（北京专用）2020版高考物理总复习第十一章第3讲带电粒子在复合场中的运动课件.pptx

第3讲带电粒子在复合场中的运动,一复合场,二带电粒子在复合场中运动的几种情况,知识梳理,考点一带电粒子在电场和磁场中的运动比较,考点二带电粒子在复合场中的运动,考点三带电粒子在交变复合场中的运动,深化拓展,知识梳理,一、复合场,1.定义:复合场是指电场、磁场、重力场并存,或其中某两种场并存的场。带电粒子在这些复合场中运动时,应充分考虑电场力、洛伦兹力和重力的作用或其中某两种力的作用,因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要。,2.三种场的比较,二、带电粒子在复合场中运动的几种情况,1.当带电粒子所受合外力为零时,将处于静止或匀速直线运动状态。,2.当带电粒子做匀速圆周运动时,洛伦兹力提供向心力,其余各力的合力必为零。,3.当带电粒子所受合力大小与方向均变化时,将做非匀变速曲线运动。这类问题一般只能用能量关系来处理。,1.如图,在两水平极板间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向下,磁场方向垂直于纸面向里。一带电粒子以某一速度沿水平直线通过两极板。若不计重力,下列四个物理量中哪一个改变时,粒子运动轨迹不会改变(B),A.粒子速度的大小B.粒子所带的电荷量C.电场强度D.磁感应强度,解析粒子以某一速度沿水平直线通过两极板,其受力平衡,有Eq=Bqv,则知当粒子所带的电荷量改变时,粒子所受的合力仍为0,运动轨迹不会改变,故B项正确。,2.(多选)如图所示,空间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场的方向竖直向下,磁场方向水平(图中垂直纸面向里),一带电油滴P恰好处于静止状态,则下列说法正确的是(CD),A.若撤去电场,P可能做匀加速直线运动B.若撤去磁场,P可能做匀加速直线运动C.若给P一初速度,P可能做匀速直线运动D.若给P一初速度,P可能做顺时针方向的匀速圆周运动,解析由于P处于静止状态,由受力分析知电场力方向向上,则P带负电。若撤去电场,油滴在重力作用下运动,受重力和磁场力作用,由于磁场方向与速度垂直,油滴必做曲线运动,故A错;若撤去磁场,受重力和电场力仍处于平衡状态,故B错;若所给初速度的方向与磁场方向平行,油滴只受重力和电场力处于平衡状态,做匀速直线运动。若所给初速度的方向向上与磁场方向垂直,合力等于洛伦兹力,油滴做顺时针方向的匀速圆周运动,故C、D正确。,3.如图所示,在匀强电场和匀强磁场共存的区域内,电场的场强为E,方向竖直向下,磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,一质量为m的带电粒子,在场区内的一竖直平面内做匀速圆周运动,则可判断该带电粒子(C),A.带有电荷量为的正电荷B.沿圆周逆时针运动C.运动的角速度为D.运动的速度为,解析带电粒子在竖直平面内做匀速圆周运动,有mg=qE,求得电荷量q=,根据电场强度方向和电场力方向判断出粒子带负电,A错;由左手定则可判断粒子沿顺时针方向运动,B错;由qvB=mv得=,则=,C对,D错。,深化拓展,考点一带电粒子在电场和磁场中的运动比较,1.“磁偏转”和“电偏转”的区别,2.带电粒子在分离电场、磁场中运动问题的求解方法,1-1(2017西城期末)利用电场和磁场来控制带电粒子的运动,在现代科学实验和技术设备中有广泛的应用。如图1所示为电子枪的结构示意图,电子从炽热的金属丝中发射出来,在金属丝和金属板之间加以电压U0,发射出的电子在真空中加速后,沿电场方向从金属板的小孔穿出做直线运动。已知电子的质量为m,电荷量为e,不计电子重力及电子间的相互作用力。设电子刚刚离开金属丝时的速度为零。,图1,(1)求电子从金属板小孔穿出时的速度v0的大小;(2)示波器中的示波管是利用电场来控制带电粒子的运动。如图2所示,Y和Y为间距为d的两个偏转电极,两板长度均为L,极板右侧边缘与屏相距x,OO为两极板间的中线并与屏垂直,O点为电场区域的中心点。从金属板小孔穿出的电子束沿OO射入电场中,若两板间不加电场,电子打在屏上的O点。为了使电子打在屏上的P点,P与O相距h,已知电子离开电场时速度方向的反向延长线过O点。则需要在两极板间加多大的电压U;,图2,(3)电视机中显像管的电子束偏转是用磁场来控制的。如图3所示,有一半径为r的圆形区域,圆心a与屏相距l,b是屏上的一点,ab与屏垂直。从金属板小孔穿出的电子束沿ab方向进入圆形区域,若圆形区域内不加磁场时,电子打在屏上的b点。为了使电子打在屏上的c点,c与b相距l,则需要在圆形区域内加垂直于纸面的匀强磁场。求这个磁场的磁感应强度B的大小。,图3,答案(1)(2)(3),解析(1)电子在电场中运动,根据动能定理eU0=m解得电子穿出小孔时的速度v0=(2)电子进入偏转电场做类平抛运动,在垂直于极板方向做匀加速直线运动。设电子刚离开电场时垂直于极板方向偏移的距离为y根据匀变速直线运动规律y=at2根据牛顿第二定律a=电子在水平方向做匀速直线运动L=v0t,联立解得y=由图可知=解得U=,(3)电子以速度v0在磁场中沿圆弧AB运动,圆心为D,半径为R,如图所示。洛伦兹力提供向心力有ev0B=m电子离开磁场时偏转角度为,由图可知,tan=得=60tan=解得B=,1-2(2018丰台期末)如图所示,在荧光屏的左侧空间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向下,电场强度为E=2103N/C,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度为B=0.2T。场中A点与荧光屏的距离为L=0.4m。一个带正电的粒子,从A点以某一速度垂直射向荧光屏,恰好能够做匀速直线运动,打在屏上的O点(不计粒子重力)。(1)求粒子做匀速直线运动的速度大小v;(2)若撤去磁场,保持电场不变,粒子只在电场力的作用下运动,打在屏上的位置距O点的距离y1=0.16m,求粒子的比荷;,(3)若撤去电场,保持磁场不变,粒子只在磁场力的作用下运动,求打在屏上的位置与O点的距离y2。,答案(1)1104m/s(2)1105C/kg(3)0.2m,解析(1)由于带电粒子在电场和磁场中恰好做匀速直线运动,所以qvB=qE解得v=1104m/s(2)带电粒子在电场中做类平抛运动,垂直电场方向做匀速直线运动t=平行电场方向做匀加速直线运动y1=at2,a=联立解得=1105C/kg(3)带电粒子在磁场中做圆周运动,轨迹如图,洛伦兹力提供向心力qvB=m解得R=0.5m由图得R2=L2+(R-y2)2联立解得y2=0.2m,考点二带电粒子在复合场中的运动,一、带电粒子在无约束的复合场中的运动,1.常见运动形式的分析(1)带电粒子在复合场中做匀速圆周运动带电粒子进入匀强电场、匀强磁场和重力场共同存在的复合场中,重力和电场力等大反向,两个力的合力为零,粒子运动方向和磁场方向垂直时,带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。,(2)带电粒子在匀强电场、匀强磁场和重力场中的直线运动自由的带电粒子(无轨道约束),在匀强电场、匀强磁场和重力场中的直线运动应该是匀速直线运动,这是因为电场力和重力都是恒力,若它们的合力不与洛伦兹力平衡,则带电粒子速度的大小和方向都会改变,就不可能做直线运动。(粒子沿磁场方向运动除外),2.带电粒子在复合场中运动的处理方法(1)搞清楚复合场的组成,一般是磁场、电场的复合;磁场、重力场的复合;磁场、重力场、电场的复合;电场和磁场分区域存在。(2)正确进行受力分析。(3)确定带电粒子的运动状态。注意将运动情况和受力情况结合进行分析。(4)对于粒子连续经过几个不同场的情况,要分段进行分析、处理。(5)画出粒子的运动轨迹,灵活选择不同的运动规律。,2-1(2017东城一模)如图所示,将一个质量为m、电荷量为+q的小球,以初速度v0自h高处水平抛出。不计空气阻力影响。重力加速度为g。,(1)求小球落地点与抛出点的水平距离;(2)若在空间中加一个匀强电场,小球水平抛出后做匀速直线运动,求该匀强电场的场强大小及方向;(3)若在空间中除加(2)中电场外,再加一个垂直纸面的匀强磁场,小球水平抛出后做匀速圆周运动,且落地点与抛出点的水平距离也为h,求磁场的磁感应强度大小及方向。,答案(1)v0(2)竖直向上(3)垂直于纸面向外,解析(1)小球做平抛运动有s=v0th=gt2解得小球落地点与抛出点的水平距离s=v0(2)空间中加一匀强电场,小球做匀速直线运动,小球所受合力为零根据平衡条件有mg=qE解得电场强度大小E=电场方向:竖直向上(3)空间中再加一垂直纸面的匀强磁场,小球做匀速圆周运动,洛伦兹力,充当向心力,设圆周运动的半径为R根据牛顿第二定律有qv0B=m由题知R=h解得磁感应强度大小B=磁场方向:垂直于纸面向外,2-2(2018朝阳二模)根据牛顿力学经典理论,只要物体的初始条件和受力情况确定,就可以预知物体此后的运动情况。(1)如图1所示,空间存在水平方向的匀强磁场(垂直纸面向里),磁感应强度大小为B,一质量为m、电荷量为+q的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,经过M点时速度的大小为v,方向水平向左。不计粒子所受重力。求粒子做匀速圆周运动的半径r和周期T。(2)如图2所示,空间存在竖直向下的匀强电场和水平的匀强磁场(垂直纸面向里),电场强度大小为E,磁感应强度大小为B。一质量为m、电荷量,为+q的带电粒子在场中运动,不计粒子所受重力。a.若该带电粒子在场中做水平向右的匀速直线运动,求该粒子速度v的大小;b.若该粒子在M点由静止释放,其运动将比较复杂。为了研究该粒子的运动,可以应用运动的合成与分解的方法,将它为0的初速度分解为大小相等的水平向左和水平向右的速度。求粒子沿电场方向运动的最大距离ym和运动过程中的最大速率vm。,答案(1)(2)a.b.,解析(1)根据牛顿第二定律有qvB=m所以r=T=(2)a.根据牛顿第二定律有qvB-qE=0所以v=,b.带电粒子由静止释放,其初速度可分解为大小相等的水平向左和水平向右的速度,设为v0,令v0=,则带电粒子的运动可分解为沿水平方向的匀速直线运动和在竖直平面内的匀速圆周运动。圆周运动的轨道半径r=。所以ym=2r=vm=2v0=,二、带电粒子在复合场中有约束情况下的运动带电粒子在复合场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下,常见的运动形式有直线运动和圆周运动,此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况,并注意洛伦兹力不做功的特点,用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果。,2-3(2018东城一模)如图所示,MDN为在竖直面内由绝缘材料制成的光滑半圆形轨道,半径为R,最高点为M和N,整个空间存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B,一电荷量为+q,质量为m的小球自N点无初速度滑下(始终未脱离轨道),下列说法中正确的是(),A.运动过程中小球受到的洛伦兹力大小不变B.小球滑到D点时,对轨道的压力大于mgC.小球滑到D点时,速度大小是D.小球滑到轨道左侧时,不会到达最高点M,答案C运动过程中,只有重力做功,小球速度大小发生变化,洛伦兹力大小会变,故A错;取ND为研究过程有mgR=m-0,得vD=,故C正确;小球运动到D点时,由牛顿第二定律有N+qvDB-mg=m,解得N=3mg-qB,结合牛顿第三定律知,小球运动到D点时,对轨道的压力不一定大于mg,B错误;小球在整个运动过程中,只有重力做功,机械能守恒,小球滑到轨道左侧时,可以到达最高点M,故D错误。,2-4如图所示,套在很长的绝缘直棒上的小球,质量为1.010-4kg,带4.010-4C正电荷,小球在棒上可以滑动,将此棒竖直放置在沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中,匀强电场的电场强度E=10N/C,方向水平向右,匀强磁场的磁感应强度B=0.5T,方向为垂直于纸面向里,小球与棒间的动摩擦因数为=0.2,求小球由静止沿棒竖直下落的最大加速度和最大速度。(设小球在运动过程中所带电荷量保持不变,g取10m/s2),解析带电小球沿绝缘棒下滑过程中,受竖直向下的重力、竖直向上的摩擦力、水平方向的弹力和洛伦兹力及电场力作用。当小球刚开始下落时,弹力等于电场力,小球在竖直方向所受摩擦力最小,小球加速度最大。小球运动过程中,弹力等于电场力与洛伦兹力之和,随着小球运动速度的增大,小球所受洛伦兹力增大,小球在竖直方向的摩擦力也随之增大,小球加速度减小,速度增大,当小球的加速度为零时,速度达到最大。小球刚开始下落时,加速度最大,设为am,这时竖直方向有mg-Ff=ma,答案2m/s25m/s,在水平方向上有qE-FN=0又Ff=FN得am=代入数据得am=2m/s2小球沿棒竖直下落,当速度最大时,加速度a=0在竖直方向上有mg-Ff=0在水平方向上有qvmB+qE-FN=0又Ff=FN,得vm=代入数据得vm=5m/s,考点三带电粒子在交变复合场中的运动,3-1如图甲所示,宽度为d的竖直狭长区域内(边界为L1、L2),存在垂直纸面向里的匀强磁场和竖直方向上的周期性变化的电场(如图乙所示),电场强度的大小为E0,E0表示电场方向竖直向上。t=0时,一带正电、质量为m的微粒从左边界上的N1点以水平速度v射入该区域,沿直线运动到Q点后,做一次完整的圆周运动,再沿直线运动到右边界上的N2点。Q为线段N1N2的中点,重力加速度为g。上述d、E0、m、v、g为已知量。,甲乙(1)求微粒所带电荷量q和磁感应强度B的大小;(2)求电场变化的周期T;,解析(1)微粒做直线运动,则mg+qE0=qvB微粒做圆周运动,则mg=qE0联立得q=B=(2)设微粒从N1运动到Q的时间为t1,做圆周运动的周期为t2,则=vt1,qvB=m2R=vt2联立得t1=,t2=电场变化的周期T=t1+t2=+(3)若微粒能完成题述的运动过程,要求d2R联立得R=设N1Q段直线运动的最短时间为t1min,得t1min=因t2不变,T的最小值Tmin=t1min+t2=,3-2电视机的显像管中电子束的偏转是应用磁偏转技术实现的。如图1所示为显像管的原理示意图。显像管中有一个电子枪,工作时阴极发射的电子(速度很小,可视为零)经过加速电场加速后,穿过以O点为圆心、半径为r的圆形磁场区域(磁场方向垂直于纸面),撞击到荧光屏上使荧光屏发光。已知电子质量为m、电荷量为e,加速电场的电压为U,在没有磁场时电子束通过O点打在荧光屏正中央的M点,O、M间距离为s。电子所受的重力、电子间的相互作用力均可忽略不计,也不考虑磁场变化所激发的,电场对电子束的作用。由于电子经过加速电场后速度很大,同一电子在穿过磁场的过程中可认为磁场不变。(1)求电子束经偏转磁场后打到荧光屏上时的速率;(2)若磁感应强度随时间变化关系如图2所示,其中B0=,求电子,束打在荧光屏上发光所形成的“亮线”长度;(3)若其他条件不变,只撤去磁场,利用电场使电子束发生偏转。把正弦交变电压加在一对水平放