高考物理复习三节带电粒子在复合场中的运动沪科版PPT课件.ppt

第三节带电粒子在复合场中的运动 2020 1 8 1 课堂互动讲练 经典题型探究 知能优化演练 第三节带电粒子在复合场中的运动 基础知识梳理 2020 1 8 2 基础知识梳理 一 复合场复合场是指 和重力场并存 或其中某两场并存 或分区域存在 二 带电粒子在复合场中运动的几种情况 1 当带电粒子所受合力为零时 将处于静止或匀速直线运动状态 2 当洛伦兹力提供向心力 其余各力的合力为 时 带电粒子做匀速圆周运动 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 电场 磁场 零 2020 1 8 3 三 带电粒子在复合场中运动的典型应用带电粒子在复合场中的重要应用 包括速度选择器 回旋加速器 磁流体发电机 电磁流量计等 图8 3 1 2020 1 8 4 1 速度选择器 如图8 3 1所示 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 的粒子选择出来 所以叫做速度选择器 垂直 速度 2020 1 8 5 qE qvB 2020 1 8 6 2 质谱仪 1 用途 质谱仪是一种测量带电粒子质量和分离同位素的仪器 图8 3 2 2020 1 8 7 2020 1 8 8 2020 1 8 9 3 回旋加速器 1 基本构造 回旋加速器的核心部分是放置磁场中的两个D形的金属扁盒 如图8 3 3所示 其基本组成为 粒子源 两个D形金属盒 匀强磁场 高频电源 粒子引出装置 真空容器 图8 3 3 2020 1 8 10 相同 2020 1 8 11 思考感悟1 带电粒子通过回旋加速器加速 获得的最大动能与加速电压有关吗 2020 1 8 12 4 磁流体发电机 1 磁流体发电是一项新兴技术 它可以把 能直接转化为 2 根据左手定则 如图8 3 4所示 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 图8 3 5 磁场 电能 正极 Bvd 2020 1 8 13 5 电磁流量计工作原理 如图8 3 5所示 圆形导管直径为d 用非磁性材料制成 导电液体在管中向左流动 导电液体中的自由电荷 正 负离子 在洛伦兹力的作用下横向偏转 a b间出现电势差 形成电场 图8 3 5 2020 1 8 14 电场力 洛伦兹力 2020 1 8 15 图8 3 6 2020 1 8 16 2020 1 8 17 思考感悟2 速度选择器 磁流体发电机 电磁流量计 霍尔效应有什么共同特性 提示 2 共同特性是电场力与洛伦兹力大小相等 方向相反 2020 1 8 18 课堂互动讲练 一 带电粒子在不同复合场中的运动1 磁场力 重力并存 1 若重力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 2 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F洛不做功 故机械能守恒 由此可求解问题 2020 1 8 19 2 电场力 磁场力并存 不计重力的微观粒子 1 若电场力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 2 若电场力和洛伦兹力不平衡 则带电体做复杂的曲线运动 因F洛不做功 可用动能定理求解问题 2020 1 8 20 3 电场力 磁场力 重力并存 1 若三力平衡 一定做匀速直线运动 2 若重力与电场力平衡 一定做匀速圆周运动 3 若合力不为零且与速度方向不垂直 做复杂的曲线运动 因F洛不做功 可用能量守恒或动能定理求解问题 2020 1 8 21 4 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电场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 2020 1 8 22 2020 1 8 23 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 如图8 3 7所示 有a b c d四个离子 它们带同种电荷且电荷量相等 它们的速率关系为va vb vc vd 质量关系为ma mb mc md 进入速度选择器后 有两种离子从速度选择器射出 由此可以判定 图8 3 7 2020 1 8 24 A 射向P1的是a粒子B 射向P1的是b粒子C 射向A2的是c粒子D 射向A2的是d粒子 2020 1 8 25 二 解决带电粒子在复合场中运动问题的基本思路1 弄清复合场的组成 一般有磁场 电场的复合 磁场 重力场的复合 磁场 电场 重力场三者的复合 2 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 3 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 4 对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题 要分阶段进行处理 2020 1 8 26 5 画出粒子运动轨迹 灵活选择不同的运动规律 1 当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时 根据受力平衡列方程求解 2 当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时 应用牛顿定律结合圆周运动规律求解 3 当带电粒子做复杂曲线运动时 一般用动能定理或能量守恒定律求解 4 对于临界问题 注意挖掘隐含条件 2020 1 8 27 名师点睛 由于带电粒子在复合场中受力情况复杂 运动情况多变 往往出现临界问题 这时应以题目中的 恰好 最大 最高 至少 等词语为突破口 挖掘隐含条件 根据临界条件列出辅助方程 再与其他方程联立求解 2020 1 8 28 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2010年高考四川理综卷 如图8 3 8所示 电源电动势E0 15V 内阻r0 1 电阻R1 30 R2 60 间距d 0 2m的两平行金属板水平放置 板间分布有垂直于纸面向里 磁感应强度B 1T的匀强磁场 闭合开关S 板间电场视为匀强电场 将一带正电的小球以初速度v 0 1m s沿两板间中线水平射入板间 设滑动变阻器接入电路的阻值为Rx 忽略空气对小球的作用 取g 10m s2 图8 3 8 2020 1 8 29 1 当Rx 29 时 电阻R2消耗的电功率是多大 2 若小球进入板间做匀速圆周运动并与板相碰 碰时速度与初速度的夹角为60 则Rx是多少 2020 1 8 30 2020 1 8 31 答案 1 0 6W 2 54 2020 1 8 32 2020 1 8 33 3 回旋加速器的优点是使带电粒子在较小的空间得到电场的多次加速 而使粒子获得较高的能量 缺点是这种经典的加速器使粒子获得的能量不会很高 因为粒子能量很高时 它的运动速度接近光速 按照狭义相对论 粒子质量将随着速率的增加而增大 粒子在磁场中的回旋周期将发生变化 这就破坏了回旋加速器的工作条件 2020 1 8 35 2020 1 8 36 名师点睛 最大动能只与回旋加速器的最大半径及所加磁场的磁感应强度的大小有关 而与加速电压无关 加速电压的大小只是影响了加速次数的多少 2020 1 8 37 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 回旋加速器是用于加速带电粒子使之获得高能量的仪器 其核心部分是两个D形金属扁盒 两盒分别与高频交流电源两极相接 以便在盒间的窄缝中形成匀强电场 带电粒子在穿过此区域时得到加速 两D形盒处在匀强磁场中 磁场的磁感应强度大小为B 方向垂直盒面 设粒子源内粒子电荷量为q 质量为m 粒子最大回转半径为Rm 试分析 2020 1 8 38 1 回旋加速器内电场和磁场分别加在哪个区域内 2 粒子在D形盒内做什么运动 3 在两D形盒间所连接的交变电流频率应为多大 4 粒子最终获得的最大动能为多少 2020 1 8 39 解析 D形盒由金属制成 因而可屏蔽外电场 故盒内无电场 两盒之间存在电场 带电粒子在两D形盒之间做匀加速直线运动 盒内存在垂直于盒底面的匀强磁场 带电粒子在盒内做匀速圆周运动 2020 1 8 40 1 电场加在两D形盒之间窄缝区域内 匀强磁场加在两D形盒内 如图所示 2020 1 8 41 2020 1 8 42 答案 见解析 2020 1 8 43 经典题型探究 2020 1 8 44 满分样板16分 如图8 3 9所示 套在很长的绝缘直棒上的小球 质量为1 0 10 4kg 带4 0 10 4C的正电荷 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 图8 3 9 2020 1 8 45 思路点拨 从小球下落过程中受力情况分析入手 确定在运动过程中各个力的变化规律 从而分析物体的运动规律 找出速度最大时的位置特点和受力特点 2020 1 8 46 解题样板规范步骤 该得的分一分不丢 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 当小球静止时 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 速度达最大 2020 1 8 47 2020 1 8 48 答案 2m s25m s 2020 1 8 49 反思领悟 1 带电粒子在复合场中做变速直线运动时 所受洛伦兹力的大小不断变化 而洛伦兹力的变化往往引起其他力的变化 从而导致加速度不断变化 2 带电粒子在复合场中运动时 必须注意重力 电场力对带电粒子的运动产生的影响 带电粒子的运动状态的变化又会对洛伦兹力产生影响 2020 1 8 50 2010年高考安徽理综卷 如图8 3 10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 2020 1 8 51 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 图8 3 10 2020 1 8 52 思路点拨 由粒子做直线运动和圆周运动满足的受力条件可求q和B 而电场变化的周期为粒子由N1到Q的时间与做圆周运动的时间之和 解析 微粒做直线运动 则mg qE0 qvB 微粒做圆周运动 则mg qE0 联立 得 2020 1 8 53 2020 1 8 54 2020 1 8 55 互动探究例2中 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 2020 1 8 56 2020 1 8 57 2020 1 8 58 2020 1 8 59 图8 3 11 1 M点与坐标原点O间的距离 2 粒子从P点运动到M点所用的时间 2020 1 8 60 思路点拨 根据粒子在不同区域内的运动特点和受力特点画出轨迹 分别利用类平抛运动和圆周运动的分析方法列方程求解 2020 1 8 61 解析 1 带电粒子在电场中做类平抛运动 在y轴负方向上做初速度为零的匀加速运动 设加速度的大小为a 在x轴正方向上做匀速直线运动 设速度为v0 粒子从P点运动到Q点所用的时间为t1 进入磁场时速度方向