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高中物理知識點:帶電粒子在電場中運動的綜合應用

編輯: 路逍遙 關鍵詞: 高中物理 來源: 記憶方法網
帶電粒子在電場中運動的綜合應用:

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動狀態時,則粒子在電場中處于平衡狀態。假設勻強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,若不計粒子的重力,則電場力對帶電粒子做功等于帶電粒子動能的增量。

3、帶電粒子在電場中的偏轉問題:
帶電粒子以垂直勻強電場的場強方向進入電場后,做類平拋運動。
垂直于場強方向做勻速直線運動:Vx=V0,L=V0t;
平行于場強方向做初速為零的勻加速直線運動:,,,偏轉角:
4、粒子在交變電場中的往復運動
當電場強度發生變化時,由于帶電粒子在電場中的受力將發生變化,從而使粒子的運動狀態發生相應的變化,粒子表現出來的運動形式可能是單向變速直線運動,也可能是變速往復運動。帶電粒子是做單向變速直線運動,還是做變速往復運動主要由粒子的初始狀態與電場的變化規律(受力特點)的形式有關。

①若粒子(不計重力)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動;若加上乙圖的電壓,粒子則做往復變速運動。
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周期內使之速度減小到零,則甲圖的電壓能使粒子做單向變速直線運動;則乙圖的電壓也不能粒子做往復運動。所以這類問題要結合粒子的初始狀態、電壓變化的特點及規律、再運用牛頓第二定律和運動學知識綜合分析。
注:是否考慮帶電粒子的重力要根據具體情況而定,一般說來:
①基本粒子:如電子、質子、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動:


1.物體做勻速圓周運動的條件從力與運動的關系來看,物體要做勻速圓周運動,所受合外力必須始終垂直于物體運動的方向,而且大小要恒等于物體所需的向心力。岡此,物體做勻速圓周運動時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動在不考慮帶電粒子的重力作用時,帶電粒子有兩種情況可以做勻速圓周運動。
(1)在帶有異種電荷的同定點電荷周圍。
(2)在等量同種點電荷的中垂面上,運動電荷與場源電荷異性。在這種情境中,還要求運動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。否則運動電荷可能做直線運動、橢圓運動等。
3.有重力參與的勻速圓周運動重力是一恒力,帶電粒子要做勻速圓周運動,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具體情況而定:
(1)微觀粒子:如電子、質子、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法從粒子的運動上來分析,若考慮粒子的重力,粒子的運動與題目給定的運動狀態不符合,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動過程就必須考慮重力。
(4)在給定具體數據的情況下還可以通過定量計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甚至兩個以上的數量級,粒子的重力就可以忽略。


勻強電場與重力場的復合場問題的處理方法:

1.動力學觀點的兩種方法
(1)正交分解法:處理這種運動的基本思想與處理偏轉運動是類似的,可以將此復雜的運動分解為兩個互相正交的比較簡單的直線運動,然后再按運動合成的觀點去求出復雜運動的有關物理量。
(2)等效“重力”法:將重力與電場力進行合成,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.功能觀點的解決方法
(1)從功能觀點出發分析帶電粒子的運動問題時,在對帶電粒子受力情況和運動情況進行分析的基礎上,再考慮應用恰當的規律解題。如果選用動能定理,要分清有幾個力做功,做正功還是負功,是恒力做功還是變力做功,以及初、未狀態的動能。
(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。


帶電粒子在交變電場中運動問題的解決方法:


帶電粒子在極板問加速或偏轉時,若板間所加電壓為一交變電壓,則粒子在板間的運動可分兩種情況處理:一是粒子在板間運動時間t遠小于交變電壓的周期T;二是粒子在板間運動時間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,可認為在粒子運動的整個過程的短暫時問內,板間電壓恒等于粒子入射時的電壓,即在粒子運動過程中,板間電壓按恒壓處理,且等于粒子入射時的瞬時電壓。
第二種情況下粒子的運動過程較為復雜,可借助于粒子運動的速度圖像。物理圖像是表達物理過程、規律的基本工具之一,用圖像反映物理過程、規律,具有直觀、形象的特點,帶電粒子在交變電場中運動時,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動情況,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動的問題中,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移量、偏轉角范圍等問題。而解決此類問題的關鍵是找出粒子恰好能從板間飛出的臨界狀態:恰好從極板邊緣飛出,并將其轉換為臨界狀態方程。


帶電粒子在接地極板間運動問題的解決方法:


當粒子在平行金屬板間運動時,若一個極板接地,會對粒子的運動造成什么影響呢?這需分兩種情況來考慮:
(1)粒子運動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動不產生影響。
(2)一個極板接地,當運動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與大地之問發生電荷的轉移,從而確保兩極板所帶電荷量相等,但電荷量變化時,極間電場也隨之發生變化。



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