高考物理一轮复习 专题6 带电粒子在复合场中的运动课件.ppt

专题6带电粒子在复合场中的运动 2 基础夯实 自我诊断 一 带电粒子在复合场中的运动1 复合场 1 叠加场 电场 磁场 重力场共存 或其中某两种场共存 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 但电场 磁场一般交替出现 2 带电粒子在复合场中的运动形式 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 将处于静止状态或匀速直线运动状态 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 基础夯实 自我诊断 3 较复杂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 4 基础夯实 自我诊断 二 带电粒子在复合场中运动的应用举例1 质谱仪 1 构造 如图所示 质谱仪由粒子源 加速电场 匀强磁场和照相底片组成 2 原理 粒子由静止在加速电场中被加速 根据动能定理可得关系式qu mv2 粒子在磁场中受洛伦兹力偏转 做匀速圆周运动 根据牛顿第二定律得关系式qvb m 5 基础夯实 自我诊断 由以上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 6 基础夯实 自我诊断 2 回旋加速器 1 构造 如图所示 d1 d2是半圆形金属盒 d形盒的缝隙处接交流电源 d形盒处于匀强磁场中 2 原理 交变电流的周期和粒子做圆周运动的周期相等 粒子经电场加速 经磁场回旋 由qvb 得ekm 可见粒子获得的最大动能由磁感应强度b和d形盒半径r决定 与加速电压无关 7 基础夯实 自我诊断 3 速度选择器 1 构造 如图所示 平行板中电场强度e和磁感应强度b互相垂直 这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来 所以叫速度选择器 2 带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是eq qvb 即v 速度v与粒子电荷量 电性 质量无关 8 基础夯实 自我诊断 4 磁流体发电机 1 磁流体发电是一项新兴技术 它可以把内能直接转化为电能 2 根据左手定则 如图中的b是发电机正极 3 磁流体发电机两极板间的距离为l 等离子体速度为v 磁场的磁感应强度为b 则由qe q qvb得两极板间能达到的最大电势差u blv 9 基础夯实 自我诊断 5 电磁流量计工作原理 如图所示 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发生偏转 a b间出现电势差 形成电场 当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时 a b间的电势差就保持稳定 10 基础夯实 自我诊断 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电势差 这种现象称为霍尔效应 所产生的电势差称为霍尔电势差 其原理如图所示 11 基础夯实 自我诊断 7 电视显像管电视显像管是应用电子束磁偏转 选填 电偏转 或 磁偏转 的原理来工作的 使电子束偏转的磁场 选填 电场 或 磁场 是由两对偏转线圈产生的 显像管工作时 由阴极发射电子束 利用磁场来使电子束偏转 实现电视技术中的扫描 使整个荧光屏都在发光 12 基础夯实 自我诊断 速度选择器 磁流体发电机 霍尔效应和电磁流量计有什么共性的地方 提示速度选择器 磁流体发电机的两极产生稳定电势差时 霍尔效应中霍尔电势差达到稳定时 电磁流量计电势差达到稳定时 其本质都是粒子匀速通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场 电场力与洛伦兹力平衡 13 基础夯实 自我诊断 1 多选 地球大气层外部有一层复杂的电离层 既分布有地磁场 也分布有电场 假设某时刻在该空间中有一小区域存在如图所示的电场和磁场 电场的方向在纸面内斜向左下方 磁场的方向垂直纸面向里 此时一带电宇宙粒子恰以速度v垂直于电场和磁场射入该区域 不计重力作用 则在该区域中 有关该带电粒子的运动情况可能的是 a 仍做直线运动b 立即向左下方偏转c 立即向右上方偏转d 可能做匀速圆周运动 答案 解析 14 基础夯实 自我诊断 2 多选 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 如图是它的示意图 平行金属板a b之间有一个很强的磁场 将一束等离子体 即高温下电离的气体 含有大量正 负离子 喷入磁场 a b两板间便产生电压 如果把a b和用电器连接 a b就是直流电源的两个电极 设a b两板间距为d 磁感应强度为b 等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向射入a b两板之间 则下列说法正确的是 a a是直流电源的正极b b是直流电源的正极c 电源的电动势为b dvd 电源的电动势为qvb 答案 解析 15 基础夯实 自我诊断 3 多选 回旋加速器的原理如图所示 它由两个铜质d形盒d1 d2构成 其间留有空隙 下列说法正确的是 a 离子从电场中获得能量b 离子从磁场中获得能量c 只增大空隙距离可增加离子从回旋加速器中获得的动能d 只增大d形盒的半径可增加离子从回旋加速器中获得的动能 答案 解析 16 基础夯实 自我诊断 4 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 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 答案 解析 17 基础夯实 自我诊断 5 如图所示 一束粒子 不计重力 初速度可忽略 缓慢通过小孔o1进入极板间电压为u的水平加速电场区域 再通过小孔o2射入相互正交的恒定匀强电场 磁场区域 其中磁场的方向如图所示 磁感应强度大小可根据实际要求调节 收集室的小孔o3与o1 o2在同一条水平线上 则收集室收集到的是 a 具有特定质量和特定比荷的粒子b 具有特定速度和特定比荷的粒子c 具有特定质量和特定速度的粒子d 具有特定动能和特定比荷的粒子 答案 解析 18 考点一 考点二 考点三 考点一带电粒子在组合场中的运动 师生共研 1 是否考虑粒子重力的三种情况 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 而对于一些宏观物体 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 19 考点一 考点二 考点三 2 电偏转 和 磁偏转 的比较 20 考点一 考点二 考点三 21 考点一 考点二 考点三 例1 2016 山东日照检测 如图所示 坐标平面第 象限内存在大小为e 4 105n c 方向水平向左的匀强电场 在第 象限内存在方向垂直纸面向里的匀强磁场 质荷比 4 10 10kg c的带正电的粒子 以初速度v0 2 107m s从x轴上的a点垂直x轴射入电场 oa 0 2m 不计粒子的重力 1 求粒子经过y轴时的位置到原点o的距离 2 若要使粒子不能进入第 象限 求磁感应强度b的取值范围 不考虑粒子第二次进入电场后的运动情况 22 考点一 考点二 考点三 解析 1 设粒子在电场中运动时间为t 粒子经过y轴时的位置与原点o的距离为y 则 代入数据解得a 1 0 1015m s2 t 2 0 10 8s y 0 4m 2 粒子经过y轴时在电场方向的分速度为 vx at 2 107m s粒子经过y轴时速度为 与y轴正方向夹角大小为 23 考点一 考点二 考点三 要使粒子不进入第 象限 如图所示 此时粒子做圆周运动的半径为r 答案 1 0 4m 2 b 2 2 10 2t 24 考点一 考点二 考点三 思维点拨 1 带电粒子在第 象限内做运动 在第 象限内做运动 2 粒子恰不能进入第 象限的条件是运动轨迹与x轴 类平抛 匀速圆周 相切 25 考点一 考点二 考点三 例2如图所示 在第一象限存在匀强磁场 磁感应强度方向垂直于纸面 xoy平面 向外 在第四象限存在匀强电场 方向沿x轴负向 在y轴正半轴上某点以与x轴正向平行 大小为v0的速度发射出一带正电荷的粒子 该粒子在 d 0 点沿垂直于x轴的方向进入电场 不计重力 若该粒子离开电场时速度方向与y轴负方向的夹角为 求 1 电场强度大小与磁感应强度大小的比值 2 该粒子在电场中运动的时间 26 考点一 考点二 考点三 解析 1 如图所示 粒子进入磁场后做匀速圆周运动 设磁感应强度的大小为b 粒子质量与所带电荷量分别为m和q 圆周运动的半径为r0 由洛伦兹力公式及牛顿第二定律得 由题给条件和几何关系可知r0 d 设电场强度大小为e 粒子进入电场后沿x轴负方向的加速度大小为ax 在电场中运动的时间为t 离开电场时沿x轴负方向的速度大小为vx 由牛顿第二定律及运动学公式得eq max vx axt 27 考点一 考点二 考点三 28 考点一 考点二 考点三 方法归纳带电粒子在组合场中运动的分析思路及技巧1 基本思路 2 解题关键 抓住联系两个场的纽带 速度 29 考点一 考点二 考点三 突破训练1 如图所示 足够大的平行挡板a1 a2竖直放置 间距6l 两板间存在两个方向相反的匀强磁场区域 和 以水平面mn为理想分界面 区的磁感应强度为b0 方向垂直纸面向外 a1 a2上各有位置正对的小孔s1 s2 两孔与分界面mn的距离均为l 质量为m 电荷量为 q的粒子经宽度为d的匀强电场由静止加速后 沿水平方向从s1进入 区 并直接偏转到mn上的p点 再进入 区 p点与a1板的距离是l的k倍 不计重力 碰到挡板的粒子不予考虑 30 考点一 考点二 考点三 1 若k 1 求匀强电场的电场强度e 2 若2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 求出粒子在磁场中的速度大小v与k的关系式和 区的磁感应强度b与k的关系式 解析 1 若k 1 则有mp l 粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 根据几何关系 该情况粒子的轨迹半径r1 l粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 由牛顿第二定律知 31 考点一 考点二 考点三 2 因为2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 则从s1到s2的轨迹如图所示 32 考点一 考点二 考点三 考点二带电粒子在叠加场中的运动 多维探究 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 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 33 考点一 考点二 考点三 3 电场力 磁场力 重力并存 若三力平衡 一定做匀速直线运动 若重力与电场力平衡 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 除受场力外 还受弹力 摩擦力作用 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 34 考点一 考点二 考点三 考向1无约束粒子在叠加场中的运动例3如图所示 两块水平放置 相距为d的长金属板接在电压可调的电源上 两板之间的右侧区域存在方向垂直纸面向里的匀强磁场 将喷墨打印机的喷口靠近上板下表面 从喷口连续不断喷出质量均为m 水平速度均为v0 带相等电荷量的墨滴 调节电源电压至u 墨滴在电场区域恰能沿水平向右做匀速直线运动 进入电场 磁场共存区域后 最终垂直打在下板的m点 35 考点一 考点二 考点三 1 判断墨滴所带电荷的种类 并求其电荷量 2 求磁感应强度b的值 3 现保持喷口方向不变 使其竖直下移到两板中间的位置 为了使墨滴仍能到达下板m点 应将磁感应强度调至b 则b 的大小为多少 36 考点一 考点二 考点三 解析 1 墨滴在电场区域做匀速直线运动 有 由于电场方向向下 电荷所受静电力向上 可知墨滴带负电荷 2 墨滴垂直进入电 磁场共存区域 重力仍与静电力平衡 合力等于洛伦兹力 墨滴做匀速圆周运动 考虑墨滴进入磁场和撞板的几何关系 可知墨滴在该区域恰完成四分之一圆周运动 则半径r d 37 考点一 考点二 考点三 3 根据题设 墨滴运动轨迹如图所示 设圆周运动半径为r 38 考点一 考点二 考点三 思维点拨 1 墨滴在电场区域受到力和力 二力满足关系时 墨滴做匀速直线运动 2 进入磁场区域后 墨滴受到的合力等于 因此做运动 3 墨滴垂直打到m点时 圆周半径为 重 电场 大小相等 洛伦兹力 匀速圆周 d 39 考点一 考点二 考点三 考向2有约束粒子在叠加场中的运动例4如图所示 绝缘粗糙的竖直平面mn左侧同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场 电场方向水平向右 电场强度大小为e 磁场方向垂直纸面向外 磁感应强度大小为b 一质量为m 电荷量为q的带正电的小滑块从a点由静止开始沿mn下滑 到达c点时离开mn做曲线运动 a c两点间距离为h 重力加速度为g 40 考点一 考点二 考点三 1 求小滑块运动到c点时的速度大小vc 2 求小滑块从a点运动到c点过程中克服摩擦力做的功wf 3 若d点为小滑块在电场力 洛伦兹力及重力作用下运动过程中速度最大的位置 当小滑块运动到d点时撤去磁场 此后小滑块继续运动到水平地面上的p点 已知小滑块在d点时的速度大小为vd 从d点运动到p点的时间为t 求小滑块运动到p点时速度的大小vp 解析 1 小滑块沿mn运动过程 水平方向受力满足qvb fn qe 小滑块在c点离开mn时fn 0 41 考点一 考点二 考点三 3 如图 小滑块速度最大时 合力为零 速度方向与电场力 重力的合力方向垂直 撤去磁场后小滑块将做类平抛运动 等效加速度为g 42 考点一 考点二 考点三 方法归纳粒子在叠加场中运动分析思路 43 考点一 考点二 考点三 考点三现代科技中的电磁场问题 自主悟透 突破训练2 多选 劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器 工作原理示意图如图所示 置于高真空中的半径为r的d形金属盒中 两盒间的狭缝很小 带电粒子穿过的时间可忽略 磁感应强度为b的匀强磁场与盒面垂直 高频交变电流频率为f 加速电压为u 若a处粒子源产生的质子质量为m 电荷量为 q 在加速器中被加速 且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响 则下列说法正确的是 44 考点一 考点二 考点三 a 质子被加速后的最大速度不可能超过2 rfb 质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压u成正比c 质子第2次和第1次经过两d形盒间狭缝后轨道半径之比为 1d 改变磁感应强度b和交变电流频率f 该回旋加速器的最大动能不变 答案 解析 45 考点一 考点二 考点三 3 一台质谱仪的工作原理如图所示 电荷量均为 q 质量不同的离子飘入电压为u0的加速电场 其初速度几乎为零 这些离子经加速后通过狭缝o沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为b的匀强磁场 最后打在底片上 已知放置底片的区域mn l 且om l 某次测量发现mn中左侧区域mq损坏 检测不到离子 但右侧区域qn仍能正常检测到离子 在适当调节加速电压后 原本打在mq区域的离子即可在qn区域检测到 46 考点一 考点二 考点三 1 求原本打在mn中点p的离子质量m 2 为使原本打在p点的离子能打在qn区域 求加速电压u的调节范围 答案 解析 47 考点一 考点二 考点三 方法归纳1 解决实际问题的一般过程 48 考点一 考点二 考点三 2 关于加速器与选择器的几点注意 1 回旋加速器的加速电压增大时 粒子每次获得的动能增大 加速的次数减少 但粒子获得的最大动能不受加速电压变化的影响 2 带电粒子在速度选择器中若做曲线运动 则曲线运动不是 类平抛 运动 3 速度选择器 磁流体发电机 电磁流量计都利用了力的平衡知识 49 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 带电粒子在交变电场 磁场中的运动带电粒子在交变电磁场中的运动问题的基本思路先读图 明确场的变化情况受力分析 分析粒子在不同的变化场区的受力情况过程分析 分析粒子在不同时间内的运动情况建模 粒子在不同运动阶段 各有怎样的运动模型找衔接点 找出衔接相邻两过程的物理量选规律 联立不同阶段的方程求解 50 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 51 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 1 求粒子到达d点时的速率 2 求磁感应强度b1 0 3t时粒子做圆周运动的周期和半径 3 若在距d点左侧d 21cm处有一垂直于mn的足够大的挡板ab 求粒子从c点运动到挡板所用的时间 52 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 解析 1 粒子在电场中做匀加速直线运动 则qe0 ma v0 at1 2分 解得v0 1 5 104m s 1分 2 设磁感应强度b1 0 3t时 粒子运动的半径为r1 运动周期为t1 53 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 3 设磁感应强度b2 0 5t时 粒子运动半径为r2 运动周期为t2 由以上计算可知 粒子的运动轨迹为如图所示的周期运动 每一个周期运动的水平距离为s 2 r1 r2 16cm 2分 所以 粒子运动1个整数周期后余下的距离为 d d s 5cm r1 2分 粒子从c点出发运动到挡板的时间为 54 方法概述 典例示范 以题说法 类题过关 1 解决带电粒子在交变电场 磁场中的运动问题时 关键要明确粒子在不同时间段内 不同区域内的受力特性 对粒子的运动情景 运动性质做出判断 2 这类问题一般都具有周期性 在分析粒子运动时 要注意粒子的运动周期 电场周期 磁场周期的关系 3 带电粒子在交变电磁场中运动仍遵循牛顿运动定律 运动的合成与分解 动能定理 能量守