高考物理大一轮复习 专题7 带电粒子在复合场中的运动课件 新人教版.ppt

专题七带电粒子在复合场中的运动 1 复合场与组合场 1 复合场 电场 磁场 重力场共存 或其中某两场共存 2 组合场 电场与磁场各位于一定的区域内 并不重叠 或在同一区域 电场 磁场分时间段或分区域交替出现 2 三种场的比较 3 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外力为零时 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电场力大小相等 方向相反时 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匀速圆周运动 3 一般的曲线运动 当带电粒子所受合外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 粒子做非匀变速曲线运动 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 热点题型一带电粒子在组合场中的运动问题题型特点 带电粒子在组合场中的运动是力电综合的重点和高考热点 这类问题的特点是电场 磁场或重力场依次出现 包含空间上先后出现和时间上先后出现 磁场或电场与无场区交替出现相组合的场等 其运动形式包含匀速直线运动 匀变速直线运动 类平抛运动 圆周运动等 涉及牛顿运动定律 功能关系等知识的应用 复习指导 1 理解掌握带电粒子的电偏转和磁偏转的条件 运动性质 会应用牛顿运动定律进行分析研究 掌握研究带电粒子的电偏转和磁偏转的方法 能够熟练处理类平抛运动和圆周运动 2 学会按照时间先后或空间先后顺序对运动进行分析 分析运动速度的承前启后关联 空间位置的距离关系 运动时间的分配组合等信息将各个运动联系起来 典例1 2013 山东卷 23 如图1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 图1 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 3 若磁感应强度的大小为另一确定值 经过一段时间后粒子将再次经过q点 且速度与第一次过q点时相同 求该粒子相邻两次经过q点所用的时间 审题指导 1 带电粒子在电场中做什么运动 如何求粒子在q点的速度和大小 2 粒子进入磁场后做什么运动 3 画出粒子在磁场中的运动轨迹求出粒子运动半径求得b 4 粒子出磁场后 在第二象限内做什么运动 5 粒子在第三象限内做什么运动 6 撤去电场后粒子在第四象限内做什么运动 提示 1 类平抛运动 速度的合成 2 匀速圆周运动 4 匀速直线运动 5 匀速圆周运动 6 匀速直线运动 3 设粒子做圆周运动的半径为r2 由几何分析粒子运动的轨迹如图所示 o2 o2 是粒子做圆周运动的圆心 q f g h是轨迹与两坐标轴的交点 连接o2 o2 由几何关系知 o2fgo2 和o2qho2 均为矩形 进而知fq gh均为直径 qfgh也是矩形 又fh gq 可知qfgh是正方形 qof为等腰直角三角形 可知 粒子在第一 第三象限的轨迹为半圆 得 反思总结求解带电粒子在组合复合场中运动问题的分析方法 1 正确受力分析 除重力 弹力 摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析 2 确定带电粒子的运动状态 注意运动情况和受力情况的结合 3 对于粒子连续通过几个不同区域 不同种类的场时 要分阶段进行处理 4 画出粒子运动轨迹 灵活选择不同的运动规律 特别注意 1 多过程现象中的 子过程 与 子过程 的衔接点 如一定要把握 衔接点 处速度的连续性 2 圆周与圆周运动的衔接点一要注意在 衔接点 处两圆有公切线 它们的半径重合 图2 1 粒子在 区域匀强磁场中运动的轨迹半径 2 o m间的距离 3 粒子从m点出发到第二次通过cd边界所经历的时间 热点题型二带电粒子在叠加场中的运动问题题型特点 带电粒子在叠加场中的运动问题是典型的力电综合问题 在同一区域内同时有电场和磁场 电场和重力场或同时存在电场 磁场和重力场等称为叠加场 带电粒子在叠加场中的运动问题有很明显的力学特征 一般要从受力 运动 功能的角度来分析 这类问题涉及的力的种类多 含重力 电场力 磁场力 弹力 摩擦力等 包含的运动种类多 含匀速直线运动 匀变速直线运动 类平抛运动 圆周运动以及其他曲线运动 综合性强 数学能力要求高 复习指导 1 能够正确对叠加场中的带电粒子从受力 运动 能量三个方面进行分析 2 能够合理选择力学规律 牛顿运动定律 运动学规律 动能定理 能量守恒定律等 对粒子的运动进行研究 典例2 如图3所示的平行板之间 存在着相互垂直的匀强磁场和匀强电场 磁场的磁感应强度b1 0 20t 方向垂直纸面向里 电场强度e1 1 0 105v m pq为板间中线 紧靠平行板右侧边缘xoy坐标系的第一象限内 有一边界线ao 与y轴的夹角 aoy 45 边界线的上方有垂直纸面向外的匀强磁场 磁感应强度b2 0 25t 边界线的下方有水平向右的匀强电场 电场强度e2 5 0 105v m 在x轴上固定一水平的荧光屏 一束带电荷量q 8 0 10 19c 质量m 8 0 10 26kg的正离子从p点射入平行板间 沿中线pq做直线运动 穿出平行板后从y轴上坐标为 0 0 4m 的q点垂直y轴射入磁场区 最后打到水平的荧光屏上的位置c 求 图3 1 离子在平行板间运动的速度大小 2 离子打到荧光屏上的位置c的坐标 3 现只改变aoy区域内磁场的磁感应强度大小 使离子都不能打到x轴上 磁感应强度大小b2 应满足什么条件 审题指导 解析 1 设离子的速度大小为v 由于沿中线pq做直线运动 则有qe1 qvb1 代入数据解得v 5 0 105m s 图甲 图乙 反思总结1 带电体在复合场中运动的归类分析 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 2 电场力 磁场力并存 不计重力的微观粒子 若电场力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 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 若三力平衡 带电体做匀速直线运动 若重力与电场力平衡 带电体做匀速圆周运动 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 2 带电粒子在复合场中运动的分析方法 即学即练2如图4所示 在竖直平面xoy内 y轴左侧有一水平向右的电场强度为e1的匀强电场和磁感应强度为b1的匀强磁场 y轴右侧有一竖直向上的电场强度为e2的匀强电场 第一象限内有一匀强磁场 一带电荷量为 q 质量为m的粒子从x轴上的a点以初速度v与水平方向成 30 沿直线运动到y轴上的p点 op d 粒子进入y轴右侧后在竖直面内做匀速圆周运动 然后垂直x轴沿半径方向从m点进入第四象限内 半径为d的圆形磁场区域 粒子在圆形磁场中偏转60 后从n点射出磁场 求 图4 1 电场强度e1与e2大小之比 2 第一象限内磁场的磁感应强度b的大小和方向 3 粒子从a到n运动的时间 热点题型三带电粒子在交变复合场中的运动 典例3 如图5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 e 0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 图5 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 3 改变宽度d 使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域 求t的最小值 审题指导 1 n1q段的直线运动 受力平衡 2 圆周运动 重力与电场力平衡 洛伦兹力提供向心力 3 直线运动的时间 圆周运动的时间 周期 4 磁场宽度的临界值 d 2r 反思总结本题涉及交变电场 要使电场反向前后出现直线运动和圆周运动 则匀速圆周运动时重力mg与电场力e0q平衡 做直线运动时必有mg e0q qvb 结合运动分析受力是解题的关键 即学即练3如图6甲所示 在以o为坐标原点的xoy平面内 存在着范围足够大的电场和磁场 一个质量m 2 10 2kg 带电荷量q 5 10 3c的小球在0时刻以v0 40m s的速度从o点沿 x方向 水平向右 射入该空间 在该空间同时加上如图乙所示的电场和磁场 其中电场沿 y方向 竖直向上 场强大小e0 40v m 磁场垂直于xoy平面向外 磁感应强度大小b0 4 t 取当地的重力加速度g 10m s2 计算结果中可以保留根式或 图6 1 求12s末小球速度的大小 2 在给定的xoy坐标系中 大致画出小球在24s内的运动轨迹示意图 3 求26s末小球的位置坐标 附 对应高考题组1 2012 海南卷 2 如图所示 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 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 答案b 2 2012 课标全国卷 25 如图所示 一半径为r的圆表示一柱形区域的横截面 纸面 在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场 一质量为m 电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域 在圆上的b点离开该区域 离开时速度方向与直线垂直 圆心o到直线的距离为r 现将磁场换为平行于纸面且垂直于直线的匀强电场 同一粒子以同样速度沿直线在a点射入柱形区域 也在b点离开该区域 若磁感应强度大小为b 不计重力 求电场强度的大小 3 2012 重庆卷 24 有人设计了一种带电颗粒的速率分选装置 其原理如图所示 两带电金属板间有匀强电场 方向竖直向上 其中pqnm矩形区域内还有方向垂直纸面向外的匀强磁场 一束比荷 电荷量与质量之比 均为的带正电颗粒 以不同的速率沿着磁场区域的水平中心线o o进入两金属板之间 其中速率为v0的颗粒刚好从q点处离开磁场 然后做匀速直线运动到达收集板 重力加速度为g pq 3d nq 2d 收集板与nq的距离为l 不计颗粒间相互作用 求 1 电场强度e的大小 2 磁感应强度b的大小 3 速率为 v0 1 的颗粒打在收集板上的位置到o点的距离 4 2012 浙江卷 24 如图所示 两块水平放置 相距为d的长金