2017届高中物理第6章磁吃电流和运动电荷的作用第5讲习题课带电粒子在组合场和叠加场中的运动学案鲁科版选修.docx

第5讲习题课带电粒子在组合场和叠加场中的运动目标定位1.会计算洛伦兹力的大小，并能判断其方向.2.掌握带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，并能解决确定圆心、半径、运动轨迹、周期、运动时间等相关问题.3.能分析计算带电粒子在复合场中的运动.4.能够解决速度选择器、回旋加速器、质谱仪等磁场的实际应用问题一、带电粒子在匀强磁场中的运动圆周运动的半径和周期：质量为m、电荷量为q、速率为v的带电粒子，在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动的半径为r，周期为T.二、复合场复合场的分类1叠加场：电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存2组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠或相邻或在同一区域，电场、磁场交替出现三、带电粒子在复合场中的运动形式1静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动状态2匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动3分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的组合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成一、带电粒子在磁场中的匀速圆周运动1解题步骤(1)画轨迹：即画出运动轨迹，并确定圆心，用几何方法求半径(2) 找联系：轨道半径与磁感应强度、运动速度相联系，偏转角度与圆心角、运动时间相联系，在磁场中运动的时间与周期相联系(3) 用规律：用牛顿第二定律列方程：qvBm，及圆周运动的规律的一些基本公式2带电粒子在有界磁场中的圆周运动的几种常见情形直线边界进出磁场具有对称性，如图1所示(多大的角进，多大的角出)图1平行边界(存在临界条件，如图2所示)图2圆形边界(沿径向射入必沿径向射出，如图3所示)图33带电粒子在有界磁场中运动，还往往出现临界条件，可以通过对轨迹圆放大的方法找到相切点注意找临界条件，注意挖掘隐含条件例1如图4所示，在y0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面并指向纸里，磁感应强度为B.一带负电的粒子(质量为m、电荷量为q)以速度v0从O点射入磁场，入射方向在xy平面内，与x轴正向的夹角为.求：图4(1)该粒子射出磁场的位置；(2)该粒子在磁场中运动的时间(所受重力不计)答案(1)(，0)(2)解析(1)设从A点射出磁场，O、A间的距离为L，射出时速度的大小仍为v，射出方向与x轴的夹角仍为，由洛伦兹力公式和牛顿定律可得：qv0Bm式中R为圆轨道半径，解得：R圆轨道的圆心位于OA的中垂线上，由几何关系可得：Rsin联解两式，得：L所以粒子离开磁场的位置坐标为(，0)(2)因为T所以粒子在磁场中运动的时间tT.例2如图5所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF.一电子从CD边界外侧以速率v0垂直射入匀强磁场，入射方向与CD边界间夹角为.已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求：电子的速率v0至少多大？图5答案解析本题考查圆周运动的边界问题的求解方法当入射速率v0很小时，电子会在磁场中转动一段圆弧后又从CD一侧射出，速率越大，轨道半径越大，当轨道的边界与EF相切时，电子恰好不能从EF射出，如图所示，电子恰好射出时，由几何知识可得：rrcosd又r由得v0故电子要从EF一侧射出磁场，速率至少应为.例3如图6所示，在半径为R的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，圆形区域右侧有一竖直感光板，圆弧顶点P有一速率为v0的带正电的粒子平行于纸面进入磁场，已知粒子的质量为m，电荷量为q，粒子重力不计图6(1)若粒子对准圆心射入，求它在磁场中运动的时间；(2)若粒子对准圆心射入，且速率为v0，求它在磁场中运动的时间答案(1)(2)解析(1)设带电粒子进入磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径为r，由牛顿第二定律得Bqv0m所以rR带电粒子在磁场中的运动轨迹为四分之一圆周，轨迹对应的圆心角为，如图(a)所示t.(2)由(1)知，当vv0时，带电粒子在磁场中运动的轨迹半径为rR，其运动轨迹如图(b)所示由几何关系sin，所以30所以带电粒子在磁场中运动轨迹所对圆心角为60则有：t.二、带电粒子在叠加场中的运动处理带电粒子在复合场中的运动的基本思路1弄清复合场的组成2进行受力分析3确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合4画出粒子运动轨迹，灵活选择不同的运动规律(1)当带电粒子在叠加场中做匀速直线运动时，根据受力平衡列方程求解(2)当带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动时，一定是电场力和重力平衡，洛伦兹力提供向心力，应用平衡条件和牛顿定律分别列方程求解(3)当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解5记住三点：(1)受力分析是基础；(2)运动过程分析是关键；(3)根据不同的运动过程及物理模型，选择合适的定理列方程求解例4如图7所示，在地面附近有一个范围足够大的相互正交的匀强电场和匀强磁场匀强磁场的磁感应强度为B，方向水平并垂直纸面向外，一质量为m、带电荷量为q的带电微粒在此区域恰好做速度大小为v的匀速圆周运动(重力加速度为g)图7(1)求此区域内电场强度的大小和方向；(2)若某时刻微粒运动到场中距地面高度为H的P点，速度与水平方向成45的角，如图所示则该微粒至少需要经过多长时间运动到距地面最高点，最高点距地面多高答案(1)方向竖直向下(2)H解析(1) 要满足微粒做匀速圆周运动，则：qEmg得E方向竖直向下(2)如图所示，当微粒第一次运动到最高点时，135，则tTTT所以：tH1RRsin45HH.三、带电粒子在组合场中的运动1这类问题往往是粒子依次通过几个并列的场，如电场与磁场并列；其运动性质随区域场的变化而变化2解题时要弄清楚场的性质、场的方向、强弱、范围等3要进行正确的受力分析，确定带电粒子的运动状态4分析带电粒子的运动过程，画出运动轨迹是解题的关键5解题技巧：组合场中电场和磁场是各自独立的，计算时可以单独使用带电粒子在电场或磁场中的运动公式来列式处理电场中常有两种运动方式：加速或偏转；而匀强磁场中，带电粒子常做匀速圆周运动例5如图8所示，在直角坐标系xOy的第一象限中分布着沿y轴负方向的匀强电场，在第四象限中分布着方向向里垂直纸面的匀强磁场一个质量为m、带电q的微粒，在A点(0,3)以初速度v0120m/s平行于x轴射入电场区域，然后从电场区域进入磁场，又从磁场进入电场，并且先后只通过x轴上的P点(6,0)和Q点(8,0)各一次已知该微粒的比荷为102C/kg，微粒重力不计，求：图8(1)微粒从A到P所经历的时间和加速度的大小；(2)求出微粒到达P点时速度方向与x轴正方向的夹角，并画出带电微粒在电磁场中由A至Q的运动轨迹；(3)电场强度E和磁感应强度B的大小答案(1)0.05s2.4103m/s2(2)45运动轨迹见解析(3)24 N/C1.2T解析(1)微粒从平行x轴正方向射入电场区域，由A到P做类平抛运动，微粒在x轴上做匀速直线运动由sxv0t得t0.05s微粒沿y轴方向做初速度为零的匀加速直线运动，由syat2得a2.4103m/s2.(2)vyat，tan1，所以45轨迹如图(3)由qEma得E24N/C设微粒从P点进入磁场以速度v做匀速圆周运动vv0由qvBm得R由几何关系得Rm，所以可得B1.2T.带电粒子在有界磁场中的运动1半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子(不计重力)从A点以速度v0垂直磁场方向射入磁场中，并从B点射出AOB120，如图9所示，则该带电粒子在磁场中运动的时间为()图9A.B.C.D.答案D解析由AB弧所对圆心角60，知tT.但题中已知条件不够，没有此选项，另想办法找规律表示t.由匀速圆周运动R，从图示分析有Rr，则t.D正确带电粒子在叠加场中的运动2一正电荷q在匀强磁场中，以速度v沿x正方向进入垂直纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为B，如图10所示，为了使电荷能做直线运动，则必须加一个电场进去，不计重力，此电场的场强应该是()图10A沿y轴正方向，大小为B沿y轴负方向，大小为BvC沿y轴正方向，大小为D沿y轴负方向，大小为答案B解析要使电荷能做直线运动，必须用电场力抵消洛伦兹力，本题正电荷受洛伦兹力的方向沿y轴正方向，故电场力必须沿y轴负方向且qEBqv，即EBv.3如图11所示，直角坐标系位于竖直平面内，在水平的x轴下方存在匀强磁场和匀强电场，磁场的方向垂直xOy平面向外，电场线方向平行于y轴一质量为m、电荷量为q的带正电的小球，从y轴上的A点以水平速度v0向右抛出，与x轴成45角经x轴上M点进入电场和磁场，恰能做匀速圆周运动，从坐标原点第一次离开电场和磁场不计空气阻力，重力加速度为g，求：图11(1)电场强度E的大小和方向；(2)磁感应强度的大小答案(1)竖直向上(2)解析(1)小球在电场、磁场中恰好做匀速圆周运动，其所受的电场力必须与重力平衡，有Eqmg解得：E由于小球带正电，故电场方向竖直向上(2)在M点有vyv0tan45，又vygt，OMv0t联立解得OM小球做匀速圆周运动的速度vv0设小球做匀速圆周运动的半径为r，由几何关系可知：2rsin45OM，得r由洛伦兹力提供向心力Bqvm，得B.带电粒子在组合场中的运动4如图12所示，在平面直角坐标系xOy内，第象限存在沿y轴负方向的匀强电场，第象限以ON为直径的半圆形区域内存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B.一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子，从y轴正半轴上yh处的M点，以速度v0垂直于y轴射入电场，经x轴上x2h处的P点进入磁场，最后以垂直于y轴的方向射出磁场不计粒子重力求：图12(1)电场强度的大小E；(2)粒子在磁场中运动的轨道半径r；(3)粒子从进入电场到离开磁场经历的总时间t.答案(1)(2)(3)解析粒子的运动轨迹如图所示(1)设粒子在电场中运动的时间为t1则有2hv0t1，hat根据牛顿第二定律得Eqma求得E.(2)设粒子进入磁场时速度为v，在电场中，由动能定理得Eqhmv2mv又Bqvm，解得r.(3)粒子在电场中运动的时间t1粒子在磁场中运动的周期T设粒子在磁场中运动的时间为t2，t2T，求得tt1t2.题组一带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动1运动电荷进入磁场(无其他场)中，可能做的运动是()A匀速圆周运动B平抛运动C自由落体运动D匀速直线运动答案AD解析若运动电荷平行磁场方向进入磁场，则电荷做匀速直线运动，若运动电荷垂直磁场方向进入磁场，则电荷做匀速圆周运动，A、D正确由于电荷的重力不计，故电荷不可能做平抛运动或自由落体运动B、C错误2如图1所示，带负电的粒子以速度v从粒子源P处射出，若图中匀强磁场范围足够大(方向垂直纸面)，则带电粒子的可能轨迹是()图1AaBbCcDd答案BD解析粒子的出射方向必定与它的运动轨迹相切，故轨迹a、c均不可能，正确答案为B、D.3如图2所示，在x0，y0的空间有恒定的匀强磁场，磁感应强度的方向垂直于xOy平面向里，大小为B，现有四个质量及电荷量均相同的带电粒子，由x轴上的P点以不同的初速度平行于y轴射入此磁场，其出射方向如图所示，不计重力的影响，则()图2A初速度最大的粒子是沿方向射出的粒子B初速度最大的粒子是沿方向射出的粒子C在磁场中运动时间最长的是沿方向射出的粒子D在磁场中运动时间最长的是沿方向射出的粒子答案AD解析显然图中四条圆弧中对应的半径最大，由半径公式R可知，质量和电荷量相同的带电粒子在同一个磁场中做匀速圆周运动的速度越大，半径越大，A对B错；根据周期公式T知，当圆弧对应的圆心角为时，带电粒子在磁场中运动的时间为t，圆心角越大则运动时间越长，圆心均在x轴上，由半径大小关系可知的圆心角为，且最大，故在磁场中运动时间最长的是沿方向射出的粒子，C错D对4如图3所示，左右边界分别为PP、QQ的匀强磁场的宽度为d，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里一个质量为m、电荷量为q的微观粒子，沿图示方向以速度v0垂直射入磁场欲使粒子不能从边界QQ射出，粒子入射速度v0的最大值可能是()图3A.B.C.D.答案BC解析粒子射入磁场后做匀速圆周运动，由r知，粒子的入射速度v0越大，r越大，当粒子的运动轨迹和边界QQ相切时，粒子刚好不从QQ射出，此时其入射速度v0应为最大若粒子带正电，其运动轨迹如图(a)所示(此时圆心为O点)，容易看出R1sin45dR1，将R1代入上式得v0，B项正确若粒子带负电，其运动轨迹如图(b)所示(此时圆心为O点)，容易看出R2R2cos45d，将R2代入上式得v0，C项正确5如图4所示，分布在半径为r的圆形区域内的匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向里电量为q、质量为m的带正电的粒子从磁场边缘A点沿圆的半径AO方向射入磁场，离开磁场时速度方向偏转了60角(不计粒子的重力)求：图4(1)粒子做圆周运动的半径；(2)粒子的入射速度解(1)设带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动半径为R，如图所示，OOA30，由图可知，运动的半径ROAr.(2)根据牛顿运动定律，有：Bqvm有：R故粒子的入射速度v.题组二带电粒子的运动在科技中的应用61930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图5所示这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是()图5A粒子由加速器的中心附近进入加速器B粒子由加速器的边缘进入加速器C粒子从磁场中获得能量D粒子从电场中获得能量答案AD解析粒子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开加速器，选项A、D正确7质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图6所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断()图6A若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C只要x相同，则离子质量一定相同D只要x相同，则离子的比荷一定相同答案AD解析由动能定理qUmv2.离子进入磁场后将在洛伦兹力的作用下发生偏转，由圆周运动的知识，有：x2r，故x，分析四个选项，A、D正确，B、C错误题组三带电粒子在叠加场中的运动8如图7所示，匀强磁场的方向垂直纸面向里，匀强电场的方向竖直向下，有一正离子恰能以速率v沿直线从左向右水平飞越此区域下列说法正确的是()图7A若一电子以速率v从右向左飞入，则该电子也沿直线运动B若一电子以速率v从右向左飞入，则该电子将向上偏转C若一电子以速率v从右向左飞入，则该电子将向下偏转D若一电子以速率v从左向右飞入，则该电子也沿直线运动答案BD解析若电子从右向左飞入，静电力向上，洛伦兹力也向上，所以电子上偏，选项B正确，A、C错误；若电子从左向右飞入，静电力向上，洛伦兹力向下由题意，对正电荷有qEBqv，会发现q被约去，说明等号的成立与q无关，包括q的大小和正负，所以一旦满足了EBv，对任意不计重力的带电粒子都有静电力大小等于洛伦兹力大小，显然对于电子两者也相等，所以电子从左向右飞入时，将做匀速直线运动，选项D正确9一个带电微粒在如图8所示的正交匀强电场和匀强磁场中的竖直平面内做匀速圆周运动，求：图8(1)该带电微粒的电性；(2)该带电微粒的旋转方向；(3)若已知圆的半径为r，电场强度的大小为E，磁感应强度的大小为B，重力加速度为g，则线速度为多少答案(1)负电荷(2)逆时针(3)解析(1)带电微粒在重力场、匀强电场和匀强磁场中做匀速圆周运动，可知，带电微粒受到的重力和电场力是一对平衡力，重力竖直向下，所以电场力竖直向上，与电场方向相反，故可知带电微粒带负电荷(2)磁场方向向外，洛伦兹力的方向始终指向圆心，由左手定则可判断微粒的旋转方向为逆时针(四指所指的方向与带负电的微粒的运动方向相反)(3)由微粒做匀速圆周运动，得知电场力和重力大小相等，得mgqE带电微粒在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动的半径为：r联立得：v.题组四带电粒子在电场和磁场组合场中的运动10如图9所示