优化探究高考物理一轮复习 9.3带电粒子在复合场中的运动课件.ppt

想一想 如图所示 带电粒子在电场和磁场的叠加场中运动 1 若不计粒子的重力 带电粒子在叠加场中运动时受几个力 其运动轨迹有哪几种情况 2 若考虑带电粒子的重力 当带电粒子恰好做匀速圆周运动时应满足什么条件 提示 1 洛伦兹力f洛 静电力f电 若f洛 f电粒子做匀速直线运动 若f洛 f电粒子的运动轨迹向上偏 若f洛 f电 其轨迹向下偏 2 mg f电 且粒子应带负电 第3单元带电粒子在复合场中的运动 基础探究 带电粒子在复合场中的运动 填一填 1 复合场复合场是指电场 磁场和重力场并存 或其中某两场并存 或分区域存在 从场的复合形式上一般可分为如下四种情况 相邻场 重叠场 交替场 交变场 2 带电粒子在复合场中的运动分类 1 静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合力为零时 将处于静止状态或做 匀速直线运动 2 匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与静电力大小 方向时 带电粒子在洛伦兹力的作用下 在垂直于匀强磁场的平面内做运动 3 较复杂的曲线运动当带电粒子所受合力的大小和方向均变化 且与初速度方向不在同一条直线上 粒子做变速曲线运动 这时粒子运动轨迹既不是圆弧 也不是抛物线 4 分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域 其运动情况随区域发生变化 其运动过程由几种不同的运动阶段组成 相等 相反 匀速圆周 非匀 特别提醒 复合场中粒子重力是否考虑的三种情况 1 对于微观粒子 如电子 质子 离子等 因为其重力一般情况下与静电力或磁场力相比太小 可以忽略 而对于一些实际物体 如带电小球 液滴 金属块等一般应当考虑其重力 2 在题目中有明确说明是否要考虑重力的 这种情况比较正规 也比较简单 3 不能直接判断是否要考虑重力的 在进行受力分析与运动分析时 要由分析结果确定是否要考虑重力 想一想 在速度选择器 磁流体发电机 电磁流量计 霍尔效应中 带电粒子在电场和磁场的复合场中运动 若达到稳定状态 静电力和洛伦兹力存在什么关系 提示 都存在静电力和洛伦兹力平衡的关系 即qe qvb 填一填 1 速度选择器 如图所示 带电粒子在复合场中运动的应用实例 1 平行板中电场强度e和磁感应强度b互相 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 带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器的条件是 2 回旋加速器 垂直 qe qvb 相同 3 磁流体发电机 1 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 2 根据左手定则 如图所示中的b是发电机 3 磁流体发电机两极板间的距离为d 等离子体速度为v 磁场的磁感应强度为b 则两极板间能达到的最大电势差u 正极 bvd 4 电磁流量计工作原理 如图所示 平衡 同位素 因此 只要知道q b l与u 就可计算出带电粒子的质量m 又因m l2 不同质量的同位素从不同处可得到分离 故质谱仪又是分离同位素的重要仪器 6 霍尔效应在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体 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了 这个现象称为霍尔效应 所产生的电势差称为霍尔电势差 其原理如图所示 电势差 基础自测1 一个电子穿过某一空间而未发生偏转 则 a 此空间一定不存在磁场b 此空间一定不存在电场c 此空间可能只有匀强磁场 方向与电子速度方向垂直d 此空间可能同时有电场和磁场解析 当空间只有匀强磁场且电子的运动方向与磁场方向垂直时 电子受洛伦兹力作用 会发生偏转 c错误 当电子的运动方向与磁场平行时 不受洛伦兹力 不发生偏转 a错误 当空间既有电场又有磁场 且两种场力相互平衡时 电子不会发生偏转 d正确 当空间只有匀强电场 电子运动方向与静电力同向时 运动方向不变化 b错误 答案 d 答案 d 3 带正电的甲 乙 丙三个粒子 不计重力 分别以速度v甲 v乙 v丙垂直射入电场和磁场相互垂直的复合场中 其轨迹如图所示 则下列说法正确的是 a v甲 v乙 v丙b v甲 v乙 v丙c 甲的速度可能变大d 丙的速度不一定变大答案 a 4 劳伦斯设计了世界上第一台回旋加速器 其原理如图所示 这台加速器由两个铜质d形盒d1 d2构成 其间留有空隙 下列说法正确的是 a 离子由加速器的中心附近进入加速器b 离子由加速器的边缘进入加速器c 离子从磁场中获得能量d 离子从电场和磁场中获得能量解析 回旋加速器的两个d形盒间隙分布周期性变化的电场 不断地给带电粒子加速使其获得能量 而d形盒处分布着恒定不变的磁场 具有一定速度的带电粒子在d形盒内受到磁场的洛伦兹力提供的向心力而做圆周运动 洛伦兹力不做功故不能使离子获得能量 选项c d错 离子源在回旋加速器的中心附近 所以正确选项为a 答案 a 互动探究 1 垂直进入电场和磁场的带电粒子运动规律有哪些不同 2 电场对带电粒子做功 洛伦兹力对带电粒子做功吗 洛伦兹力的作用是什么 核心突破 电偏转 和 磁偏转 的比较 带电粒子在组合场中的运动 典例1 2013年高考山东理综改编 如图所示 在坐标系xoy的第一 第三象限内存在相同的匀强磁场 磁场方向垂直于xoy平面向里 第四象限内有沿y轴正方向的匀强电场 电场强度大小为e 一带电量为 q 质量为m的粒子 自y轴上的p点沿x轴正方向射入第四象限 经x轴上的q点进入第一象限 随即撤去电场 以后仅保留磁场 已知op d oq 2d 不计粒子重力 1 求粒子过q点时速度的大小和方向 2 若磁感应强度的大小为一确定值b0 粒子将以垂直y轴的方向进入第二象限 求b0 思路探究 1 带电粒子在匀强电场中做什么运动 应用什么规律求解 2 带电粒子垂直y轴方向进入第二象限时 其圆心在哪里 半径是多少 1 2014年陕西五校联考 如图所示 在矩形abcd区域内 对角线bd以上的区域存在平行于ad向下的匀强电场 对角线bd以下的区域存在垂直于纸面的匀强磁场 图中未标出 矩形的ad边长为l ab边长为2l 一个质量为m 电荷量为 q的带电粒子 重力不计 以初速度v0从a点沿ab方向进入电场 在对角线bd的中点p处进入磁场 并从dc边上以垂直于dc边的速度离开磁场 图中未画出 求 1 电场强度e的大小和带电粒子经过p点时速度v的大小和方向 2 磁场的磁感应强度b的大小和方向 互动探究 1 常见叠加场有哪几种类型 2 带电粒子在叠加场中运动时有哪些可能的运动状态 核心突破 1 带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类 1 磁场力 重力并存 若重力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 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 由此可求解问题 2 静电力 磁场力并存 不计重力的微观粒子 若静电力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 若静电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 可用动能定理求解问题 带电粒子在叠加场中的运动 3 静电力 磁场力 重力并存 若三力平衡 一定做匀速直线运动 若重力与静电力平衡 一定做匀速圆周运动 若合力不为零且与速度方向不垂直 将做复杂的曲线运动 因洛伦兹力不做功 可用能量守恒或动能定理求解问题 2 带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动带电体在复合场中受轻杆 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 运用动能定理 能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果 1 小球带何种电荷 2 小球在半圆轨道部分克服摩擦力所做的功 3 小球从f点飞出时磁场同时消失 小球离开f点后的运动轨迹与直线ac 或延长线 的交点为g点 未标出 求g点到d点的距离 思路探究 1 带电小球沿cd做直线运动受几个力 这些力应满足什么关系 2 带电小球由d到f的运动过程中 有哪些力做功 恰好运动到f点满足什么条件 3 带电小球离开f点后做什么运动 应用什么规律求解 自主解答 1 依题意可知小球在cd间做匀速直线运动 在cd段受重力 静电力 洛伦兹力且合力为0 因此带电小球应带正电荷 答案 见自主解答 2 2014年安徽名校联盟联考 有一个带正电的小球 质量为m 电荷量为q 静止在固定在绝缘支架上 现设法给小球一个瞬时的初速度v0使小球水平飞出 飞出时小球的电荷量没有改变 同一竖直面内 有一个固定放置的圆环 圆环平面保持水平 环的直径略大于小球直径 如图所示 空间所有区域分布着竖直方向的匀强电场 垂直纸面的匀强磁场分布在竖直方向的带状区域中 小球从固定的绝缘支架水平飞出后先做匀速直线运动 后做匀速圆周运动 竖直进入圆环 已知固定的绝缘支架 电磁流量计模型 典例 据报道 我国实施的 双星 计划所发射的卫星中放置一种磁强计 用于测定地磁场的磁感应强度等研究项目 磁强计的原理如图所示 电路中有一段金属导体 它的横截面是宽为a 高为b的长方形 放在沿y轴正方向的匀强磁场中 导体中通有沿x轴正方向的电流i 已知金属导体单位体积中的自由电子数为n 电子电荷量为e 金属导电过程中 自由电子所做的定向移动可视为匀速运动 测出金属导体前后两个侧面间的电势差为u 1 金属导体前后两个侧面哪个电势