高考物理总复习课件人教版高中物理选修三《磁场对运动电荷的作用》专题讲解ppt课件

第二单元 磁场对运动电荷的作用,1定义： 电荷在磁场中所受的力 2大小 (1)vB时，F . (2)vB时，F . (3)v与B夹角为时：F .,运动,0,qvB,qvBsin,3方向：F、v、B三者的关系满足 定则 4特点：由于F始终 v的方向，故洛伦兹力永不做功 特别提醒：洛伦兹力是安培力的微观实质，安培力是洛伦兹力的宏观表现,左手,垂直于,1若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向平行，带电粒子以入射速度v做 运动 2若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直，带电粒子在垂直于磁感线的平面内， 以入射速度v做 运动,匀速直线,匀速圆周,(2)T、f和的特点 T、f和的大小与轨道半径r和运行速率v ，只与磁场的 和粒子的 有关,无关,磁感应强度B,1洛伦兹力和安培力的关系 洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现,2洛伦兹力方向的特点 (1)洛伦兹力的方向与电荷运动的方向和磁场方向都垂直，即洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面 (2)当电荷运动方向发生变化时，洛伦兹力的方向也随之变化 (3)用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时，要注意将四指指向电荷运动的反方向,3洛伦兹力与电场力的比较,(1)洛伦兹力方向与速度方向一定垂直，而电场力的方向与速度方向无必然联系 (2)安培力是洛伦兹力的宏观表现，但各自的表现形式不同，洛伦兹力对运动电荷永远不做功，而安培力对通电导线可做正功，可做负功，也可不做功,1圆心的确定 (1)已知入射方向和出射方向时，可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线，两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图1(1)所示，图中P为入射点，M为出射点),(2)已知入射点和出射点的位置时，可以通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图1(2)，P为入射点，M为出射点),2带电粒子在不同边界磁场中的运动 (1)直线边界(进出磁场具有对称性，如图2所示),(2)平行边界(存在临界条件，如图3),(3)圆形边界(沿径向射入必沿径向射出如图4),3半径的确定和计算 利用平面几何关系，求出该圆的可能半径(或圆心角)并注意以下两个重要的几何特点： (1)粒子速度的偏向角()等于回旋角()，并等于弦AB与切线的夹角(弦切角)的2倍(如图5所示)，即2t. (2)相对的弦切角()相等，与相邻的弦切角()互补，即180.,4运动时间的确定 粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为时，其运动时间由下式表示：,5带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的程序解题法三步法 (1)画轨迹：即确定圆心，几何方法求半径并画出轨迹 (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：即牛顿第二定律和圆周运动的规律，特别是周期公式、半径公式,1带电粒子电性不确定形成多解 受洛伦兹力作用的带电粒子，可能带正电，也可能带负电，在相同的初速度的条件下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，形成多解 如图6带电粒子以速率v垂直进 入匀强磁场，如带正电， 其轨迹为a，如带负电，其轨迹为b.,2磁场方向不确定形成多解 有些题目只告诉了磁感应强度大小，而未具体指出磁感应强度方向，此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成的多解 如图7带正电粒子以速率v垂直进入匀强磁场，,如B垂直纸面向里，其轨迹为a，如B垂直纸面向外，其轨迹为b. 3临界状态不惟一形成多解 带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，由于粒子运动轨迹是圆弧状，因此，它可能穿过去了，也可能转过180从入射界面这边反向飞出，如图8所示，于是形成了多解,4运动的往复性形成多解 带电粒子在部分是电场，部分是磁场的空间运动时，运动往往具有往复性，从而形成多解如图9所示,要充分考虑带电粒子的电性、磁场方向、轨迹及临界条件的多种可能性，画出其运动轨迹，分阶段、分层次地求解,带电粒子在磁场中运动，确定粒子运动的轨道半径、偏角、运动时间、粒子的比荷(q/m)、加速电压等参量求解,【例1】 在以坐标原点O为圆心、r为半径的圆形区域内，存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场，如图10所示一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x轴的交点A处以速度v沿x方向射入磁场，它恰好从磁场边界与y轴的交点C处沿y方向飞出,(1)请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷 ； (2)若磁场的方向和所在空间范围不变，而磁感应强度的大小变为B，该粒子仍从A处以相同的速度射入磁场，但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60，求磁感应强度B多大，此次粒子在磁场中运动所用时间t是多少,高分通道 电荷在磁场中做匀速圆周运动的解题模式：,变式1：如图12所示，在x轴上方存在着垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场，一个不计重力的带电粒子从坐标原点O处以速度v进入磁场，粒子进入磁场时的速度方向垂直于磁场且与x轴正方向成120角，若粒子穿过y轴正半轴后在磁场中到x轴的最大距离为a，则该粒子的比荷和所带电荷的正负是 ( ),答案：C,【例2】 如图14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？,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 电子恰好射出时，其轨迹如图15所示 由图所示几何知识可得： rrcosd,高分通道 临界和极值问题，常借助于半径r和速度v(或磁场B)之间的约束关系，进行动态运动轨迹分析，确定轨迹圆和边界的关系，找出临界点，然后利用数学方法求解极值,变式2：如图16所示，一带正电的质子以初速度v0从O点垂直射入平行板NP和MQ之间，两个板间存在垂直于纸面向里的匀强磁场已知两板之间距离为d，板长为d，O点是NP的中点，为使粒子能从两板间射出，试求磁感应强度B应满足的条件(已知质子的带电荷量为e，质量为m),【例3】 如图18甲所示，M、N为竖直放置彼此平行的两块平板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O且正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图18乙所示有一束正离子在t0时垂直于M板从小孔O射入磁场已知正离子的质量为m，带电荷量为q，正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力求：,(1)磁感应强度B0的大小； (2)要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，正离子射入磁场时的速度v0的可能值,解析：先分析正离子在交变磁场中的运动性质，明确物理过程，然后判断出要使正离子垂直于N板射出磁场，必须让正离子从O孔垂直于M板射入磁场，且在磁场中运动的时间正好是磁场变化周期的整数倍 设垂直于纸面向里的磁场方向为正方向,高分通道 求解带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的题目时，正确地画出带电粒子的轨迹是解题的关键，作图时一定要认真、规范，不要怕耽误时间，否则将会增大解题难度，造成失误 解题中，除了要灵活运用圆周运动的规律外，还要注意到电荷受各种因素的制约，往往不是惟一的解，这就要求同学们必须深刻理解题意，挖掘隐含条件，分析不确定因素，力求解答准确、完整,变式3：如图20所示，一对平行极板长为x，极间距离为y，板间有垂直于纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q的电子，从左侧边界线的中点处，平行于极板且垂直于磁感线的方向射入磁场，欲使电子不飞出匀强磁场区，它的速率v应满足什么条件？,当vv1时，电子将不能从左侧飞出磁场区设电子从下极板右端飞出磁场，其运动轨迹如右图22所示作电子射入速度和射出速度的垂线，和射入点与射出点连线的中垂线的交点O即为电子在磁场中做圆周运动的圆心，由图中几何关系则有,1(2009年安徽卷)如图23是科学史上一张著名的实验照片，显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹云室放置在匀强磁场中，磁场方向垂直照片向里云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用分析此径迹可知粒子 ( ),A带正电，由下往上运动 B带正电，由上往下运动 C带负电，由上往下运动 D带负电，由下往上运动,答案：A,2如图24所示，一个带正电、电荷量为q的小带电体处于蹄形磁铁两极之间的匀强磁场里，磁场的方向垂直于纸面向里，磁感应强度为B，若小带电体的质量为m，为了使它对水平绝缘面正好无压力，应该 ( ),解析：假定磁场不动，小球应向右运动且有mgqvB.由相对运动知D对 答案：D,3在如图25所示的三维空间中，存在方向未知的匀强磁场一电子从坐标原点出发，沿x轴正方向运动时方向不变；沿y轴正方向运动时，受到沿z轴负方向的洛伦兹力作用则当电子从O点沿z轴正方向出发时 ( ),A磁场方向沿x轴正方向 B电子在O点所受洛伦兹力沿y轴正方向 C出发后在xOz平面内，沿逆时针方向做匀速圆周运动 D出发后在yOz平面内，沿顺时针方向做匀速圆周运动,解析：运动的电荷在匀强磁场中运动方向不变有两种可能：一是电荷沿磁场方向运动不受洛伦兹力；二是电荷受洛伦兹力与其他力的合力为零本题电子沿x轴正方向运动时方向不变，表明沿磁场方向运动，即磁场方向与yOz平面垂直，而电子沿y轴正方向运动时，受到沿z轴负方向的洛伦兹力作用，由左手定则可知，磁场指向纸内当电子从O点沿z轴正方向出发时，轨道平面一定在yOz平面内，沿顺时针方向做匀速圆周运动，且圆心在y轴正方向上某一点如下图26所示故正确答案为B、D.,答案：BD,4(2009年丰城模拟)如图27所示，一个带负电的物体从粗糙斜面顶端滑到斜面底端时的速度为v，若加上一个垂直纸面向外的磁场，则滑到底端时 ( ) Av变大 Bv变小 Cv不变 D不能确定,解析：洛伦兹力虽然不做功，但其方向垂直斜面向下，使物体与斜面间的正压力变大，故摩擦力