高中物理带电粒子在电场中的运动知识点归纳

难点之八 带电粒子在电场中的运动

一、难点突破策略：

带电微粒在电场中运动是电场知识和力学知识的结合，分析方法和力学的分析方法是基本相同的：先受力分析，再分析运动过程，选择恰当物理规律解题。处理问题所需的知识都在电场和力学中学习过了，关键是怎样把学过的知识有机地组织起来，这就需要有较强的分析与综合的能力，为有效突破难点，学习中应重视以下几方面： 1.在分析物体受力时，是否考虑重力要依据具体情况而定。

（1）基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等，除有说明或有明确的暗示以外一般都忽略不计。（2）带电颗粒：如尘埃、液滴、小球等，除有说明或有明确的暗示以外一般都不能忽略。

“带电粒子”一般是指电子、质子及其某些离子或原子核等微观的带电体，它们的质量都很小，例如：电子的质量仅为0.91×10-30千克、质子的质量也只有1.67×10-27千克。（有些离子和原子核的质量虽比电子、质子的质量大一些，但从“数量级”上来盾，仍然是很小的。）如果近似地取g=10米/秒2，则电子所受的重力也仅仅是meg=0.91×10-30×10=0.91×10-29(牛)。但是电子的电量为q=1.60×10-19库（虽然也很小，但相对而言10-19比10-30就大了10-11倍），如果一个电子处于E=1.0×104牛/库的匀强电场中（此电场的场强并不很大），那这个电子所受的电场力F=qE=1.60×10-19×1.0×104=1.6×10-15（牛），看起来虽然也很小，但是比起前面算出的重力就大多了（从“数量级”比较，电场力比重力大了1014倍），由此可知：电子在不很强的匀强电场中，它所受的电场力也远大于它所受的重力——qE>>meg 。所以在处理微观带电粒子在匀强电场中运动的问题时，一般都可忽略重力的影响。

但是要特别注意：有时研究的问题不是微观带电粒子，而是宏观带电物体，那就不允许忽略重力影响了。例如：一个质量为1毫克的宏观颗粒，变换单位后是1×10-6千克，它所受的重力约为mg=1×10-6×10=1×10-5（牛），有可能比它所受的电场力还大，因此就不能再忽略重力的影响了。

2．加强力学知识与规律公式的基础教学，循序渐进的引入到带电粒子在电场中的运动，注意揭示相关知识的区别和联系。

3．注重带电粒子在电场中运动的过程分析与运动性质分析（平衡、加速或减速、轨迹是直线还是曲线），注意从力学思路和能量思路考虑问题，且两条思路并重；同时选择好解决问题的物理知识和规律。

带电粒子在匀强电场中的运动，是一种力电综合问题。解答这种问题经常运用电场和力学两方面的知识和规律，具体内容如下：

所需电场的知识和规律有：E

q F =

→F=qE ；W=qU ；E d U

=

；电场线的性质和分布；等势面的概念和分布：电势、电势

差、电势能、电场力做功与电势能变化关系。

所需力学的知识和规律有：牛顿第二定律F=ma ；动能定理W=ΔEk ；动能和重力势能的概念和性质；能的转化和守恒定律；匀变速直线运动的规律；抛物体运动的规律；动量定理；动量守恒定律；

解答“带电粒子在匀强电场中运动”的问题，既需要掌握较多的物理知识，又需要具有一定的分析综合能力。处理带电粒子运动问题的一般有三条途径：（1）匀变速直线运动公式和牛顿运动定律（2）动能定理或能量守恒定律（3）动量定理和动量守恒定律

处理直线变速运动问题，除非题目指定求加速度或力，否则最好不要用牛顿第二定律来计算。要优先考虑使用场力功与粒子动能变化关系，使用动能定理来解，尤其是在非匀强电场中，我们无法使用牛顿第二定律来处理的过程，而动能定理只考虑始末状态，不考虑中间过程。一般来说，问题涉及时间则优先考虑冲量、动量，问题涉及空间则优先考虑功、动能。

对带电粒子在非匀强电场中运动的问题，对中学生要求不高，不会有难度过大的问题。

4．强化物理条件意识，运用数学工具（如，抛物线方程、直线方程、反比例函数等）加以分析求解。 （一）带电粒子的加速 1.运动状态分析

带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力与运动方向在同一直线上，做加速（或减速）直线运动。 2.用功能观点分析

粒子动能的变化量等于电场力做的功。

（1）若粒子的初速度为零，则2qU m

（2）若粒子的初速度不为零，则qU=mv2/2- mv02/2, V=

202qU V m +

3.用牛顿运动定律和运动学公式分析：带电粒子平行电场线方向进入匀强电场，则带电粒子做匀变速直线运动，可由电场力求得加速度进而求出末速度、位移或时间。 说明：

（1）不管是匀强电场还是非匀强电场加速带电粒子W=qU 都适应，而W=qEd ，只适应于匀强电场.

（2）对于直线加速，实质上是电势能转化为动能，解决的思路是列动能定理的方程（能量观点）来求解。

例1：如图8-1所示，带电粒子在电场中的加速：在真空中有一对平行金属板，两板间加以电压U ，两板间有一个带正电荷q 的带电粒子，它在电场力的作用下，由静止开始从正极板向负极板运动，到达负极板时的速度有多大？（不考虑带电粒子的重力）

【审题】本题是带电粒子在匀强电场中的加速问题，物理过程是电场力做正功，电势能减少，动能增加，利用动能定理便可解决。

【解析】带电粒子在运动过程中，电场力所做的功W=qU 。设带电粒子到达负极板时的动能EK=1

2 mv2，

由动能定理qU=1

2

mv2 得：v=

2qU

m

【总结】上式是从匀强电场中推出来的，若两极板是其他形状，中间的电场不是匀强电场，上式同样适用。 例2：下列粒子从初速度为零的状态经过加速电压为U 的电场之后，哪种粒子的速度最大？ （A ）a 粒子

（B ）氚核 （C ）质子 （D ）钠离子+

a N

【审题】

解答本题需要把带电粒子在电场中加速的知识与原子核知识联系起来。

1．本题已知电场的加速电压为U ，要判断的是粒子被加速后的速度v 的大小，因此采用2

21mv qU =

分析问题比较方便。

2．若以mp

表示质子

11H

的质量、以 e 表示质子的电量，则根据所学过的原子核知识可知——α粒子He 4

2的质量应为

4mp 、电荷量应为

2e ；氚核

H 3

1的质量应为3mp 、电量应为e ；钠离子N a +

的质量比其它三种粒子的质量都大（由于是选

择判断题，对此未记质量数也无妨）、电量应为e 。

【解析】

根据

212qU mv =

可以导出下式：

m qU

v 2=

由此可知：对于各种粒子来说，加速电压U 都是相同的。因此v 与q 成正比；v 与m 成反比。

因为质子和钠离子所带的电量相同，而钠离子的质量却比质子大得多，所以可断定——电场加速后的质子速度应比钠离子大得多。因此选项（D ）首先被淘太。

2．为了严格和慎重起见，我们对被加速后的α粒子、氚核、质子的速度进行下列推导：对于α粒子——质量为4mp 、电量为2e

p

a

a m eU mp

eU

m U

q va =⨯==

4222

对于氚核——质量为3mp 、电量为e

p

p m eU m eU

v

•==

3232氚

对于质子——质量为mp 电量为e

图8-1