高考物理一輪課件第8章第3單元復(fù)合場中帶電粒子的運動

1、,核心考點導學,師說： 帶電粒子在復(fù)合場中的運動作為電磁學知識與力學知識的綜合應(yīng)用，仍將是今后高考命題的重點和熱點，應(yīng)高度重視，并注意本節(jié)知識在生活、生產(chǎn)、科技方面的應(yīng)用問題，有針對性加強訓練選擇題、計算題都有可能出現(xiàn)，且計算題作為高考壓軸題的可能性較大.,1復(fù)合場與組合場 (1)復(fù)合場：電場、 、重力場共存，或其中某兩場共存 (2)組合場：電場與磁場各位于一定的區(qū)域內(nèi)，并不重疊或在同一區(qū)域，電場、磁場 出現(xiàn),磁場,交替,2三種場的比較,mg,豎直向下,路徑,重力勢能,qE,相同,相反,qvB,左手,路徑,qU,電勢能,動能,3復(fù)合場中粒子重力是否考慮的三種情況 (1)對于微觀粒子，如電子、質(zhì)

2、子、離子等，因為其重力一般情況下與電場力或磁場力相比太小，可以忽略；而對于一些實際物體，如帶電小球、液滴、金屬塊等一般應(yīng)當考慮其重力 (2)在題目中有明確說明是否要考慮重力的，這種情況按題目要求處理比較正規(guī)，也比較簡單,(3)不能直接判斷是否要考慮重力的，在進行受力分析與運動分析時，要結(jié)合運動狀態(tài)確定是否要考慮重力,1帶電粒子在復(fù)合場(疊加場)中的運動情況 (1)直線運動 自由的帶電粒子(無軌道約束)在復(fù)合場(三場共存)中的直線運動是勻速直線運動，除非運動方向沿磁場方向而不受洛倫茲力這是因為電場力和重力都是恒力當速度變化時，會引起洛倫茲力的變化，合力也相應(yīng)的發(fā)生變化，粒子的運動方向就要改變而做

3、曲線運動在具體題目中，應(yīng)根據(jù)F合0進行計算,(2)勻速圓周運動 當帶電粒子在復(fù)合場(三場共存)中，重力與電場力相平衡，粒子運動方向與勻強磁場方向垂直時，帶電粒子就做勻速圓周運動此種情況下要同時應(yīng)用平衡條件和向心力公式來進行分析,(3)一般曲線運動 當帶電粒子所受合外力是變力，且與初速度方向不在一條直線上時，粒子做非勻變速曲線運動，這時粒子的運動軌跡不是圓弧，也不是拋物線，一般用動能定理或功能關(guān)系計算,2分析方法 (1)弄清復(fù)合場的組成，如磁場、電場的復(fù)合，磁場、重力場的復(fù)合，磁場、電場、重力場三者的復(fù)合等 (2)正確受力分析，除重力、彈力、摩擦力外要特別注意靜電力和磁場力的分析 (3)確定帶電

4、粒子的運動狀態(tài)，注意運動情況和受力情況的結(jié)合 (4)對于粒子連續(xù)通過幾個不同區(qū)域、不同種類的場時，要分階段進行處理,(5)畫出粒子運動軌跡，靈活選擇不同的運動規(guī)律 當帶電粒子在復(fù)合場中做勻速直線運動時，根據(jù)受力平衡列方程求解 當帶電粒子在復(fù)合場中做勻速圓周運動時，應(yīng)用牛頓定律結(jié)合圓周運動規(guī)律求解 當帶電粒子做復(fù)雜曲線運動時，一般用動能定理或能量守恒定律求解 (6)對于臨界問題，注意挖掘隱含條件,1如圖所示，套在很長的絕緣直棒上的小球，質(zhì)量為1.0104 kg，帶4.0104 C的正電荷，小球在棒上可以滑動，將此棒豎直放置在沿水平方向的勻強電場和勻強磁場中，勻強電場的電場強度E10 N/C，方向

5、水平向右，勻強磁場的磁感應(yīng)強度B0.5 T，,方向為垂直于紙面向里，小球與棒間的動摩擦因數(shù)為0.2，求小球由靜止沿棒豎直下落的最大加速度和最大速度(設(shè)小球在運動過程中所帶電荷量保持不變，g取10 m/s2) 解析：從小球下落過程中受力情況分析入手，確定在運動過程中各個力的變化規(guī)律，從而分析物體的運動規(guī)律，找出速度最大時的位置特點和受力特點,帶電小球沿絕緣棒下滑過程中，受豎直向下的重力，豎直向上的摩擦力，水平方向的彈力和洛倫茲力及電場力作用當小球靜止時，彈力等于電場力，小球在豎直方向所受摩擦力最小，小球加速度最大小球運動過程中，彈力等于電場力與洛倫茲力之和，隨著小球運動速度的增大，小球所受洛倫茲

6、力增大，小球在豎直方向的摩擦力也隨之增大，小球加速度減小，速度增大，當小球的加速度為零時，速度達最大,答案：2 m/s25 m/s,點撥：(1)帶電粒子在復(fù)合場中做變速直線運動時，所受洛倫茲力的大小不斷變化，而洛倫茲力的變化往往引起其他力的變化，從而導致加速度不斷變化 (2)帶電粒子在復(fù)合場中運動時，必須注意重力、電場力對帶電粒子的運動產(chǎn)生的影響，帶電粒子的運動狀態(tài)的變化又會對洛倫茲力產(chǎn)生影響,1速度選擇器(如圖所示) (1)平行板中電場強度E和磁感應(yīng)強度B互相 這種裝置能把具有一定 的粒子選擇出來，所以叫做速度選擇器,垂直,速度,2磁流體發(fā)電機 (1)磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)，它可以把 直接

7、轉(zhuǎn)化為電能 (2)根據(jù)左手定則，如圖中的B是發(fā)電機 (3)磁流體發(fā)電機兩極板間的距離為l，等離子體速度為v，磁場的磁感應(yīng)強度為B，則兩極板間能達到的最大電勢差U .,內(nèi)能,正極,Blv,非磁性材料,qE,4霍爾效應(yīng)：在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當 與電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了 ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差，其原理如圖所示,磁場方向,電勢差,“電偏轉(zhuǎn)”和“磁偏轉(zhuǎn)”的比較,(1)“電偏轉(zhuǎn)”和“磁偏轉(zhuǎn)”分別是利用電場和磁場對(運動)電荷的電場力和洛倫茲力的作用控制其運動方向和軌跡 (2)兩類運動的受力情況和處理方法差別很大，要首先進

8、行區(qū)別分析，再根據(jù)具體情況處理,2如圖所示的裝置，左半部為速度選擇器，右半部為勻強的偏轉(zhuǎn)電場一束同位素離子流從狹縫S1射入速度選擇器，能夠沿直線通過速度選擇器并從狹縫S2射出的離子，又沿著與電場垂直的方向，立即進入場強大小為E的偏轉(zhuǎn)電場，最后打在照相底片D上,已知同位素離子的電荷量為q(q0)，速度選擇器內(nèi)部存在著相互垂直的場強大小為E0的勻強電場和磁感應(yīng)強度大小為B0的勻強磁場，照相底片D與狹縫S1、S2的連線平行且距離為L，忽略重力的影響,(1)求從狹縫S2射出的離子速度v0的大小； (2)若打在照相底片上的離子在偏轉(zhuǎn)電場中沿速度v0方向飛行的距離為x，求出x與離子質(zhì)量m之間的關(guān)系式(用E

9、0、B0、E、q、m、L表示) 解析：解答此題需把握以下兩點： (1)根據(jù)速度選擇器關(guān)系可求離子射出時的速度 (2)根據(jù)平拋運動知識可求各物理量間關(guān)系,考向案例研究,例12012海南物理如圖，在兩水平極板間存在勻強電場和勻強磁場，電場方向豎直向下，磁場方向垂直于紙面向里一帶電粒子以某一速度沿水平直線通過兩極板若不計重力，下列四個物理量中哪一個改變時，粒子運動軌跡不會改變() A粒子速度的大小 B粒子所帶的電荷量 C電場強度 D磁感應(yīng)強度,(一)解讀審題視角 本題考查粒子能通過速度選擇器的條件，即qEqvB，涉及電場力、洛倫茲力的有關(guān)知識，正確分析粒子的運動過程是解題關(guān)鍵 (二)名師分析解題 粒

10、子做直線運動時需滿足qvBqE，所以改變粒子速度的大小v、電場強度E和磁感應(yīng)強度B，qvBqE，粒子將做曲線運動，故B項正確,(三)調(diào)用所學解題(B) (四)一語道破天機 (1)速度選擇器只選擇速度(大小、方向)，而不選擇粒子的質(zhì)量和電荷量 (2)速度選擇器B、E、v三個物理量的大小、方向互相約束，以保證粒子受到的電場力和洛倫茲力等大、反向,(五)同類跟蹤訓練 1如圖所示的虛線區(qū)域內(nèi)，充滿垂直于紙面向里的勻強磁場和豎直向下的勻強電場一帶電粒子a(不計重力)以一定的初速度由左邊界的O點射入磁場、電場區(qū)域，恰好沿直線由區(qū)域右邊界的O點(圖中未標出)穿出若撤去該區(qū)域內(nèi)的磁場而保留電場不變，另一個同樣

11、的粒子b(不計重力)仍以相同初速度由O點射入，從區(qū)域右邊界穿出，則粒子b(),A. 穿出位置一定在O點下方 B. 穿出位置一定在O點上方 C. 運動時，在電場中的電勢能一定減小 D. 在電場中運動時，動能一定減小,解析由題意可知最初時刻粒子所受洛倫茲力與電場力方向相反，若qEqvB，則洛倫茲力將隨著粒子速度方向和大小的不斷改變而改變粒子所受電場力qE和洛倫茲力qvB的合力不可能與速度方向在同一直線上，而做直線運動，既然在復(fù)合場中粒子做直線運動，說明qEqvB，OO連線與電場線垂直，當撤去磁場時，粒子僅受電場力，做類平拋運動，電場力一定做正功，電勢能減少，動能增加，C正確，D錯誤；因不知帶電粒子

12、的電性，故穿出位置可能在O點上方，也可能在O點下方，A、B錯誤 答案C,例22012重慶理綜，24有人設(shè)計了一種帶電顆粒的速率分選裝置，其原理如圖所示兩帶電金屬板間有勻強電場，方向豎直向上其中PQNM矩形區(qū)域內(nèi)還有方向垂直紙面向外的勻強磁場一束比荷(電荷量與質(zhì)量之比)均為的帶正電顆粒，以不同的速率沿著磁場區(qū)域的水平中心線OO進入兩金屬板之間，其中速率為v0的顆粒剛好從Q點處離開磁場，然后做勻速直線運動到達收集板重力加速度為g，PQ3d，NQ2d，收集板與NQ的距離為l，不計顆粒間相互作用求,(1)電場強度E的大??； (2)磁感應(yīng)強度B的大?。?(3)速率為v0(1)的顆粒打在收集板上的位置到O

13、點的距離,(一)解讀審題視角 (1)根據(jù)帶電顆粒在電場中能勻速直線運動到達收集板，可判斷Eqmg，可求E. (2)畫軌跡，根據(jù)幾何知識求R，然后根據(jù)洛倫茲力提供向心力公式可求,(三)一語道破天機 會正確畫出帶電粒子的運動軌跡 明確“磁偏轉(zhuǎn)”粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，“電偏轉(zhuǎn)” 粒子在勻強電場中做類平拋運動,(四)同類跟蹤訓練 22011大綱全國卷，25如圖所示，與水平面成45角的平面MN將空間分成和兩個區(qū)域一質(zhì)量為m、電荷量為q(q0)的粒子以速度v0從平面MN上的P0點水平向右射入?yún)^(qū)粒子在區(qū)運動時，只受到大小不變、方向豎直向下的電場作用，電場強度大小為E；在區(qū)運動時，只受到勻強磁場的作

14、用，磁感應(yīng)強度大小為B，,方向垂直于紙面向里求粒子首次從區(qū)離開時到出發(fā)點P0的距離粒子的重力可以忽略,例32012浙江理綜，24如圖所示，兩塊水平放置、相距為d的長金屬板接在電壓可調(diào)的電源上兩板之間的右側(cè)區(qū)域存在方向垂直紙面向里的勻強磁場將噴墨打印機的噴口靠近上板下表面，從噴口連續(xù)不斷噴出質(zhì)量均為m、水平速度均為v0、帶相等電荷量的墨滴調(diào)節(jié)電源電壓至U，墨滴在電場區(qū)域恰能沿水平向右做勻速直線運動；進入電場、磁場共存區(qū)域后，最終垂直打在下板的M點,(1)判斷墨滴所帶電荷的種類，并求其電荷量； (2)求磁感應(yīng)強度B的值； (3)現(xiàn)保持噴口方向不變，使其豎直下移到兩板中間的位置為了使墨滴仍能到達下板

15、M點，應(yīng)將磁感應(yīng)強度調(diào)至B，則B的大小為多少？,(一)解讀審題視角 (1)當帶電粒子在復(fù)合場中做勻速運動時，應(yīng)根據(jù)平衡條件列方程求解 (2)進入復(fù)合場，做勻速圓周運動時，畫軌跡，求半徑，應(yīng)用牛頓第二定律和向心力公式列動力學方程，分析已知量和未知量的關(guān)系，即可求,(三)一語道破天機 分析帶電粒子在復(fù)合場中的運動情況時，要根據(jù)場的情況正確分析粒子的受力及運動特征粒子在復(fù)合場中所做的運動取決于帶電粒子所受的合外力及其初始的運動狀態(tài)只要其中一個場發(fā)生變化，粒子的運動狀態(tài)就要發(fā)生變化,(四)同類跟蹤訓練 3如圖所示，豎直放置的平行板電容器，A板接電源正極，B板接電源負極，在電容器中加一與電場方向垂直、水

16、平向里的勻強磁場一批帶正電的微粒從A板中點小孔C射入，射入的速度大小方向各不相同，考慮微粒所受重力，微粒在平行板A、B間運動過程中() A所有微粒的動能都將增加 B所有微粒的機械能都將不變 C有的微粒可以做勻速圓周運動 D有的微?？赡茏鰟蛩僦本€運動,解析重力和電場力的合力方向與速度方向的夾角可能大于90，故合力可能做負功，根據(jù)動能定理可知選項A錯誤；由于電場力做功，顯然機械能不守恒，選項B錯誤；重力和電場力方向互相垂直時，其作用效果不可能抵消，選項C錯誤；微粒所受重力、電場力、洛倫茲力的合力可能為零，故選項D正確 答案D,例42012天津理綜，12對鈾235的進一步研究在核能的開發(fā)和利用中具有

17、重要意義如圖所示，質(zhì)量為m、電荷量為q的鈾235離子，從容器A下方的小孔S1不斷飄入加速電場，其初速度可視為零，然后經(jīng)過小孔S2垂直于磁場方向進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，做半徑為R的勻速圓周運動離子行進半個圓周后離開磁場并被收集，離開磁場時離子束的等效電流為I.不考慮離子重力及離子間的相互作用,(三)一語道破天機 帶電粒子在復(fù)合場的運動應(yīng)用實例有：速度選擇器、回旋加速器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計、質(zhì)譜儀和霍爾元件，其中速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計和霍爾元件，在粒子運動穩(wěn)定時，均滿足粒子所受的電場力與洛倫茲力平衡,單元精彩視窗,【選題典型秀】 例2012山東理綜，23如圖甲所示，相隔

18、一定距離的豎直邊界兩側(cè)為相同的勻強磁場區(qū)，磁場方向垂直紙面向里，在邊界上固定兩長為L的平行金屬極板MN和PQ，兩極板中心各有一小孔S1、S2，兩極板間電壓的變化規(guī)律如圖乙所示，正反向電壓的大小均為U0，周期為T0.,(1)求粒子到達S2時的速度大小v和極板間距d； (2)為使粒子不與極板相撞，求磁感應(yīng)強度的大小應(yīng)滿足的條件； (3)若已保證了粒子未與極板相撞，為使粒子在t3T0時刻再次到達S2，且速度恰好為零，求該過程中粒子在磁場內(nèi)運動的時間和磁感應(yīng)強度的大小,【備考角度說】 No.1角度：方法導入 本題屬于帶電粒子在有界磁場和交變電場中運動的綜合問題，此類問題抓住時間關(guān)聯(lián)對帶電粒子運動的物理過程進行分析和判斷，由臨界狀態(tài)引入臨界條件是解題要點,No.2角度：開“芯”技法 (1)電場加速、磁場偏轉(zhuǎn) 在電場、磁場相鄰(稱為相鄰場)的綜合問題中，帶電粒子在電場中運動時速度的大小和方向都可以改變，而當靜電力方向與粒子運動方向在同一條直線上時，靜電力只改變粒子速度的大小，帶電粒子做直線運動，這就是所謂的“電場加速”否則帶電粒子將做曲線運動，速度的大小和方向同時改變,運動軌跡如圖所示，整個運動過程分解為直線加速勻速率偏轉(zhuǎn)勻速直線勻速率偏轉(zhuǎn)直線減速,粒子在電場中的運動要同時注意偏轉(zhuǎn)和加速兩