（新课标）高考物理一轮总复习第九章第四讲带电粒子在复合场中的运动教案.docx

第四讲带电粒子在复合场中的运动热点一带电粒子在叠加场中运动的实例分析 (自主学习)1质谱仪(1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成(2)原理：粒子由静止被加速电场加速，qUmv2.粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qvBm.由以上两式可得r ，m，.2回旋加速器(1)构造：如图所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子经电场加速，经磁场回旋，由qvB，得Ekm，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定，与加速电压无关3其他实验应用装置原理图规律速度选择器若qv0BEq，即v0，粒子做匀速直线运动磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极电压为U时稳定，qqv0B，Uv0Bd电磁流量计qqvB，所以v所以QvS霍尔元件当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差11. 质谱仪(2016全国卷)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍此离子和质子的质量比约为()A11B12C121 D144解析：带电粒子在加速电场中运动时，有qUmv2，在磁场中偏转时，其半径r，由以上两式整理得r .由于质子与一价正离子的电荷量相同，B1B2112，当半径相等时，解得144，D正确答案：D12.回旋加速器(多选)如图是一个回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连现分别加速氘核(H)和氦核(He)，下列说法中正确的是()A它们的最大速度相同B它们的最大动能相同C两次所接高频电源的频率相同D仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能解析：由R得最大速度v，两粒子的相同，所以最大速度相同，A正确；最大动能Ekmv2，因为两粒子的质量不同，最大速度相同，所以最大动能不同，B错误；高频电源的频率f，因为相同，所以两次所接高频电源的频率相同，C正确；粒子的最大动能与高频电源的频率无关，D错误答案：AC热点二带电粒子在组合场中的运动 (师生共研)“磁偏转”和“电偏转”的比较电偏转磁偏转偏转条件带电粒子以vE进入匀强电场(不计重力)带电粒子以vB进入匀强磁场(不计重力)受力情况只受恒定的电场力FEq只受大小恒定的洛伦兹力FqvB运动情况类平抛运动匀速圆周运动运动轨迹求解方法利用类平抛运动的规律xv0t，yat2，a，tan 牛顿第二定律、向心力公式r，T，t典例1如图所示，一质量m11016 kg、电荷量q2106 C的带正电微粒(重力不计)，从静止开始经电压U1400 V的加速电场加速后，水平进入两平行金属板间的偏转电场中，金属板长L1 m，两极间距d m，微粒射出偏转电场时的偏转角30，接着进入一方向垂直于纸面向里的匀强磁场区，该匀强磁场的磁感应强度大小B T，微粒在磁场中运动后恰能从右边界射出求：(1)微粒进入偏转电场时的速度大小v0；(2)两金属板间的电压U2；(3)微粒在磁场中的运动时间t和匀强磁场的宽度D.解析：(1)带电微粒在加速电场中，由动能定理有qU1mv解得v04106 m/s.(2)带电微粒在偏转电场中运动时attan 联立解得U2400 V.(3)带电微粒在磁场中运动，恰好从右边界射出，对应圆周运动的圆心角为120，由洛伦兹力提供向心力，有qvBm可得rT带电微粒在磁场中的时间t11010 s由几何关系可知Drrsin ，又cos 解得D104 m.答案：(1)4106 m/s(2)400 V(3)11010 s104 m反思总结“3步”突破带电粒子在组合场中的运动问题第1步：分阶段(分过程)按照时间顺序和进入不同的区域分成几个不同的阶段；第2步：受力和运动分析，主要涉及两种典型运动，如下：第3步：用规律如图所示，真空中有一以(r,0)为圆心，半径为r的圆柱形匀强磁场区域，磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向里，在yr的范围内，有方向水平向左的匀强电场，电场强度的大小为E；从O点向不同方向发射速率相同的质子，质子的运动轨迹均在纸面内已知质子的电荷量为e，质量为m，质子在磁场中的偏转半径也为r，不计重力及阻力的作用，求：(1)质子射入磁场时的速度大小；(2)速度方向沿x轴正方向射入磁场的质子，到达y轴所需时间及与y轴交点坐标解析：(1)质子射入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得evBm，可得v.(2)质子沿x轴正方向射入磁场，经圆弧后，以速度v垂直于电场方向进入电场，由于T，质子在磁场中运动的时间为t1.质子进入电场后做类平抛运动，沿电场方向运动r后到达y轴，因此有rat，则t2.所求时间为tt1t2.与y轴的交点：yrrBr，x0.答案：(1)(2)(0，rBr)热点三带电粒子在叠加场中的运动 (师生共研)带电体在复合场中运动的归类分析1磁场力、重力并存(1)若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动(2)若重力和洛伦兹力不平衡，则带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒2电场力、磁场力并存(不计重力)(1)若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动(2)若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电体做复杂的曲线运动，可用动能定理求解3电场力、磁场力、重力并存(1)若三力平衡，带电体做匀速直线运动(2)若重力与电场力平衡，带电体做匀速圆周运动(3)若合力不为零，带电体可能做复杂的曲线运动，可用能量守恒定律或动能定理求解典例2如图所示，绝缘粗糙的竖直平面MN左侧同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场方向水平向右，电场强度大小为E，磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度大小为B.一质量为m、电荷量为q的带正电的小滑块从A点由静止开始沿MN下滑，到达C点时离开MN做曲线运动A、C两点间距离为h，重力加速度为g.(1)求小滑块运动到C点时的速度大小vC；(2)求小滑块从A点运动到C点过程中克服摩擦力做的功Wf；(3)若D点为小滑块在电场力、洛伦兹力及重力作用下运动过程中速度最大的位置，当小滑块运动到D点时撤去磁场，此后小滑块继续运动到水平地面上的P点已知小滑块在D点时的速度大小为vD，从D点运动到P点的时间为t，求小滑块运动到P点时速度的大小vP.解析：(1)小滑块沿MN运动过程，水平方向受力满足qvBFNqE小滑块在C点离开MN时，有FN0解得vC.(2)由动能定理得mghWfmv0解得Wfmgh.(3)如图，小滑块速度最大时，速度方向与电场力、重力的合力方向垂直撤去磁场后小滑块将做类平抛运动，等效加速度为g，则g且vvg2t2解得vP.答案：(1)(2)mgh (3) 反思总结遵循“解题流程”，规范答题31.电场、磁场、重力场 如图所示，空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场，一带电液滴从静止开始自A点沿曲线ACB运动，到达B点时，速度为零，C点是运动的最低点，则以下叙述错误的是()A液滴一定带负电B液滴在C点时动能最大C液滴在C点电势能最小 D液滴在C点机械能最小解析：液滴偏转是由于受洛伦兹力作用，据左手定则可判断液滴一定带负电，A正确；液滴所受电场力必向上，而液滴能够从静止向下运动，是因为重力大于电场力，由AC合力做正功，故在C处液滴的动能最大，B正确；而由于AC克服电场力做功最多，电势能增加最多，又机械能与电势能的和不变，因此，由AC机械能减小，故液滴在C点机械能最小，C错误，D正确答案：C32.电场、磁场、重力场 在如图所示的真空环境中，匀强磁场方向水平、垂直纸面向外，磁感应强度B2.5 T；匀强电场方向水平向左，电场强度E N/C.一个带负电的小颗粒质量m3.0107 kg，带电荷量q3.0106 C，带电小颗粒在这个区域中刚好做匀速直线运动(g取10 m/s2)则()A这个带电小颗粒一定沿与水平方向成30向右下方做匀速直线运动B这个带电小颗粒做匀速直线运动的速度大小为0.4 m/sC若小颗粒运动到图中P点时，把磁场突然撤去，小颗粒将做匀加速直线运动D撤去磁场后，小颗粒通过与P点在同一电场线上的Q点，那么从P点运动到Q点所需时间为0.08 s解析：带电小颗粒受力如图：tan ，所以30，由左手定则可知带负电小颗粒运动方向应与水平方向成60角斜向右上方，由平衡条件可得qvB，解得v0.8 m/s，A、B错误；撤去磁场后，小颗粒受到的重力和电场力的合力与速度方向垂直，故小颗粒将做匀变速曲线运动(类平抛运动)，C错误；加速度大小为a2g20 m/s2，方向与水平方向成30 角斜向右下方，在竖直方向上，小颗粒做初速度为vsin 60、加速度为g的竖直上抛运动，从P点运动到Q点所需时间为t0.08 s，D正确答案：D热点四带电粒子在交变场中的运动 (师生共研)解决带电粒子在交变电、磁场中的运动问题的基本思路先读图看清、并明白场的变化情况受力分析分析粒子在不同的变化场区的受力情况过程分析分析粒子在不同时间内的运动情况找衔接点找出衔接相邻两过程的物理量选规律联立不同阶段的方程求解典例3如图甲所示，M、N为竖直放置且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规律如图乙所示(垂直纸面向里为正)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，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(1)求磁感应强度B0的大小；(2)要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，求正离子射入磁场时的速度v0的可能值思路点拨(1)正离子做匀速圆周运动的周期等于磁场的变化周期，由此可求出磁感应强度(2)画出正离子在磁场中的运动轨迹，求出轨迹半径与d的几何关系即可求出速度的可能值解析：(1)设磁场方向垂直于纸面向里时为正，正离子射入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有B0qv0m粒子运动的周期T0联立两式得磁感应强度B0.(2)正离子从O孔垂直于N板射出磁场时，运动轨迹如图所示在两板之间正离子只运动一个周期T0时，有r在两板之间正离子运动n个周期即nT0时，有r(n1,2,3)解得v0(n1,2,3)答案：(1)(2)(n1,2,3)反思总结分析带电粒子在交变磁场中的运动，首先必须明确粒子运动的周期与磁场变化的周期之间的关系，正确作出粒子在磁场中随磁场变化的运动轨迹图，然后灵活运用粒子做圆周运动的规律进行解答还要注意对题目中隐含条件的挖掘，分析不确定因素，力求使解答准确、完整电视机显像管中需要用变化的磁场来控制电子束的偏转图(a)为显像管工作原理示意图，阴极K发射的电子束(初速不计)经电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，磁场方向垂直于圆面(以垂直圆面向里为正方向)，磁场区的中心为O，半径为r，荧光屏MN到磁场区中心O的距离为L.当不加磁场时，电子束将通过O点垂直打到屏幕的中心P点当磁场的磁感应强度随时间按图(b)所示的规律变化时，在荧光屏上得到一条长为2L的亮线由于电子通过磁场区的时间很短，可以认为在每个电子通过磁场区的过程中磁感应强度不变已知电子的电荷量为e，质量为m，不计电子之间的相互作用及所受的重力求：(1)电子打到荧光屏上时速度的大小；(2)磁感应强度的最大值B0.解析：(1)电子打到荧光屏上时速度的大小等于它飞出加速电场时的速度大小，设为v，由动能定理eUmv2；解得v.(2)当交变磁场为峰值B0时，电子束有最大偏转，电子打在荧光屏上Q点，PQL.电子运动轨迹如图所示，设此时的偏转角度为，由几何关系可知，tan ，60.根据几何关系，电子束在磁场中运动路径所对的圆心角而tan .由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得evB0；解得B0.答案：(1) (2)1质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”则下列判断正确的是( A )A进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚B进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚Da、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚2如图所示，一带电塑料小球质量为m，用丝线悬挂于O点，并在竖直平面内摆动，最大摆角为60，水平磁场垂直于小球摆动的平面当小球自左方摆到最低点时，悬线上的张力恰为零，则小球自右方最大摆角处摆到最低点时悬线上的张力为( C )A0B2mgC4mg D6mg3(多选)导体导电是导体中自由电荷定向移动的结果，这些可以定向移动的电荷又叫载流子，例如金属导体中的载流子就是电子现代广泛应用的半导体材料分为两大类：一类是N型半导体，其载流子是电子，另一类是P型半导体，其载流子称为“空穴”，相当于带正电的粒子如果把某种导电材料制成长方体放在匀强磁场中，磁场方向如图所示，且与长方体的前后侧面垂直，当长方体中通有向右的电流I时，测得长方体的上下表面的电势分别为上和下，则( AC )A长方体如果是N型半导体，必有上下B长方体如果是P型半导体，必有上下C长方体如果是P型半导体，必有上下D长方体如果是金属导体，必有上下4如图所示，在y轴左侧的区域内存在方向与x轴同向的匀强电场，电场强度为E.在y轴右侧以原点O为圆心、半径为R的半圆形区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面并指向纸面里，磁感应强度为B.x轴上的A点与O点的距离为d.一质量为m、电荷量为q的带正电粒子从A点由静止释放，经电场加速后从O点射入磁场不计粒子的重力作用(1)求粒子在磁场中运动的轨道半径r；(2)要使粒子进入磁场之后不再经过y轴，电场强度需大于或等于某个值E0，求E0；(3)若电场强度E等于第(2)问中E0的，求粒子经过y轴时的位置解析：(1)粒子在电场中做匀加速运动，则有Eqma，v22ad.粒子进入磁场中做匀速圆周运动，则有qvBm.联立以上各式解得r.(2)粒子进入磁场之后恰好不再经过y轴，则粒子离开磁场时的速度方向与y轴平行，由几何关系可得rR.联立以上各式解得E0.(3)将EE0代入可得在磁场中运动的轨道半径r.带电粒子运动轨迹如图所示，则有cos ，即30，260.粒子第一次经过y轴时y1r联立以上各式解得y1R.此后粒子进入电场中做类斜抛运动，设在电场中运动的时间为t，沿y轴方向上运动的距离为y，则有yvcos 30t，vsin 30a.联立解得yd.则粒子第二次经过y轴时y2(Rd)答案：(1)(2)(3)(0，R)和0，(Rd)A组基础题1(2017全国卷)如图，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上(与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里，三个带正电的微粒a，b，c电荷量相等，质量分别为ma，mb，mc，已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动下列选项正确的是( B )Amambmc BmbmamcCmcmamb Dmcmbma2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，它的构造原理如图所示粒子源S发出两种带正电的同位素粒子甲和乙，两种粒子从S出来时速度很小，可忽略不计粒子经过加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场(图中线框所示)，最终打到照相底片上测得甲、乙两种粒子打在照相底片上的点到入射点的距离之比为54.则它们在磁场中运动的时间之比是( C )A54 B45C2516 D16253(多选)某型号的回旋加速器的工作原理图如图甲所示，图乙为俯视图回旋加速器的核心部分为D形盒，D形盒置于真空容器中，整个装置放在电磁铁两极之间的磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与D形盒面垂直两盒间狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计质子从粒子源A处进入加速电场的初速度不计，从静止开始加速到出口处所需的时间为t，已知磁场的磁感应强度大小为B，质子质量为m、电荷量为q，加速器接一高频交流电源，其电压为U，可以使质子每次经过狭缝都能被加速，不考虑相对论效应和重力作用则下列说法正确的是( AB )A质子第一次经过狭缝被加速后，进入D形盒运动轨迹的半径r BD形盒半径RC质子能够获得的最大动能为D加速质子时的交流电源频率与加速粒子的交流电源频率之比为114(多选) 如图所示，甲是一个带正电的小物块，乙是一个不带电的绝缘物块，甲、乙叠放在一起静置于粗糙的水平地板上，地板上方空间有水平方向的匀强磁场现用水平恒力拉乙物块，使甲、乙一起保持相对静止向左加速运动，在加速运动阶段，下列说法正确的是( ACD )A甲对乙的压力不断增大B甲、乙两物块间的摩擦力不断增大C乙对地板的压力不断增大D甲、乙两物块间的摩擦力不断减小5(多选)如图所示，两平行金属板水平放置，开始时开关S合上使平行板电容器带电板间存在垂直于纸面向里的匀强磁场一个不计重力的带电粒子恰能以水平向右的速度沿直线通过两板在以下方法中，能使带电粒子仍沿水平直线通过两板的是( BD )A将两板的距离增大一倍，同时将磁感应强度增大一倍B将两板的距离减小一半，同时将磁感应强度增大一倍C将开关S断开，两板间的正对面积减小一半，同时将板间磁场的磁感应强度减小一半D将开关S断开，两板间的正对面积减小一半，同时将板间磁场的磁感应强度增大一倍6(2019河南中原名校质检)如图所示，空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场区域匀强电场的场强大小为E、方向竖直向上，宽度为L，区域匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外；区域匀强磁场的磁感应强度大小也为B，方向垂直纸面向里，一个不计重力的带正电的粒子，其比荷为，从电场的下边缘的O点由静止开始运动，穿过区域进入区域后，又回到原点，然后重复上述运动过程(1)为使粒子能完成上述运动，区域的最小宽度为多大？(2)粒子从O点开始运动全过程的周期T为多大？(结果用B、E、L、 的最简形式表示)解析：(1)电场中加速qELmv2磁场中偏转qvBm粒子的运动轨迹如图所示，三段圆弧的圆心连线组成等边三角形，则区域的最小宽度dRRsin60联立解得d(2)L；(2)在电场中Lt磁场中T总时间t2t1.答案：(1)(2)L(2)B组能力题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，其构造原理如图所示，离子源S产生质量为m、电荷量为q、初速度为0的某种正离子，离子经过电压U加速后形成离子流，然后从S1处垂直于磁场进入矩形ABCD区域内的匀强磁场中，运动半周到达记录它的照相底片上的P点，已知P与S1的距离为x，离子形成的等效电流为I.求：(1)磁场的磁感应强度；(2)在时间t内到达照相底片P上的离子个数解析：(1)加速过程中有qUmv2，在磁场中偏转过程中有x2R，qvBm.联立上式解得：B，由左手定则可判断出磁场方向垂直于纸面向外(2)时间t内，n，又QIt，可得n.答案：(1)B ，方向垂直于纸面向外(2)8如图，静止于A处的离子，经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，从P点垂直CF进入矩形区域的有界匀强电场，电场方向水平向左静电分析器通道内有均匀辐射分布的电场，已知圆弧虚线的半径为R，其所在处电场强度为E，方向如图所示离子质量为m、电荷量为q，2d，3d，离子重力不计(1)求加速电场的电压U；(2)若离子恰好能打在Q点上，求矩形区域QFCD内匀强电场的电场强度E0的值；(3)若撤去矩形区域QFCD内的匀强电场，换为垂直于纸面向里的匀强磁场，要求离子能最终打在QF上