浙江省严州中学新安江校区高考物理 磁场对运动电荷的作用复习课件.ppt

2014高三物理新课标 严州中学新校区 41磁场对运动电荷的作用 一 洛伦兹力的大小和方向1 大小 f 为v与b的夹角 2 0 或180 时 f 2 90 时 f 3 静止的电荷不受洛伦兹力作用 bqvsin 0 bqv 2 方向 1 左手定则 2 方向特点 f垂直于 决定的平面 即f始终与速度方向垂直 故洛伦兹力 b和v 永不做功 特别提醒 应用左手定则判定负电荷受洛伦兹力方向时 可用两种方法 其一 按照正电荷进行判定 负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反 其二 四指指向负电荷运动的反方向 拇指的指向即为负电荷受力方向 二 带电粒子在匀强磁场中的运动1 若v b 带电粒子不受洛伦兹力 在匀强磁场中做 运动 2 若v b 带电粒子仅受洛伦兹力作用 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 三 洛伦兹力的应用实例1 电视显像管电视显像管是应用电子束 选填 电偏转 或 磁偏转 的原理来工作的 使电子束偏转的 选填 电场 或 磁场 是由两对偏转线圈产生的 显像管工作时 由 发射电子束 利用磁场来使电子束偏转 实现电视技术中的 使整个荧光屏都在发光 磁偏转 磁场 阴极 扫描 加速电场 偏转磁场 2 质谱仪 1 构造 如图所示 由粒子源 和照相底片等构成 2 原理 粒子由静止被加速电场加速 根据动能定理可得关系式 粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转 做匀速圆周运动 根据牛顿第二定律得关系式 由两式可得出需要研究的物理量 如粒子轨道半径 粒子质量 比荷 交流 3 回旋加速器 1 构造 如图所示 d1 d2是半圆金属盒 d形盒的缝隙处接 电源 d形盒处于匀强磁场中 相等 磁感应强度b 半径r 特别提醒 以上实例都应用了在电场中加速 在磁场中偏转 匀速圆周运动 的原理 考点一 洛伦兹力的理解 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 b 1 带电粒子垂直匀强磁场方向运动时 会受到洛伦兹力的作用 下列表述正确的是 a 洛伦兹力对带电粒子做功b 洛伦兹力不改变带电粒子的动能c 洛伦兹力的大小与速度无关d 洛伦兹力不改变带电粒子的速度方向 例 质量为m 带电量为q的小物块从倾角为 的光滑绝缘斜面上由静止下滑 整个斜面置于方向水平向里的匀强磁场中 磁感应强度为b 如图所示 若带电小物块下滑后某时刻对斜面的作用力恰好为零 则下列说法中正确的是 a 小物块一定带负电荷b 小物块在斜面上运动时做匀加速直线运动c 小物块在斜面上运动时做加速度增大且速度也增大的变加速直线运动d 小物块在斜面上下滑过程中 当小物块对斜面压力为零时的速率为 abd 变式题 如图所示 质量为m 电荷量为q的带正电小球中间有一孔 套在足够长的绝缘细杆上 杆与水平方向成 角 杆与球的动摩擦因数为 此装置放在沿水平方向 磁感应强度为b的匀强磁场中 若从高处将小球无初速度释放 小球在下滑过程中加速度的最大值和运动速度的最大值分别是多少 考点二 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动问题 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动 常常需要运用圆周的对称性等数学知识来求解 也常结合几何条件 边界条件 极值条件来求解 在分析时 一般按 画轨迹 找圆心 求半径 定时间 的程序来作图和求解 1 圆心的确定 1 基本思路 与速度方向垂直的直线和图中弦的中垂线一定过圆心 2 两种情形 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 如图甲所示 图中p为入射点 m为出射点 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 如图乙 p为入射点 m为出射点 3 带电粒子在不同边界磁场中的运动 直线边界 进出磁场具有对称性 如图所示 平行边界 存在临界条件 如图所示 圆形边界 沿径向射入必沿径向射出 如图所示 2 半径的确定用几何知识 勾股定理 三角函数等 求出半径大小 3 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 abc 2 如图 在x 0 y 0的空间中有恒定的匀强磁场 磁感应强度的方向垂直于oxy平面向里 大小为b 现有一质量为m 电荷量为q的带电粒子 在x轴上到原点的距离为x0的p点 以平行于y轴的初速度射入此磁场 在磁场作用下沿垂直于y轴的方向射出此磁场 不计重力的影响 由这些条件可知 a 能确定粒子通过y轴时的位置b 能确定粒子速度的大小c 能确定粒子在磁场中运动所经历的时间d 以上三个判断都不对 考点三 带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的多解问题 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的大小 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 如图所示 3 一束质子以不同的速率沿如图所示方向飞入横截面是一个正方形的 方向垂直纸面向里的匀强磁场中 则下列说法中正确的是 a 在磁场中运动时间越长的质子 其轨迹线一定越长b 在磁场中运动时间相同的质子 其轨迹线一定重合c 在磁场中运动时间越长的质子 其轨迹所对圆心角一定越大d 速率不同的质子 在磁场中运动时间一定不同 c 题型一 带电粒子在匀强磁场中的运动 在以坐标原点o为圆心 半径为r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 角 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 规律小结挖掘隐含的几何条件是解决本题的关键 带电粒子在匀强磁场中运动问题 关键是正确画出轨迹 找到圆心 由几何知识结合轨道半径公式求解 1 如图所示 一个理想边界为pq mn的匀强磁场区域 磁场宽度为d 方向垂直纸面向里 一电子从o点沿纸面垂直pq以速度v0进入磁场 若电子在磁场中运动的轨道半径为2d o 在mn上 且oo 与mn垂直 下列判断正确的是 d 题型二 带电粒子在磁场中运动的多解问题 如图所示 在x0的区域中 存在磁感应强度大小分别为b1与b2的匀强磁场 磁场方向均垂直于纸面向里 且b1 b2 一个带负电荷的粒子从坐标原点o以速度v沿x轴负方向射出 要使该粒子经过一段时间后又经过o点 b1与b2的比值应满足什么条件 2 如图所示 一足够长的矩形区域abcd内充满磁感应强度为b 方向垂直纸面向里的匀强磁场 现从矩形区域ad边的中点o处 垂直磁场射入一速度方向与ad边夹角300 大小为v0的带电粒子 已知粒子质量为m 电荷量为q ad边长为l 重力影响不计 试求粒子能从ab边射出磁场的v0值 题型三 带电粒子在匀强磁场中的临界问题 2010年新课标 如图所示 在0 x a 0 y 范围内有垂直于xoy平面向外的匀强磁场 磁感应强度大小为b 坐标原点o处有一个粒子源 在某时刻发射大量质量为m 电荷量为q的带正电粒子 它们的速度大小相同 速度方向均在xoy平面内 与y轴正方向的夹角分布在0 90 范围内 已知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a 2到a之间 从发射粒子到粒子全部离开磁场经历的时间恰好为粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之一 求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的 1 速度的大小 2 速度方向与y轴正方向夹角的正弦 3 如图所示 长为l 间距为d的水平两极板间 有垂直于纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b 两板不带电 现有质量为m 电荷量为q的带正电粒子 重力不计 从左侧两极板的中心处以不同速率v水平速射入 欲使粒子不打在板上 求粒子速率v应满足什么条件 1 有关洛伦兹力和安培力的描述 正确的是 a 通电直导线在匀强磁场中一定受到安培力的作用b 安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现c 带电粒子在匀强磁场中运动受到的洛伦兹力做正功d 通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行 b 2 带电荷量 q的粒子在匀强磁场中运动 下面说法中正确的是 a 只要速度大小相同 所受洛伦兹力就相同b 如果把 q改为 q且速度方向改变 大小不变 则洛伦兹力的大小 方向均不变c 洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直 磁场方向不一定与电荷运动方向垂直d 粒子只受到洛伦兹力作用 运动的动能 速度均不变 c 3 三个速度大小不同的同种带电粒子 沿同一方向从图中长方形区域的匀强磁场上边缘射入 当它们从下边缘飞出时对入射方向的偏角分别为90 60 30 则它们在磁场中运动的时间之比为 a 1 1 1b 1 2 3c 3 2 1d 1 c 4 如图所示 在第 象限内有垂直于纸面向里的匀强磁场 一对正 负电子分别以相同速率与x轴成30 角的方向从原点射入磁场 则正 负电子在磁场中运动的时间之比为 b 5 如图所示 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 1 2010年重庆 如图所示 矩形mnpq区域内有方向垂直于纸面的匀强磁场 有5个带电粒子从图中箭头所示位置垂直于磁场边界进入磁场 在纸面内做匀速圆周运动 运动轨迹为相应的圆弧 这些粒子的质量 电荷量以及速度大小如下表所示 由以上信息可知 从图中a b c处进入的粒子对应表中的编号分别为 a 3 5 4b 4 2 5c 5 3 2d 2 4 5 d 1 粒子在磁场中做圆周运动的半径r及粒子的比荷q m 2 此时刻仍在磁场中的粒子的初速度方向与y轴正方向夹角的取值范围 3 从粒子发射到全部粒子离开磁场所用的时间 3 2010年浙江 有一个放射源水平放射出 和 三种射线 垂直射入如图所示磁场 区域 和 的宽度均为d 各自存在着垂直纸面的匀强磁场 两区域的磁感应强度b大小相等 方向相反 粒子运动不考虑相对论效应 1 若要筛选出速率大于v1的 粒子进入区域 求磁场宽度d与b和v1的关系 2 若b 0 0034t v1 0 1c c是光速 则可得d 粒子的速率为0 001c 计算 和 射线离开区域 时的距离 并给出去除 和 射线的方法 3 当d满足第 1 小题所给关系时 请给出速率在v1 v v2区间的 粒子离开区域 时的位置和方向 8 2磁场对运动电荷的作用 1 8 3磁场对运动电荷的作用 2 11 1 2 速度与y轴的正方向的夹角范围是60 到120 3 从粒子发射到全部离开所用时间为2t0 x 0 y 10 1 滑块受洛伦兹力f洛方向应垂直斜面向上 小滑块应带负电荷 2 3 8 4带电粒子在磁场中运动问题 1 b2 c3 abc 4 x y 0 6 1 2 3 p1 p2 v1 8 5带电粒子在有界区域磁场中的运动 7 1 磁感应强度的方向垂直纸面向外 大小为 2 a p q b c 8 1 设离子从a到c转过的圆心角为2 2 9 1 2 3 只要粒子在磁场中运动的半径 a 0 x c y v0 10 1 2 8 6放射源问题 1 d2 ad 0 2m 4 3 6 1 方向竖直向上 2 7 得 由 得 8 2磁场对电流的作用 8 当电流为i1 速度为v1 加速度为a时当电流为i2 以最大速度射出时 解得 9 1 2 方向垂直斜面向上 3 10 1 2 通过导体棒的电流 光电池产生的电流 额外功率 如图所示 在x轴下方有匀强磁场 磁感应强度大小为b 方向垂直于xoy平面向外 p是y轴上距原点为h的一点 n0为x轴上距原点为a的一点 a是一块平行于x轴的挡板 与x轴的距离为 a的中点在y轴上 长度略小于a 2 带电粒子与挡板碰撞前后 x方向的分速度不变 y方向的分速度反向 大小不变 质量为m 电荷量为q q 0 的粒子从p点瞄准n0点入射 最后又通过p点 不计重力 求粒子入射速度的所有可能值 8 4带电粒子在有界区域磁场中的运动 1 8 得 由 得 9 1 300 2 3 所有粒子在磁场中运动的半径相同 弦越长对应的圆心角越大 粒子在磁场中运动越长 最大的弦长 最大的圆心角 8 4带电粒子在有界区域磁场中的运动 2 1 ac2 bc3 c4 d 5 6 7 1 方向沿x轴正向 2 3 8 1 2 9 10 1 2 o 如图所示 x轴正方向水平向右 y轴正方向竖直向上 在xoy平面内有与y轴平行的匀强电场 在半径为r的圆内还有与xoy平面垂直的匀强磁场 在圆的左边放置一带电微粒发射装置 它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m 电荷量q q 0 和初速度v的带电微粒 发射时 这束带电微粒分布在0 y 2r的区间内 已知重力加速度大小为g 1 从a点射出的带电微粒平行于x轴从c点进入有磁场区域 并从坐标原点o沿y轴负方向离开 求点场强度和磁感应强度的大小和方向 2 请指出这束带电微粒与x轴相交的区域 并说明理由 3 若这束带电微粒初速度变为2v 那么它们与x轴相交的区域又在哪里 并说明理由 如图所示 纸面内有宽为l水平向右飞行的带电粒子流 粒子质量为m 电量为 q 速率为v0 b0ql m 不考虑粒子的得力及相互间的作用 要使粒子都汇聚到一点 可以在粒子流的右侧虚线框内设计一匀强磁场区域 则磁场区域的形状及对应的磁感应强度可以是哪一种 其中a c d选项中曲线均为半径是l的圆弧 b选项中曲线为直径为l的圆 在xoy平面内有许多电子 质量为m 电荷量为e 从坐标原点o不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限 如图所示 现加上一个垂直于xoy平面向里的磁感应强度为b的匀强磁场 要求这些电子穿过该磁场后都能平行于x轴向x轴正方向运动 试求出符合条件的磁场的最小面积 例 如图所示 在空间中固定放置一绝缘材料制成的边长为l的刚性等边三角形框架def de边上s点 ds l 4 处有一发射带正电的粒子的粒子源 发射粒子的方向均在图中截面内且垂直于de边向下 发射的粒子的电荷量均为q 质量均为m 但速度v有各种不同的值 整个空间充满磁感应强度大小为b 方向垂直截面向里的匀强磁场 设粒子与 def边框碰撞时没有能量损失和电荷量传递 1 当速度为v时 带电粒子做匀速圆周运动的半径是多大 2 当速度v满足什么条件时 可使s点发出的粒子最终又垂直于de边回到s点 3 这些粒子回到s点所用的最短时间是多少 题号 13 物理3 3 模块 10分 1 3分 一定质量的理想气体 由状态a经b变化到c 如图甲所示 图乙中能正确反映出这种变化过程的是 c 2 7分 如图甲所示 水平放置的汽缸内壁光滑 活塞厚度不计 在a b两处设有限制装置 使活塞只能在a b之间运动 b左面汽缸的容积为v0 a b之间的容积为0 1v0 开始时活塞在b处 缸内气体的压强为0 9p0 p0为大气压强 温度为297k 现缓慢加热汽缸内气体 直至399 3k 求 1 活塞刚离开b处时的温度tb 2 缸内气体最后的压强p 3 在图乙中画出整个过程的p v图线 题号 14 物理3 5 模块 10分 1 3分 下列描绘两种温度下黑体辐射强度与频率f关系的图中 符合黑体辐射实验规律的是 c 2 3分 用a b两种不同频率的光分别照射同一金属板 发现当a光照射时验电器的指针偏转 b光照射时指针未偏转 以下说法正确的是 a 增大a光的强度 验电器的指针偏角一定减小b a光照射金属板时验电器的金属小球带负电c a光在真空中的波长小于b光在真空中的波长d 一定是a光的强度大于b光的强度 c 3 4分 人眼对绿光最为敏感 正常人眼睛接收到波长为5 3 10 7m的绿光时 每秒内只要有6个绿光光子射入瞳孔即可引起视觉 已知普朗克常量h 6 63 10 34j s 真空中光速c 3 0 108m s 求 绿光光子的能量为多少 若用此绿光照射逸出功为3 6 10 19j的某金属 则产生的光电子的最大初动能为多少焦耳 取两位有效数字 例 如图所示 在0 x a 0 y 范围内垂直于xoy平面向外的匀强磁场 磁感应强度大小为b 坐标原点o处有一个粒子源 在某时刻发射大量质量为m 电荷量为q