高考物理大一轮复习专题带电粒子在复合场中的运动课件.ppt

第3讲 带电粒子在复合场中的运动,一、复合场与组合场,电场,磁场,重力场,1.复合场：_、_、_共存，或其中,某两种场共存区域.,电场,磁场,2.组合场：_与_各位于一定的区域内，并 不重叠，或在同一区域内，电场、磁场分时间段或分区域交替 出现.,3.重力考虑与否分三种情况,很小,忽略,(1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交 代就可以不计其重力，因为其重力一般情况下与电场力或磁场 力相比_，可以_；而对于一些实际物体，如带 电小球、液滴、金属块等不做特殊交代时就应当考虑其重力. (2)在题目中有明确交代的是否要考虑重力的，这种情况比 较正规，也比较简单. (3)对未知的带电粒子其重力是否可忽略又没有明确时，可 采用假设法判断，假设重力计或者不计，结合题给条件得出的 结论若与题意相符则假设正确，否则假设错误.,二、带电粒子在组合场或复合场中运动的实例 1.质谱仪 (1)用途：测量带电粒子的质量和分析同位素. (2)原理：如图 8-3-1 所示，先用电场加速，再进入磁场偏,图 8-3-1,2.回旋加速器 (1)用途：产生大量高能量带电粒子. (2)原理：如图 8-3-2 所示，电场用来对粒子加速，磁场用 来使粒子回旋从而能反复加速；回旋加速器中所加交变电压的 频率 f 与带电粒子做匀速圆周运动的频率相等；回旋加速器最,粒子电量、质量和磁感应强度一定的情况下，回旋加速器的半 径 R 越大，粒子的能量就越大. 图 8-3-2,3.速度选择器(如图 8-3-3 所示) 图 8-3-3 (1)平行板中电场强度 E 和磁感应强度 B 互相垂直.这种装置 能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器. (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 qE,qvB，即 v_，与粒子的电性、电荷量和质量无关.,4.磁流体发电机 (1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为,电能.,正,(2)根据左手定则，如图 8-3-4 所示的 B 板是发电机_极. (3)磁流体发电机两极板间的距离为 l，等离子体速度为 v， 磁场磁感应强度为 B，则两极板间能达到的最大电势差 UBlv. 图 8-3-4,5.电磁流量计 电磁流量计的构造和原理：如图 8-3-5 所示，一圆形(也可 是其他形状)导管的直径为 d，用非磁性材料制成，其中有可以 导电的液体在管内流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子) 在洛伦兹力作用下发生偏转，使 a、b 间出现电势差.当自由电 荷所受到的电场力与洛伦兹力平衡时，a、b 间的电势差就保持 稳定. 图 8-3-5,【基础检测】 1.(多选)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能 直接转化为电能，如图 8-3-6 所示是它的示意图.平行金属板 A、 B 之间有一个很强的磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气 体，含有大量正、负离子)喷入磁场，A、B 两板间便产生电压. 如果把 A、B 和用电器连接，A、B 就是直流电源的两个电极， 设 A、B 两板间距为 d，磁感应强度为 B，等离子体以速度 v 沿垂直于磁场的方向射入 A、B 两板之间，则下列说法正确的,是(,),A.A 是直流电源的正极 B.B 是直流电源的正极 C.电源的电动势为 Bdv,D.电源的电动势为 qvB,图 8-3-6,解析：等离子体喷入磁场，正离子因受向下的洛伦兹力而 向下偏转，B 是直流电源的正极，则选项 B 正确；当带电粒子 Bdv，则选项 C 正确. 答案：BC,2.(多选)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意 图如图 8-3-7 所示.置于真空中的“D”形金属盒半径为 R，两盒间 的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略.磁感应强度为 B 的匀 强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为 f，加速电压为 U.若 A 处粒子源产生质子的质量为 m、电荷量为q，在加速器中被加 速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说法,正确的是(,),A.质子被加速后的最大速度不可能超过 2Rf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与 加速电压 U 成正比 C.质子第 2 次和第 1 次经过两“D”形盒间 狭缝后轨道半径之比为 1 D.不改变磁感应强度 B 和交流电频率 f，,图 8-3-7,该回旋加速器的最大动能不变 答案：AC,考点 1 带电粒子在组合场中的运动 重点归纳,1.在匀强电场、匀强磁场中可能的运动性质,2. “电偏转”和“磁偏转”的比较,(续表),典例剖析,例 1：(2015 年广东惠州一调)如图 8-3-8 所示.一电子(其重 力不计，质量为 m、电荷量为 e)由静止开始，经加速电场加速 后，水平向右从两板正中间射入偏转电场.偏转电场由两块水平 平行放置的长为 l、相距为 d 的导体板组成，当两板不带电时， 电子通过两板之间的时间为 t0，当在两板间加电压为 U0 时，电 子可射出偏转电场，并射入垂直纸面向里的匀强磁场，最后打 在磁场右侧竖直放置的荧光屏上.磁场的水平宽度为 s，竖直高 度足够大.求：,(1)加速电场的电压.,(2)电子在离开偏转电场时的侧向位移.,(3)要使电子能垂直打在荧光屏上，匀强磁场的磁感应强度,为多大？,图 8-3-8,思维点拨：(1)根据粒子在偏转电场中水平方向上做匀速直 线运动，求出水平速度，通过动能定理求出加速电场的电压.(2) 根据电子在偏转电场中水平方向上做匀速直线运动，竖直方向 上做匀加速直线运动，抓住等时性，结合牛顿第二定律和运动 学公式求出侧向位移.(3)结合粒子在磁场中运动的轨道半径，通 过洛伦兹力提供向心力求出磁感应强度的大小.,备考策略：粒子垂直电场方向进入电场做类平抛运动，首 先对运动进行分解，在两个分运动上求出分位移和分速度，然 后再合成来解决问题.“切换”到偏转磁场时，运动的轨迹、性 质等发生变化，自然地，我们又把目光转向粒子在磁场中做匀 速圆周运动，可以根据进出磁场的速度方向确定轨迹圆心，根 据几何关系求出轨道半径和运动时间.两场区“切换”时，抓住 边界“切换”点的速度方向是解题的关键所在.,接收，已知OC与x轴的夹角为37，OA d，求：,【考点练透】,1.如图 8-3-9 所示，在坐标系 xOy 的第一象限内斜线 OC 的 上方存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 B，第四象 限内存在磁感应强度大小未知、方向垂直纸面向里的匀强磁场， 第三象限内存在沿 y 轴负方向的匀强电场，在 x 轴负半轴上有 一接收屏 GD，GD2ODd，现有一带电粒子(不计重力)从 y 轴上的 A 点，以初速度 v0 水平向右垂直射入匀强磁场，恰好垂 直 OC 射出，并从 x 轴上的 P 点(未画出)进入第四象限内的匀强 磁场，粒子经磁场偏转后又垂直 y 轴进入匀强电场并被接收屏,(1)粒子的电性及比荷 .,q,m,(2)第四象限内匀强磁场的磁感应强度 B的大小. (3)第三象限内匀强电场的电场强度 E 的大小范围.,图 8-3-9,解：(1)粒子运动轨迹如图 D32 所示，由左手定则可知粒子,带负电,图 D32,(3)粒子在匀强电场中做类平抛运动，由图知 OQr rsin 372d,考点 2 带电粒子在复合场中的运动 重点归纳,1.三种场力的特点,2.常用结论,(1)带电粒子在三个场共同作用下做匀速圆周运动：必然是,电场力和重力平衡，而洛伦兹力充当向心力.,(2)带电粒子在三个场共同作用下做直线运动：重力和电场 力是恒力，它们的合力也是恒力.当带电粒子的速度平行于磁场 时，不受洛伦兹力，因此可能做匀速运动也可能做匀变速运动； 当带电粒子的速度垂直于磁场时，一定做匀速运动.,典例剖析,例 2：(2016 年吉林长春外国语学校质检)如图 8-3-10 所示， 直角坐标系 xOy 位于竖直平面内，在第四象限存在匀强磁场和 匀强电场，磁场的磁感应强度为 B，方向垂直 xOy 平面向里， 电场线平行于 y 轴，一质量为 m，电荷量大小为 q 的带负电的 小球，从 y 轴上的 A 点水平向右抛出，经 x 轴上的 M 点进入电 场和磁场，恰能做匀速圆周运动，最后从 y 轴上的 N 点沿垂直 于 y 轴的方向离开电场和磁场，ON 之间的距离为 L.小球过 M 点时速度方向与 x 轴正方向夹角为，不计空气阻力，重力加速 度为 g，求：,(1)电场强度 E 的大小和方向.,(2)小球从 A 点抛出时初速度 v0 的大小. (3)A 点到 x 轴的高度 h.,图 8-3-10,思维点拨：由题意可知，由 A 点到 M 点小球做平抛运动， 进入复合场后，小球所受重力和电场力平衡，洛伦兹力为小球 做圆周运动提供向心力. 解：(1)小球在电场、磁场中恰好做匀速圆周运动，其所受,电场力与重力平衡，则有 Eqmg，解得 E,mg q,，重力的方向,竖直向下，电场力的方向应竖直向上，由于小球带负电，则电 场强度方向竖直向下. (2)小球做匀速圆周运动，如图 8-3-11 所示，设半径为 R， 由几何关系得,R,图 8-3-11,L 1cos ,小球做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，设小球做 匀速圆周运动的速率为 v，则有,m(1cos ),Bqvm,v2 R,由速度的合成与分解知 v0vcos 由式解得,v0,qBLcos ,.,(3)设小球到 M 点时的竖直方向分速度为 vy，则,vyvsin ,竖直方向上由匀变速直线运动规律可知,备考策略：处理这类综合题，应把握以下几点：(1)熟悉电 场力、磁场力大小的计算和方向的判别.(2)熟悉带电粒子在匀强 电场、匀强磁场中的基本运动，如加速、偏转、匀速圆周运动 等.(3)通过详细地分析带电体运动的全部物理过程，找出与此过 程相应的受力情况及物理规律，遇到临界情况或极值情况，则 要全力找出出现此情况的条件.(4)在“力学问题”中，主要应用 牛顿运动定律结合运动学公式、动能定理、动量定理和动量守 恒定律等规律来处理.,【考点练透】 2.(2016 年天津卷)如图 8-3-12 所示，空间中存在着水平向 右的匀强电场，电场强度大小 E N/C，同时存在着水平方 向的匀强磁场，其方向与电场方向垂直，磁感应强度大小 B,0.5 T.有一带正电的小球，质量 m1106 kg，电荷量 q 2,106 C ，正以速度 v 在图示的竖直面内做匀速直线运动，当经 过 P 点时撤掉磁场( 不考虑磁场消失引起的电磁感应现象) 取 g10 m/s2，求：,图 8-3-12 (1)小球做匀速直线运动的速度 v 的大小和方向. (2)从撤掉磁场到小球再次穿过 P 点所在的这条电场线经历 的时间 t. 解：(1)小球匀速直线运动时受力如图 D33 所示，其所受的,三个力在同一平面内，合力为零，有 qvB,图 D33,代入数据解得 v20 m/s,速度 v 的方向与电场 E 的方向之间的夹角满足,tan ,qE mg,代入数据解得 tan ,60,故小球做匀速直线运动的速度的大小为 20 m/s，