垂直,且滿足合外力等于所需向心力的條件。否則運(yùn)動(dòng)電荷可能做直線運(yùn)動(dòng)、橢圓運(yùn)動(dòng)等。
3.有重力參與的勻速圓周運(yùn)動(dòng)重力是一恒力,帶電粒子要做勻速圓周運(yùn)動(dòng),重力必須被平衡,一種方式是利用水平支撐面的彈力,一種方式是利用變化的電場力的某一分力。

帶電粒子所受重力的處理方法:


是否考慮重力要依據(jù)具體情況而定:
(1)微觀粒子:如電子、質(zhì)子、α粒子、離子等,除有說明或明確的暗示外,一般不考慮重力(但不能忽略質(zhì)量)。
(2)帶電顆粒:如液滴、油滴、塵埃、小球等,除有說明或明確的暗示外,一般都不能忽略重力。
(3)有些情況下是否考慮粒子的重力需要用假設(shè)法從粒子的運(yùn)動(dòng)上來分析,若考慮粒子的重力,粒子的運(yùn)動(dòng)與題目給定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不符合,則不需考慮重力;若不考慮粒子所受到的重力,粒子不能完成題目給定的運(yùn)動(dòng)過程就必須考慮重力。
(4)在給定具體數(shù)據(jù)的情況下還可以通過定量計(jì)算來選擇是否考慮重力的作用,一般說來重力與電場力相差兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的數(shù)量級,粒子的重力就可以忽略。


勻強(qiáng)電場與重力場的復(fù)合場問題的處理方法:

1.動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)的兩種方法
(1)正交分解法:處理這種運(yùn)動(dòng)的基本思想與處理偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是類似的,可以將此復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)互相正交的比較簡單的直線運(yùn)動(dòng),然后再按運(yùn)動(dòng)合成的觀點(diǎn)去求出復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有關(guān)物理量。
(2)等效“重力”法:將重力與電場力進(jìn)行合成,如圖所示,則等效于“重力”,等效于“重力加速度”

的方向,等效于“重力”的方向,即在重力場中豎直向下的方向。
2.功能觀點(diǎn)的解決方法
(1)從功能觀點(diǎn)出發(fā)分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)問題時(shí),在對帶電粒子受力情況和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,再考慮應(yīng)用恰當(dāng)?shù)囊?guī)律解題。如果選用動(dòng)能定理,要分清有幾個(gè)力做功,做正功還是負(fù)功,是恒力做功還是變力做功,以及初、未狀態(tài)的動(dòng)能。
(2)如果選用能垃守恒定律解題,要分清有多少種形式的能參與轉(zhuǎn)化,哪種形式的能增加,哪種形式的能減少,并注意電場力做功與路徑無關(guān)。


帶電粒子在交變電場中運(yùn)動(dòng)問題的解決方法:


帶電粒子在極板問加速或偏轉(zhuǎn)時(shí),若板間所加電壓為一交變電壓,則粒子在板間的運(yùn)動(dòng)可分兩種情況處理:一是粒子在板間運(yùn)動(dòng)時(shí)間t遠(yuǎn)小于交變電壓的周期T;二是粒子在板間運(yùn)動(dòng)時(shí)間t與交變電壓變化周期 T相差不大甚至t>T。
第一種情況下需采用近似方法處理,可認(rèn)為在粒子運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程的短暫時(shí)問內(nèi),板間電壓恒等于粒子入射時(shí)的電壓,即在粒子運(yùn)動(dòng)過程中,板間電壓按恒壓處理,且等于粒子入射時(shí)的瞬時(shí)電壓。
第二種情況下粒子的運(yùn)動(dòng)過程較為復(fù)雜,可借助于粒子運(yùn)動(dòng)的速度圖像。物理圖像是表達(dá)物理過程、規(guī)律的基本工具之一,用圖像反映物理過程、規(guī)律,具有直觀、形象的特點(diǎn),帶電粒子在交變電場中運(yùn)動(dòng)時(shí),受電場力作用,其加速度、速度等均做周期性變化,借助圖像來描述它在電場中的運(yùn)動(dòng)情況,可直觀展示物理過程,從而獲得啟迪,快捷地分析求解。在有交變電場作用下帶電粒子運(yùn)動(dòng)的問題中,有一類重要問題是判定帶電粒子能從極板間穿出的條件或側(cè)移量、偏轉(zhuǎn)角范圍等問題。而解決此類問題的關(guān)鍵是找出粒子恰好能從板間飛出的臨界狀態(tài):恰好從極板邊緣飛出,并將其轉(zhuǎn)換為臨界狀態(tài)方程。


帶電粒子在接地極板間運(yùn)動(dòng)問題的解決方法:


當(dāng)粒子在平行金屬板間運(yùn)動(dòng)時(shí),若一個(gè)極板接地,會(huì)對粒子的運(yùn)動(dòng)造成什么影響呢?這需分兩種情況來考慮:
(1)粒子運(yùn)動(dòng)過程巾與極板之間無接觸,極板接地只是確定極板電勢的高低,這種情況下極板接地與否對粒子的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。
(2)一個(gè)極板接地,當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷與另一極板接觸而使電荷量變化,則接地的極板也就會(huì)與大地之問發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移,從而確保兩極板所帶電荷量相等,但電荷量變化時(shí),極間電場也隨之發(fā)生變化。



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