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 欄目類別:知識點 >> 高中 >> 物理

帶電粒子在電場中運動的綜合應(yīng)用

更新時間:2016/9/2 13:55:00  手機(jī)版

  帶電粒子在電場中運動的綜合應(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動狀態(tài)時,則粒子在電場中處于平衡狀態(tài)。假設(shè)勻強電場的兩極板間的電壓為U,板間的距離為d,則:,有。

  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(zhuǎn)問題:

  帶電粒子以垂直勻強電場的場強方向進(jìn)入電場后,做類平拋運動。

  垂直于場強方向做勻速直線運動:

  平行于場強方向做初速為零的勻加速直線運動:偏轉(zhuǎn)角:。

  4、粒子在交變電場中的往復(fù)運動

  當(dāng)電場強度發(fā)生變化時,由于帶電粒子在電場中的受力將發(fā)生變化,從而使粒子的運動狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化,粒子表現(xiàn)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(fù)運動。帶電粒子是做單向變速直線運動,還是做變速往復(fù)運動主要由粒子的初始狀態(tài)與電場的變化規(guī)律(受力特點)的形式有關(guān)。

 、偃袅W樱ú挥嬛亓Γ┑某跛俣葹榱,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(fù)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(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動;則乙圖的電壓也不能粒子做往復(fù)運動。所以這類問題要結(jié)合粒子的初始狀態(tài)、電壓變化的特點及規(guī)律、再運用牛頓第二定律和運動學(xué)知識綜合分析。

  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:

 、倩玖W樱喝珉娮、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);

 、趲щ婎w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(guān)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(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(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動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(shù)量級,粒子的重力就可以忽略。

  勻強電場與重力場的復(fù)合場問題的處理方法:

  1.動力學(xué)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(zhuǎn)運動是類似的,可以將此復(fù)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(fù)雜運動的有關(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.功能觀點的解決方法

  (1)從功能觀點出發(fā)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(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,再考慮應(yīng)用恰當(dāng)?shù)囊?guī)律解題。如果選用動能定理,要分清有幾個力做功,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動問題的解決方法:

  帶電粒子在極板問加速或偏轉(zhuǎn)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(yuǎn)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(rèn)為在粒子運動的整個過程的短暫時問內(nèi),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(fù)雜,可借助于粒子運動的速度圖像。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,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(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動問題的解決方法:

  當(dāng)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(chǎn)生影響。

  (2)一個極板接地,當(dāng)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(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,極間電場也隨之發(fā)生變化。

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