時(shí)帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動PPT課件

1、基礎(chǔ)知識一速度選擇器知識講解速度選擇器(如下圖所示)第2頁/共47頁第1頁/共47頁平行板中電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相垂直.這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來,所以叫做速度選擇器.帶電粒子能夠勻速沿直線通過速度選擇器的條件是Bqv=Eq,即.EvB第3頁/共47頁第2頁/共47頁活學(xué)活用1.如圖是測量帶電粒子質(zhì)量儀器的工作原理示意圖.設(shè)法使某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖示的容器A中,使它受到電子束轟擊,失去一個(gè)電子成為正一價(jià)的分子離子.分子離子從狹縫S1以很小的速度進(jìn)入電壓為U的加速電場區(qū)(初速度不計(jì)),加速后,再通過狹縫S2S3射入 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,方向垂 直于磁場區(qū)的界面PQ

2、,最后,分子離 子打到感光片上,形成垂直于紙面且 平行于狹縫S3的細(xì)線.若測得細(xì)線到 狹縫S3的距離為d,導(dǎo)出分子離子質(zhì)量m的表達(dá)式.第4頁/共47頁第3頁/共47頁23:mq,S,1,22qUmvqUvm解析 設(shè)離子的質(zhì)量為 帶電荷量為經(jīng)過加速電場時(shí)有則從狹縫射入磁場區(qū)域的速度射入磁場后 受洛倫茲力作用做勻速圓周運(yùn)動由于垂直于邊界射入 離子恰經(jīng)過半個(gè)圓第5頁/共47頁第4頁/共47頁22222,22,/ 2.8,:,dRmvmvmvqvBRddqd BmU如圖所示 其圓半徑由離子做勻速圓周運(yùn)動的條件代入式的結(jié)果后 即得離子的質(zhì)量228:qd BmU答案第6頁/共47頁第5頁/共47頁二磁流體

3、發(fā)電機(jī)知識講解如圖所示,由燃燒室O燃燒電離成的正負(fù)離子(等離子體)以高速v噴入偏轉(zhuǎn)磁場B中.在洛倫茲力作用下,正負(fù)離子分別向上下極板偏轉(zhuǎn)積累,從而在板間形成一個(gè)向下的電場,兩板間形成一定的電勢差:當(dāng) 時(shí),電勢差穩(wěn)定為U=dvB,這就相當(dāng)于一個(gè)可以對外供電的電源.UqvBqd第7頁/共47頁第6頁/共47頁活學(xué)活用2.目前世界上正在研究新型發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī),它的原理圖如圖所示,設(shè)想在相距為d的兩平行金屬板間加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,兩板通 過開關(guān)和燈泡相連.將氣體加熱到 使之高度電離后,由于正負(fù)離子 一樣多,且?guī)щ姾闪烤鶠閝,因而稱 為等離子體,將其以速度v噴入甲 乙兩板之間,這時(shí)甲乙兩板

4、就會 聚集電荷,產(chǎn)生電壓,這就是磁流體發(fā)電機(jī)的原理,它可以直接把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能,試問:第8頁/共47頁第7頁/共47頁(1) 圖中哪個(gè)極板是發(fā)電機(jī)的正極?(2) 發(fā)電機(jī)的電動勢多大?(3) 設(shè)噴入兩極板間的離子流每立方米有n個(gè)負(fù)電荷,離子流的橫截面積為S,則發(fā)電機(jī)的最大功率多大? 第9頁/共47頁第8頁/共47頁解析:(1) 等離子體從左側(cè)射入磁場,正離子受向上的洛倫茲力而偏向甲板,使甲板上積累正電荷,相應(yīng)的乙板上積累負(fù)電荷,成為電源的正負(fù)兩極.甲板是發(fā)電機(jī)的正極.(2) 當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),甲乙兩板間的電壓即為電源的電動勢.穩(wěn)定時(shí),甲乙兩板上積累的電荷不再增加,此時(shí)的等離子體所受的洛倫茲力與電場力

5、恰好平衡,則有即得電源的電動勢為U=Bdv.qUqvBd第10頁/共47頁第9頁/共47頁(3) 理想狀態(tài)時(shí),噴入兩極板間的離子流全部流向兩極板,這時(shí)電源達(dá)到最大功率.此時(shí),電路中的最大電流為式中N為在t時(shí)間內(nèi)噴入兩極板間的正負(fù)離子數(shù)的總和,即N=2nSvt,則發(fā)電機(jī)的最大功率為Pmax=UImax=2ndqSBv2.答案:(1) 甲板 (2) Bdv (3) 2ndqSBv2maxNqIt第11頁/共47頁第10頁/共47頁三電磁流量計(jì)知識講解電磁流量計(jì)原理可解釋為:如圖所示,一圓形導(dǎo)管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動,導(dǎo)電液體中的自由電荷(正負(fù)離子)在洛倫茲力作用下

6、偏轉(zhuǎn),a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定,由 可得 流量,UqBvqEqd,UvBd2.44UQSvBdddUB第12頁/共47頁第11頁/共47頁四霍爾效應(yīng)知識講解霍爾效應(yīng)是高中物理重要的探究課題之一.在勻強(qiáng)磁場中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體,當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時(shí),導(dǎo)體在與磁場電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差.這個(gè)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或霍爾電壓,其原理如圖所示.第13頁/共47頁第12頁/共47頁第二關(guān):技法關(guān) 解讀高考第14頁/共47頁第13頁/共47頁解題技法一帶電體在重力場與磁場的復(fù)合場中的運(yùn)動技法講解帶電體在重力場與磁場的復(fù)合場中運(yùn)動時(shí),若只受洛倫茲力與重力,

7、當(dāng)二力平衡時(shí),物體將沿水平方向做勻速直線運(yùn)動,若二力不平衡則物體做一般的曲線運(yùn)動,很難從運(yùn)動學(xué)角度來分析,而從能量的角度來分析就比較簡便.一定要注意洛倫茲力不做功這一特點(diǎn).若帶電物體在運(yùn)動過程中還受其他物體(如繩面或軌道等)的約束,則應(yīng)結(jié)合施加約束的物體的特點(diǎn)來分析帶電物體的運(yùn)動,一定注意洛倫茲力隨運(yùn)動狀態(tài)的變化而變化.第15頁/共47頁第14頁/共47頁典例剖析【例1】 如圖所示,勻強(qiáng)磁場垂直紙面向里,有一足夠長的等腰三角形絕緣滑槽,兩側(cè)斜槽與水平面夾角為,在斜槽頂點(diǎn)兩側(cè)各放一個(gè)質(zhì)量相等帶等量負(fù)電荷的小球A和B,兩小球與斜槽的動摩擦因數(shù)相等,且aBC.兩球沿斜槽都做變加速運(yùn)動,且aAaBD.

8、兩球沿斜槽的最大位移關(guān)系是:sA=sB第17頁/共47頁第16頁/共47頁 解析 由靜止下滑后,對AB兩球受力分析由牛頓第二定律得:mgsin-(mgcos-qBv)=maAmgsin-(mgcos+qBv)=maB所以A球下滑過程中加速度增大,當(dāng)mgcos=qBv時(shí)將脫離斜面在空中做曲線運(yùn)動,B球下滑過程中加速度減小,當(dāng)mgsin=(mgcos+qBv)時(shí),B球?qū)⒀匦泵鎰蛩傧禄?所以選項(xiàng)C正確.答案 C第18頁/共47頁第17頁/共47頁二帶電粒子在電場磁場重力場并存的復(fù)合場中的運(yùn)動技法講解1.帶電粒子在復(fù)合場中的直線運(yùn)動帶電粒子在電場磁場重力場并存的復(fù)合場中運(yùn)動時(shí),如果帶電粒子所受合外力為

9、零時(shí),所處狀態(tài)一定是勻速直線運(yùn)動.如果受的合力不為零,但方向與速度在同一直線上,粒子將做勻減速或勻加速直線運(yùn)動(或作變加速直線運(yùn)動,如果有桿或面束縛).常見情況如下:第19頁/共47頁第18頁/共47頁 (1)洛倫茲力為零(即v與B平行),重力與電場力平衡,做勻速直線運(yùn)動;或重力與電場力的合力恒定做勻變速運(yùn)動.(2)洛倫茲力F與速度v垂直,且與重力和電場力的合力(或其中一種力)平衡.做勻速直線運(yùn)動.第20頁/共47頁第19頁/共47頁2.當(dāng)帶電粒子所受合外力充當(dāng)向心力,帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動.由于通常情況下,重力和電場力為恒力,故不能充當(dāng)向心力,所以一般情況下是重力恰好與電場力相平衡,洛倫茲力

10、充當(dāng)向心力.3.當(dāng)帶電微粒所受的合外力不為零,且恒力中的重力電場力的合力做功使速度大小變化時(shí),帶電微粒所受洛倫茲力變化,從而合外力變化,粒子將做曲線運(yùn)動,這時(shí)其軌跡既非圓弧亦非拋物線,屬變加速曲線運(yùn)動,不能用勻變速運(yùn)動或圓周運(yùn)動等規(guī)律解答有關(guān)問題,可考慮用動量觀點(diǎn)解答或用功能觀點(diǎn)處理.第21頁/共47頁第20頁/共47頁典例剖析【例2】 如圖所示,在空間存在著水平方向的勻強(qiáng)磁場和豎直方向的勻強(qiáng)電場,電場強(qiáng)度為E,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.在某點(diǎn)由靜止釋放一個(gè)帶電液滴a,它運(yùn)動到最低點(diǎn)處,恰與一個(gè)原來處于靜止的液滴b相撞,相撞后兩液滴合為一體,沿水平方向做直線運(yùn)動.已知液滴a質(zhì)量是液滴b質(zhì)量的2倍,液滴a

11、所帶電荷量是液滴b所帶電荷量的4倍.求兩液滴的初始位置之間的高度差h(設(shè)a、b之間的靜電力可以不計(jì)).第22頁/共47頁第21頁/共47頁 解析 設(shè)b液滴的質(zhì)量為m,電荷量為q,則a液滴的質(zhì)量為2m,電荷量為4q.b液滴原來靜止,受重力和電場力處于平衡,由此可知b液滴帶正電荷,且mg=Eq.由a粒子的運(yùn)動軌跡可知其受的洛倫茲力方向?yàn)橛疑戏?判定出a粒子帶負(fù)電荷.設(shè)a原來所在處與b原來所在處的高度為h,a運(yùn)動到b時(shí)的速度為v1第23頁/共47頁第22頁/共47頁12211212222:ab,4qq3q,:2mv(m2m)v,3mg,3Eq,3Bqv .31242026.22633Bv q3E3q

12、3mg.2mghEqhmvvghvvghEhgB由動能定理聯(lián)立得與 相撞后合在一起 電荷量為帶負(fù)電由動量守恒定律得碰后在一起做勻速直線運(yùn)動 受到重力電場力洛倫茲力由平衡條件聯(lián)立解得2232EhgB答案第24頁/共47頁第23頁/共47頁三帶電體在復(fù)合場中的動態(tài)分析與臨界問題技法講解帶電體在電場力磁場力重力彈力及摩擦力作用下的運(yùn)動,廣泛地涉及力學(xué)和電磁學(xué)的基本概念規(guī)律和方法,不僅受力復(fù)雜運(yùn)動多變(受力分析與運(yùn)動分析常結(jié)合在一起)綜合性強(qiáng),而且往往與臨界問題和極值問題密切相關(guān).第25頁/共47頁第24頁/共47頁1.解決該類型題方法思路(1)正確進(jìn)行受力分析,除重力彈力摩擦力外,要特別注意電場力和

13、磁場力的分析.(2)正確進(jìn)行物體的運(yùn)動狀況分析,找出物體的速度位置及變化,分清運(yùn)動過程,如果出現(xiàn)臨界狀態(tài),要分析臨界條件.(3)選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)律進(jìn)行求解.第26頁/共47頁第25頁/共47頁2.分析臨界問題的常用方法(1)物理分析法認(rèn)真分析系統(tǒng)所經(jīng)歷的物理過程,找出與臨界狀態(tài)相對應(yīng)的臨界條件,是解答這類題目的關(guān)鍵,尋找臨界條件,方法之一是從最大靜摩擦力極限頻率臨界角臨界溫度等具有臨界含義的物理量及相關(guān)規(guī)律入手;方法之二是以題目敘述的一些特殊詞語如“恰好”“剛好”“最大”“最高”“至少”為突破口,挖掘隱含條件,探求臨界位置或狀態(tài).第27頁/共47頁第26頁/共47頁 (2)數(shù)學(xué)解析法許多物理過程,

14、一個(gè)物理量隨另一個(gè)物理量的變化可用一個(gè)二次函數(shù)來表示,如果這個(gè)函數(shù)存在極值,則說明它反映的物理變化存在一個(gè)臨界狀態(tài),用配方法圖像法求解極值,就可求得臨界點(diǎn),臨界狀態(tài)的各物理量便可一一得出.第28頁/共47頁第27頁/共47頁典例剖析【例3】 如圖所示,豎直絕緣桿處于方向彼此垂直大小為EB的勻強(qiáng)電磁場中,一個(gè)質(zhì)量為m帶正電電荷量為q的小球,從靜止開始沿桿下滑,且與桿的動摩擦因數(shù)為,試求:第29頁/共47頁第28頁/共47頁(1)小球速度為多大時(shí),加速度最大?最大值是多少?(2)小球下滑的最大速度是多少?第30頁/共47頁第29頁/共47頁解析 小球開始下滑時(shí),在水平方向始終受到方向相反的電場力q

15、E和洛倫茲力qvB的作用,受力分析如圖所示,第31頁/共47頁第30頁/共47頁(1)當(dāng)qvBbB.電勢baC.電流增大時(shí),|a-b|增大D.其他條件不變,將銅板改為NaCl水溶液時(shí),電勢情況仍然一樣第37頁/共47頁第36頁/共47頁解析:銅板內(nèi)自由電荷為自由電子,電流向上,則電子流動方向向下,其所受洛倫茲力的方向向左,則自由電子將向a側(cè)偏轉(zhuǎn),a側(cè)積累負(fù)電荷,b側(cè)顯出正電荷從而建立由b指向a的電場,故aqE),動能將會增大,速度將會增大,洛倫茲力將會增大;由于向下板偏,電場力做負(fù)功,其電勢能將會增大.而電場力大小只與場強(qiáng)及小球的帶電荷量有關(guān),故錯.答案:A第42頁/共47頁5.如圖所示,直線

16、PO與x軸成45角,x軸上方有水平向右的勻強(qiáng)電場E1,下方有豎直向下的勻強(qiáng)電場E2,已知電場強(qiáng)度E1=E2=10 N/C,x軸下方還存在著垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=10 T.現(xiàn)有一質(zhì)量m=1.010-5 kg的帶電粒子,帶電荷量q=-1.010-5 C.粒子由P點(diǎn)無初速釋放, (重力加速度g=10 m/s2).求:210POdm第43頁/共47頁(1)粒子剛進(jìn)入磁場區(qū)域時(shí)的速度v;(2)粒子第一次在磁場中運(yùn)動的時(shí)間t和位移L.解析:粒子在兩個(gè)電場中所受的電場力大小相同,為F=qE1=qE2=1.010-4 N粒子所受的重力為G=mg=1.010-4 N可見在兩個(gè)電場中粒子所受電場力大小均等于重力大小.第44頁/共47頁 22421x,PO0F:tan45 ,45 ,Ox.x2 101,10 2/22/ .GFNGFFam smvadm s合合在 軸上方的電場中 粒子沿做初速度為 的勻加速直線運(yùn)動合外力大小為合外力方向即合外力與場強(qiáng)方向的夾角為粒子將從原點(diǎn) 進(jìn)入 軸下方的復(fù)合場中加速度粒