带电粒子在电场中的运动(含经典例、习题)

习题课：带电粒子在电场中的运动
知识"储备区忌枚追本溯源推昧方可知新
1平行板电容器内的电场可以看做是匀强电场其场强与电势差的关系式为 E = U，其电
势差与电容的关系式为C=Q.
2. 带电粒子在电场中做直线运动
(1) 匀速直线运动：此时带电粒子受到的合外力一定等于零，即所受到的电场力与其他力平- 衡.
⑵匀加速直线运动：带电粒子受到的合外力与其初速度方向相同. _______
(3)匀减速直线运动：带电粒子受到的合外力与其初速度方向相反. ______
3. 带电粒子在电场中的偏转(匀强电场)
带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，可将粒子的运动分解为初速度方向的匀速直线运动和
电场力方向的初速度为零的匀加速直线运动.
x= V o t 「= Vo
位移关系： 1 2速度关系：Vx= 0，速度的偏转角的正切值tan 0=Vy.
|y= 2at |vy=at Vx
4. 在所讨论的问题中，带电粒子受到的重力远小于电场力，即卩mg? qE，所以可以忽略重力的影响.若带电粒子所受的重力跟电场力可以比拟，则要考虑重力的影响.总之，是否考
虑重力的影响要根据具体的情况而定.
2
5. 物体做匀速圆周运动，受到的向心力为 F = m*(用m、v、r表示)=口「(2)2(用m、r、T 表示)=mr®(用m、r、3表示).
学习
■扌采究区
基础自学落实 重点旦动探究 功能关系
的综合应用.
【例2 如图2所示，水平放置的两平行金属板，板长为
10 cm ,两板相距2 cm. —束电子以
vo = 4.0X 107 m/s 的初速度从两板中央水平射入板间，
然后从板间飞出射到距板右端 L 为45
Cm
、宽D 为3纠Cm 的荧光屏上•(不计电子重力，荧光屏中点在两板间的中线上，电子质量 m = 9.0x 10 kg ,电何量 e = 1.6x 10 C)求：
三、带电粒子在交变电场中的运动
交变电场作用下粒子所受的电场力发生改变， 从而影响粒子的运动性质；由于电场力周期性
变化，粒子的运动性质也具有周期性； 研究带电粒子在交变电场中的运动需要分段研究，
特
别注意带电粒子进入交变电场的时间及交变电场的周期.
(1)电子飞入两板前所经历的加速电场的电压 (设从静止加速);
(2)为使带电粒子能射到荧光屏的所有位置，两板间所加电压的取值范围.
【例3】带正电的微粒放在电场中,
场强的大小和方向随时间变化的规律如图 3.带电微粒只
图2
在电场力的作用下由静止开始运动，则下列说法中正确的是A .微粒在0〜1 s内的加速度与1 s〜2 s内的加速度相同B .微粒将沿着一条直线运动
C.微粒做往复运动
D .微粒在第1 s内的位移与第3s内的位移相同()
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1-1 *■! 1 1 1 II 1 1图3-2
四、带电粒子在电场中的圆周运动
解决带电粒子在电场中的圆周运动问题，关键是分析向心力的来源，指向圆心的力提供向心
力，向心力的提供有可能是重力和电场力的合力，也有可能是单独的重力或电场力. 有时可
以把电场中的圆周运动等效为竖直面内的圆周运动，找出等效“最高点”和“最低点”.
【例4】如图4所示，半径为r的绝缘细圆环的环面固定在水平面上，场强为
E的匀强电场与环面平行.一电荷量为+ q、质量为m的小球穿在
r/s
4. （带电粒子在电场中的圆周运动 ）如图8所示，ABCD 为竖直放在场强为 E = 104 N/C 的水
环上，可沿环做无摩擦的圆周运动，若小球经 A 点时，速度V A 的方向恰与电场垂直，且圆
环与小球间沿水平方向无力的作用，求：
（1）速度V A 的大小；
⑵小球运动到与 A 点关于圆心对称的 B 点时，对环在水平方向的作用力的大小.图 4
自我•检测区
1.（带电粒子在电场中的直线运动 角度，两极板与一直流电源相连. 此过程中，该粒子（ ） A •所受重力与电场力平衡 C .动能逐渐增加 检測学习牧果体验咸功快乐
）如图5所示，平行板电容器的两个极板与水平地面成一 若一带电粒子恰能沿图中虚线水平直线通过电容器， 则在 B •电势能逐渐增加 D .做匀变速直线运动
2.（带电粒子在电场中的类平抛运动 射入电场，在电场中的运动轨迹为
D 两点时竖直方向的分速度为 变化量分别为 A
E k1和A E k2, A . C . V Cy : V Dy = 1 : 2 A E ki :圧k2= 1 : 3
）如图6所示，一电子沿x 轴正方向 OCD ，已知0瓜=A~B ，电子过C 、
V Cy 和V Dy ；电子在0C 段和0D 段动能的 则（）
B . V cy : V Dy = 1 : 4 D . A E k1 : A E k2 = 1 : 4
（带电粒子在交变电场中的运动 ）如图7甲所示，在间距足够大的平行金属板 A 、B 之间有 电子，
在 A 、B 之间加上按如图乙所示规律变化的电压，在 t = 0时刻电子静止且 A 板电 势比B 板电势高，则（ ）
A •电子在A 、
B 两板间做往复运动 B .在足够长的时间内，电子一定会碰上 A 板
C 当t =T 时，电子将回到出发点
3. D .当 t =
，电子的位移最大
平匀强电场中的绝缘光滑轨道，其中轨道的ABC部分是半径为R= 0.5 m的半圆环(B为半圆弧的中点)，轨道的水平部分与半圆环相切于C点，D为水平轨道的一点，而且CD = 2R, 把一质量m= 100 g、带电荷量q= 10「4 C的负电小球，放在水平轨道的D点，由静止释放后，小球在轨道的内侧运动. g= 10 m/s2,求：
(1)它到达B点时的速度是多大？
(2)它到达B点时对轨道的压力是多大？
5. 如图所示，在竖直平面内建立xOy直角坐标系，Oy表示竖直向上的方向。

已知该平面内
—4存在沿x轴负方向的区域足够大的匀强电场，现有一个带电量为 2.5 X 10 C的小球从坐标原点O沿y轴正方向以0.4kg.m/s的初动量竖直向上抛出，它到达的最高点位置为图中的Q点，不计空气阻力，g取10m/s2.
(1 )指出小球带何种电荷；(2 )求匀强电场的电场强度大小；
(3)求小球从O点抛出到落回x轴的过程中电势能的改变量.
6. 如图，一绝缘细圆环半径为r，环面处于水平面内，场强为
E的匀强电场与圆环平面平
行。

环上穿有一电量为+ q、质量为m的小球，可沿圆环做无摩擦的圆周运动。

若小球经
A点时速度的方向恰与电场垂直，且圆环与小球间沿水平方向无力的作用（设地球表面重力加速度为g）。

贝U：
（1）小球经过A点时的速度大小V A是多大？
（2）当小球运动到与A点对称的B点时，小球的速度是多大？圆环对小球的作用力大小是多少？
E
7. 如图所示，两块竖直放置的平行金属板A、B,两板相距d，两板间电压为U，—质量为m的带电小球从两板间的M点开始以竖直向上的初速度v o运动，当它到达电场中的N点时速度变为水平方向，大小变为2v o,求M、N两点间的电势差和电场力对带电小球所做的功
（不计带电小球对金属板上电荷均匀分布的影响，设重力加速度为g）
A -i +
2v o
o
N
&如图所示，AC为一光滑曲面，C处切线呈水平方向•在曲
面所在空间存在场强E =2.0 108N/C的竖直向下的匀强电场.一质量
为
M = 4900g、带电量为q = -2.5 10 J C的小物块停放在C点•一质量m= 100g的不带电铅弹水平射入小物块且留在其中一起运动(时间极短) ，它们恰好能够冲到A点•已知AC间的高度差h =
2
0.1m. (g 取10m /s )求：
(1)铅弹射入前的速度
)铅弹射入物块的过程中系统损失的机械能
(3)由C到A的过程中小物块的电势能增加量
9.如图所示，ab是半径为R的圆的一条直径，该圆处于匀强电场中，场强大小为E,方向一定.在圆周平面内将一带正电q的小球从a点以相同的动能抛出，抛出方向不同时，小球会经过圆周上不同的点.在这些点中，到达c点时小球的动能最大，已知ac和be间的夹角0 = 30 °，若不计
重力和空气阻力，求：(1)电场方向与ae间的夹角a为多大？
(2)若小球在a点时初速度与电场方向垂直，则小球恰好能落在C点，则初动能为多大？
一、带电粒子在电场中的直线运动
讨论带电粒子在电场中做直线运动(加速或减速)的方法： ------------- (1) 能量方法——能量守恒定律；“
二
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(2) 功和能方法一一动能定理；
(3) 力和加速度方法——牛顿运动定律、匀变速直线运动公式. 图1 < J
【例1】如图1所示，水平放置的A、B两平行板相距h,上板A带正电，
现有质量为m、带电荷量为+ q的小球在B板下方距离B板H处，以初速度V。

竖直向上运动，从B板小孔进入板间电场.
(1) 带电小球在板间做何种运动？
(2) 欲使小球刚好打到A板，A、B间电势差为多少？
二、带电粒子在电场中的类平抛运动
带电粒子在电场中做类平抛运动涉及带电粒子在电场中加速和偏转的运动规律，利用运动的合成与分解把曲线运动转换为直线运动研究，涉及运动学公式、牛顿运动定律、动能定理、。