帶電粒子在電場中的運動問題

王和平

摘 要：帶電粒子在電場中的運動問題作為高中物理學(xué)科的重點和難點，是很多教師開展物理教學(xué)工作的瓶頸，同時也是學(xué)生長時間不能攻克的壁壘，在很大程度上制約著高中物理教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率的提高。在參考前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，對高中物理學(xué)科中帶電粒子在電場中運動問題的解題思路和解題方法進(jìn)行了總結(jié)，并列舉了相應(yīng)的題目加以佐證，力求為高中學(xué)生解答此類題目提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高中物理；帶電粒子；電場；運動問題

物理學(xué)科作為高中理科學(xué)生的考試科目之一，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新思維能力等方面都起到了至關(guān)重要的作用，而帶電粒子在電場中的運動問題具有抽象性強、邏輯思維顯著等特點，使得很多教師在開展該知識點的教學(xué)時，常常面臨著教師難教、學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)狀。因此，如何提高該知識點的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，成為廣大高中物理教師共同關(guān)注的問題。此外，很多學(xué)生自己解答與該知識點有關(guān)的題目時，常常會出現(xiàn)找不到解題思路和解題方法的情況，極大程度上阻礙了學(xué)生物理成績的提高。綜上所述，對本文進(jìn)行深入的分析與研究具有十分重要的意義。

一、帶電粒子在電場中直線運動

1.解題注意事項

在教授學(xué)生帶電粒子在電場中加速運動的知識點時，我們應(yīng)注意以下幾個方面的問題：第一，使學(xué)生充分明白W=qU這一計算公式適用于勻強電場和非勻強電場，而W=qEd這一計算公式則只適用于勻強電場中，且需明確告知學(xué)生帶電粒子在電場中直線運動時，應(yīng)使用電勢能轉(zhuǎn)化為動能的思路解答題目。第二，當(dāng)帶電粒子從與電場線平行的方向進(jìn)入勻強電場時，我們需要考慮電場力與帶電粒子運動方式是否一致，從而判斷該帶電粒子是在做加速直線運動還是減速直線運動。第三，在使用功能的觀點分析帶電粒子的運動問題時，我們需要考慮粒子的初速度為零和初速度不為零這兩種情況，當(dāng)初速度為零時，我們可以使用qU=mv2/2，V=1/2af這一計算公式解答。而當(dāng)初速度不為零時，我們則需要使用到qU=mv2/2-mv02/2，V=1/2af這一計算公式來解答。第四，運用牛頓運動定律和運動學(xué)公式分析帶電粒子在電場中的運動問題時，如果帶電粒子是平行電場線方向進(jìn)入勻強電場的，那么該帶電粒子則是在勻變速直線運動，我們則可以根據(jù)電場力算出加速度、末速度、位移以及時間等值。

2.例題解析

例：如圖1所示，帶點粒子在電場中的加速：在真空中有兩塊平行的金屬板，兩金屬板之間的電壓為U和一個帶正電荷的粒子q，在電場力的作用下，q由禁止?fàn)顟B(tài)開始從正極板移動至負(fù)極板，求該粒子達(dá)到負(fù)極板的速度。（忽略重力對帶電粒子造成的影響）

在解答此類題目時，我們需要明確帶電粒子在勻強電場中做的是加速直線運動，電場力此時所做的功是有用功，所以，我們可以使用動能定理來解決此類題目。

二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題

1.解題注意事項

帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動只會出現(xiàn)在勻強電場中，其運動狀態(tài)為：帶電粒子以v0速度垂直進(jìn)入電場方向的兩帶電平行板中，且?guī)щ娖叫邪逅a(chǎn)生的電場為勻強電場，在受到來自于初速度方向成90°角的恒定電場力之后，做勻變速曲線運動。我們在對此類帶電量粒子在電場中運動的問題進(jìn)行解答時，需要明確以下幾點：第一，垂直電場方向的帶電粒子的分運動都屬于勻速直線運動，需要使用到的公式為：t=L/v0，vx=v0，sy=1/2afat2。第二，平行于電場方向的帶電粒子的分運動都是以初速度為零的云加速直線運動，需要使用到的公式為vy=at，y=1/2afat2。其中帶電粒子的速度公式為：vt2=vx2+vy2。

2.例題解析

例：如圖2所示，一束帶電粒子從電場的垂直方向進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，是分析在進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場速度相同、功能相同或動量相同的任一條件下，帶電粒子還需要具備什么條件才能確保偏轉(zhuǎn)距離和邊角角度相同。（假設(shè)U、d、L等保持不變，帶電粒子不受重力影響）

我們在解答此類題目時，需要明確該題目主要考查的是帶電粒子在勻強電場中的偏轉(zhuǎn)問題，它的運動類型與平拋運動相類似，所以，我們只需要推算出偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)角度的表達(dá)公式即可解答此題。解答該題目的關(guān)鍵點在于這束帶電粒子的運動方式為先加速運動，后偏轉(zhuǎn)運動，所以，它的偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)角度都不會受帶電粒子的質(zhì)量和電量的影響。

從上文所論述的內(nèi)容中我們不難看出，帶電粒子在電場中的運動問題具有影響因素多、解題思路靈活以及知識點覆蓋范圍廣等特點，使得很多學(xué)生在解答該知識點相關(guān)的題目時，常常出現(xiàn)束手無策的情況，身為高中物理教師的我們，只有在日常的教學(xué)工作中不斷積累教學(xué)經(jīng)驗，積極完善自身的專業(yè)知識和教學(xué)能力，才能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)當(dāng)前高中物理教學(xué)工作中存在的不足，并采取行之有效的措施加以應(yīng)對，為我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展和完善奠定堅實的基礎(chǔ)。

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編輯 張珍珍