高中物理带电粒子在电场中的运动-知识拓展

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1、带电粒子在电场中的运动-知识拓展1.如图1-8-7所示，M、N为水平放置的互相平行的两块大金属板，间距d=35cm，两板间电压为U=3．5×104V．现有一质量m=7．0×10-6kg、电荷量q=6．0×10-10C的带负电的油滴，由下板N正下方距N为h=15cm的O处竖直上抛，经N板中间的P孔进入电场．欲使油滴到达上板Q点时速度恰为零，问油滴上抛的初速度v0为多大?图1-8-7解析：油滴运动分成两个阶段.OP段只受重力作用，PQ段受重力、电场力作用，题中只要求求初速度，可根据能量关系求.（1）设N板电势高，则油滴在M、N间运动时电场力做负功，全过程由动能定理：-mg(d+h)-qU=

2、0-v0==4m/s.（2）设M板电势高，则油滴在M、N间运动时电场力做正功，由动能定理：-mg(d+h)+qU=0-mv20v0==2m/s.答案：4m/s或2m/s2.如图1-8-8所示，一个带正电的物体沿绝缘水平板向右运动，绝缘水平板上方所在空间存在有水平向左的匀强电场.当此物体经过a点时动能为100J，到达b点时动能减少为原来的，减少的动能中有转化为电势能，则当该物体第二次经过b点时的动能为多少?图1-8-8解析：设电场力为qE，滑动摩擦力为F，则由a到b过程中，根据动能定理得：(qE+F)×=100×(1-)J=80J①因为转化成的电势能ΔEp=×80J=48J由电场力做功与电

3、势能变化关系得qE×=48J②由①②得qE=F由b点继续向右运动直至减速到零的过程中，设位移为s，由动能定理得：(qE+F)s=100×J=20J，代入qE=F得Fs=8J由b到最右端再回到b的过程中，摩擦力做负功为2Fs=16J，电场力做功为零，所以第二次经过b点时动能为Ek=20J-2×8J=4J.答案：4J3.半径为r的绝缘光滑圆环固定在竖直平面内，环上套有一质量为m、带正电的珠子，空间存在水平向右的匀强电场，如图1-8-9所示.珠子所受静电力是其重力的倍，将珠子从环上最低位置A点由静止释放，则：图1-8-9(1)珠子所能获得的最大动能是多大?(2)珠子对环的最大压力是多大?解析：

4、(1)因qE=mg，所以qE、mg的合力F合与竖直方向夹角tanθ==，即θ=37°，则珠子由A点静止释放后从A到B过程中做加速运动，如图所示，B点动能最大.由动能定理得：qErsinθ-mgr(1-cosθ)=Ek，解得B点动能即最大动能为Ek=mgr．(2)设珠子在B点受圆环弹力为FN，有FN-F合=m，即FN=F合+m=+mg=mg由牛顿第三定律得，珠子对圆环的最大压力也为mg．答案：（1）mgr（2）mg视野拓展电子的发现对原子内部结构的认识是20世纪最伟大的发现之一，这是从1897年英国物理学家汤姆生发现电子开始的.电子的发现和阴极射线的实验研究是联系在一起的，而阴极射线的发现

5、和研究又是从真空管放电现象开始的.早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时就发现了阴极射线.普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光.当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化，可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的.阴极射线究竟是什么呢？在19世纪后30年中，许多物理学家投入了研究.当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的比荷（e/m）要比氢离子的比荷大1000倍之多.当时，赫兹和他的学生勒纳德，

6、在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电.实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场.图1-8-13汤姆生设计了新的阴极射线管（如图1-8-13），在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过A和B聚焦，从另一对电极D和E间的电场中穿过，右侧管壁上贴有供测量偏转用的标尺.他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转.但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来.于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子.他还在管外加上了一个与电场和射线速度都

7、垂直的磁场（此磁场由管外线圈产生），当电场力eE与磁场的洛伦兹力evB相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央.经过推算可知，阴极射线粒子的比荷e/m≈1011C/kg.通过进一步的实验，汤姆生发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的比荷e/m保持不变.可见这种粒子是各种材料中的普适成分.1898年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电荷量的研究.其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷是1.1×10-19C