高考物理总复习 第8章 4讲 带电粒子在复合场中的运动课件 新人教版.ppt

第四讲带电粒子在复合场中的运动 1 知道复合场的概念 掌握几种场力的特点 知道洛伦兹力永不做功 2 会处理有关带电粒子在复合场中的运动类问题 3 了解带电粒子在复合场中运动的应用实例 一 复合场1 定义 复合场是指 并存 或其中某两场并存 2 三种场的比较 电场 磁场 重力场 mg 竖直向下 无关 重力势能 相同 相反 qvb 左手 无关 qu 电势能 动能 qe 二 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 将处于状态或做 2 匀速圆周运动 当带电粒子所受的重力与电场力大小 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 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关系来处理 静止 匀速直线运动 相等 相反 匀速圆周 能量 研究带电粒子在复合场中的运动时 首先要明确各种不同的力的性质和特点 其次要正确地画出其运动轨迹 再选择恰当的规律求解 一 带电粒子在匀强电场和匀强磁场中偏转的区别 友情提示 1 电偏转和磁偏转分别是利用电场和磁场对 运动 电荷产生电场力和洛伦兹力的作用 控制其运动方向和轨迹 2 两类运动的受力情况和处理方法差别很大 要首先进行区别分析 再根据具体情况处理 如图所示 在虚线所示宽度范围内 用场强为e的匀强电场可使初速度是v0的某种正粒子偏转 角 在同样宽度范围内 若改用方向垂直纸面向外的匀强磁场 使该粒子穿过该区域 并使偏转角也为 不计粒子的重力 则 1 匀强磁场的磁感应强度是多大 2 粒子穿过电场和磁场的时间之比是多大 思维点拨 解答此题应把握以下两点 1 带电粒子在磁场中应用圆周运动知识求解 2 带电粒子在电场中应用类平抛运动知识求解 1 电子经过x轴负半轴的坐标和此时速度方向与 x轴方向的夹角 2 电子再次经过y轴负半轴的坐标 二 带电粒子在复合场中运动的分析思路1 分析思路和步骤 1 弄清复合场的组成 一般有磁场 电场的复合 电场 重力场的复合 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分析 4 对于粒子连续通过几个不同情况场的问题 要分阶段进行处理 转折点的速度往往成为解题的突破口 5 画出粒子运动轨迹 灵活选择不同的运动规律 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 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 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 对于临界问题 注意挖掘隐含条件 2 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 按题目要求分析 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 友情提示 重力 电场力做功与路径无关 洛伦兹力始终和运动方向垂直 永不做功 但洛伦兹力要随带电粒子运动状态的变化而改变 如图所示实线表示处在竖直平面内的匀强电场的电场线 与水平方向成 角 水平方向的匀强磁场与电场正交 有一带电液滴沿斜向上的虚线l做直线运动 l与水平方向成 角 且 则下列说法中不正确的是a 液滴一定做匀速直线运动b 液滴一定带正电c 电场线方向一定斜向上d 液滴有可能做匀变速直线运动 错源探究 对带电粒子在复合场中的运动情况分析不清导致错误 错因分析 本题有些同学错误地认为液滴可能做匀变速直线运动 易错选a 错选的原因是不能从题目给出的条件 液滴做直线运动判断出是做匀速直线运动 没有注意洛伦兹力随速度变化而变化 对受力分析 物体的平衡掌握不够牢固还可能错选bc 正确解答 本题带电液滴的运动为匀速直线运动 不可能为匀变速直线运动 因为速度变化时洛伦兹力也变化 合力将不在直线上 液滴受重力 电场力 洛伦兹力而做匀速直线运动 合力为零 可判断出洛伦兹力与电场力的方向 判断出液滴只有带正电荷才可能合力为零做匀速直线运动 此时电场线必斜向上 答案 d 状元笔记 带电粒子 体 在复合场中的运动问题求解要点 1 受力分析是基础 在受力分析时是否考虑重力必须注意题目条件 2 运动过程分析是关键 在运动过程分析中应注意物体做直线运动 曲线运动及圆周运动 类平抛运动的条件 3 根据不同的运动过程及物理模型选择合适的物理规律列方程求解 4 常用的物理规律 共点力平衡条件 运动定律 运动学公式 动能定理 能量守恒定律 功能关系 圆周运动向心力公式等 5 思维方法 常用到力的合成与分解 运动的合成及分解 等效法 假设法 类比法等 2 如图所示 已知一带电小球在光滑绝缘的水平面上从静止开始经电压u加速后 水平进入互相垂直的匀强电场e和匀强磁场b的复合场中 e和b已知 小球在此空间的竖直面内做匀速圆周运动 则 三 带电粒子在复合场中的运动情况分类分析1 直线运动自由的带电粒子 无轨道约束 在复合场 三场共存 中的直线运动是匀速直线运动 除非运动方向沿磁场方向而不受洛伦兹力 这是因为电场力和重力都是恒力 当速度变化时 会引起洛伦兹力的变化 合力也相应的发生变化 粒子的运动方向就要改变而做曲线运动 在具体题目中 应根据f合 0进行计算 2 匀速圆周运动当带电粒子在复合场 三场共存 中 重力与电场力相平衡 粒子运动方向与匀强磁场方向垂直时 带电粒子就做匀速圆周运动 此种情况下要同时应用平衡条件和向心力公式来进行分析 3 一般曲线运动当带电粒子所受合外力是变力 且与初速度方向不在一条直线上时 粒子做非匀变速曲线运动 这时粒子的运动轨迹不是圆弧 也不是抛物线 一般用动能定理或功能关系计算 如图所示 mn是一段在竖直平面内半径为1m的光滑的1 4圆弧轨道 轨道上存在水平向右的匀强电场 轨道的右侧有一垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b1 0 1t 现有一带电荷量为1c 质量为100g的带正电小球从m点由静止开始自由下滑 恰能沿np方向做直线运动 并进入右侧的复合场 np沿复合场的中心线 已知ab板间的电压为uba 2v 板间距离d 2m 板的长度l 3m 若小球恰能从板的边沿飞出 g取10m s2 求 1 小球运动到n点时的速度v 2 水平向右的匀强电场的电场强度e 3 复合场中的匀强磁场的磁感应强度b2 方法归纳 带电粒子在复合场中运动的问题 往往综合性较强 物理过程复杂 在分析处理该部分的问题时 要充分挖掘题目的隐含信息 利用题目创设的情景 对粒子做好受力分析 运动过程分析 培养空间想象能力 分析综合能力 应用数学知识处理物理问题的能力 3 如图所示 竖直平面xoy内存在水平向右的匀强电场 场强大小e 10n c 在y 0的区域内还存在垂直于坐标平面向里的匀强磁场 磁感应强度大小b 0 5t 一带电量q 0 2c 质量m 0 4kg的小球由长l 0 4m的细线悬挂于p点 小球可视为质点 现将小球拉至水平位置a无初速释放 小球运动到悬点p正下方的坐标原点o时 悬线突然断裂 此后小球又恰好能通过o点正下方的n点 g 10m s2 求 1 小球运动到o点时的速度大小 2 悬线断裂前瞬间拉力的大小 3 on间的距离 四 带电粒子在复合场中运动的应用实例1 速度选择器速度选择器是利用垂直的电场 磁场选出一定速度的带电粒子的装置 基本构造如图所示 两平行金属板间加电压产生匀强电场e 匀强磁场b与e垂直 2 质谱仪质谱仪的构造如图所示 质谱仪由速度选择器和mn板右侧的偏转分离磁场两部分组成 图示质谱仪在先对离子束进行速度选择后 相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场b 中做匀速圆周运动 不同比荷的离子轨道半径不同 将落在mn板的不同位置 由此可以用来测定带电粒子的质量和分析同位素 2 加速条件 交变电压的周期和粒子做圆周运动的周期相等 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工作的条件 4 磁流体发电机如图是磁流体发电机 其原理是 等离子气体喷入磁场 正 负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到a b板上 产生电势差 设a b平行金属板的面积为s 相距l 等离子气体的电阻率为 喷入气体速度为v 板间磁场的磁感应强度为b 板外电阻为r 当等离子气体匀速通过a b板间 a b板上聚集的电荷最多 板间电势差最大 即为电源电动势 此时离子受力平衡 e场q bqv e场 bv 电动势e e场l blv 电源内电阻 5 电磁流量计如图所示 一圆形导管直径为d 由非磁性材料制成 其中有可以导电的液体向左流动 导电液体中的自由电荷 正 负离子 在洛伦兹力作用下发生横向偏转 a b间出现电势差 当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时 a b间的电势差就保持恒定 如图所示的装置 左半部为速度选择器 右半部为匀强的偏转电场 一束同位素离子流从狭缝s1射入速度选择器 能够沿直线通过速度选择器并从狭缝s2射出的离子 又沿着与电场垂直的方向 立即进入场强大小为e的偏转电场 最后打在照相底片d上 已知同位素离子的电荷量为q q 0 速度选择器内部存在着相互垂直的场强大小为e0的匀强电场和磁感应强度大小为b0的匀强磁场 照相底片d与狭缝s1 s2的连线平行且距离为l 忽略重力的影响 1 求从狭缝s2射出的离子速度v0的大小 2 若打在照相底片上的离子在偏转电场中沿速度v0方向飞行的距离为x 求出x与离子质量m之间的关系式 用e0 b0 e q m l表示 思维点拨 解答此题需把握以下两点 1 根据速度选择器关系可求离子射出时的速度 2 根据平抛运动知识可求各物理量间关系 4 质谱仪的工作原理图如图所示 a为粒子加速器 加速电压为u1 m为速度选择器 两板间有相互垂直的匀强磁场和匀强电场 匀强磁场的磁感应强度为b1 两板间距离为d n为偏转分离器 内部有与纸面垂直的匀强磁场 磁感应强度为b1 一质量为m 电荷量为q的带正电的粒子由静止经加速器加速后 恰能通过速度选择器 进入分离器后做圆周运动 并打到感光板p上 不计粒子重力 求 1 粒子经粒子加速器a加速后的速度v的大小及速度选择器m两板间的电压u2 2 粒子在偏转分离器n的磁场中做圆周运动的半径r 3 某同学提出 在其他条件不变的情况下 只减小加速电压u1 就可以使粒子在偏转分离器n的磁场中做圆周运动的半径减小 试分析他的说法是否正确 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 解析 回旋加速器通过电场对离子做功获得能量 a正确 洛伦兹力对离子不做功 b错误 电场对离子做功与电势差成正比 增大空隙距离不能增加电场力对离子做功 c错误 增大d形盒的半径可以使离子加速次数增加 从而增加从回旋加速器中获得的动能 故d正确 答案 ad 如图所示为磁流体发电机的原理图 将一束等离子体喷射入磁场 在场中有两块金属板a b 这时金属板上就会聚集电荷 产生电压 如果射入的等离子体速度均为v 两金属板的板长为l 板间距离为d 板平面的面积为s 匀强磁场的磁感应强度为b 方向垂直于速度方向 负载电阻为r 等离子体充满两板间的空间 当发电机稳定发电时 电流表示数为i 那么板间等离子体的电阻率为 1 设半导体薄片的宽度 c f间距 为l 请写出uh和eh的关系式 若半导体材料是电子导电的 请判断图1中c f哪端的电势高 2 已知半导体薄片