高考物理一轮复习 8.2 磁场对运动电荷的作用及应用课件 新课标.ppt

1 洛伦兹力 磁场对的作用力叫洛伦兹力 第2讲磁场对运动电荷的作用及应用 运动电荷 2 洛伦兹力的方向 1 判定方法左手定则 掌心 磁感线穿入掌心 四指 指向正电荷运动的方向或负电荷运动的 拇指 指向的方向 2 方向特点 f b f v 即f垂直于b和v决定的 注意 洛伦兹力不做功 垂直 反方向 洛伦兹力 平面 3 洛伦兹力的大小 1 v b时 洛伦兹力f 0 或180 2 v b时 洛伦兹力f 90 3 v 0时 洛伦兹力f 0 qvb 0 1 若v b 带电粒子不受洛伦兹力 在匀强磁场中做运动 2 若v b 带电粒子仅受洛伦兹力作用 在垂直于磁感线的平面内以入射速度v做运动 匀速直线 匀速圆周 1 质谱仪 1 构造 如图8 2 1所示 由粒子源 和照相底片等构成 加速电场 偏转磁场 粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转 做匀速圆周运动 根据牛顿第二定律得关系式qvb 由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 r m 2 回旋加速器 1 构造 如图8 2 2所示 d1 d2是半圆金属盒 d形盒的缝隙处接电源 d形盒处于匀强磁场中 交流 相等 磁感应强度 半径 无关 1 2011 遵义高三检测 关于电场力与洛伦兹力 以下说法正确的是 a 电荷只要处在电场中 就会受到电场力 而电荷静止在磁场中 也可能受到洛伦兹力b 电场力对在电场中的电荷一定会做功 而洛伦兹力对在磁场中的电荷却不会做功c 电场力与洛伦兹力一样 受力方向都在电场线和磁感线上d 只有运动的电荷在磁场中才可能会受到洛伦兹力的作用 解析静止在磁场中的电荷不可能受到洛伦兹力 a错 尽管电场力对电荷可以做功 但如果电荷在电场中不动或沿等势面移动 电场力做功为零 b错 洛伦兹力的方向与磁感线垂直 与运动方向垂直 c错 只有d是正确的 答案d 解析根据左手定则 a中f方向应向上 b中f方向应向下 故a错 b对 c d中都是v b f 0 故c d都错 答案b 3 如图8 2 3所示 半径为r的圆形空间内 存在着垂直于纸面向里的匀强磁场 一个带电粒子 不计重力 从a点以速度v0垂直于磁场方向射入磁场中 并从b点射出 若 aob 120 则该带电粒子在磁场中运动的时间为 答案d 答案d 5 2012 石家庄教学检测 劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器 工作原理示意图如图8 2 5所示 置于高真空中的d形金属盒半径为r 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 高频交流电频率为f 加速电压为u0 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 答案a 考点一对洛伦兹力的理解1 洛伦兹力和安培力的关系洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力 而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现 2 洛伦兹力方向的特点 1 洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面 2 当电荷运动方向发生变化时 洛伦兹力的方向也随之变化 3 用左手定则判断负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时 要注意将四指指向电荷运动的反方向 3 洛伦兹力与电场力的比较 典例1 用绝缘细线悬挂一个质量为m 带电荷量为 q的小球 让它处于图8 2 6所示的磁感应强度为b的匀强磁场中 由于磁场的运动 小球静止在图中位置 这时悬线与竖直方向夹角为 并被拉紧 则磁场的运动速度和方向是 答案c 变式1 在如图8 2 7所示的空间中 存在电场强度为e的匀强电场 同时存在沿x轴负方向 磁感应强度为b的匀强磁场 一质子 电荷量为e 在该空间恰沿y轴正方向以速度v匀速运动 据此可以判断出 a 质子所受电场力大小等于ee 运动中电势能减小 沿z轴正方向电势升高 b 质子所受电场力大小等于ee 运动中电势能增大 沿z轴正方向电势降低c 质子所受电场力大小等于evb 运动中电势能不变 沿z轴正方向电势升高d 质子所受电场力大小等于evb 运动中电势能不变 沿z轴正方向电势降低 解析解答本题是利用左手定则判断洛伦兹力的方向 根据平衡条件判断电场力方向及电场方向 注意运用电场力做功与电势能变化的关系 沿电场线方向电势降低 匀强磁场的磁感应强度b的方向沿x轴负方向 质子沿y轴正方向运动 由左手定则可确定洛伦兹力沿z轴正方向 由于质子受电场力和洛伦兹力作用沿y轴正方向做匀速直线运动 故电场力ee等于洛伦兹力evb 方向沿z轴负方向 即电场方向沿z轴负方向 质子在运动过程中电场力不做功 电势能不变 沿z轴正方向即电场反方向电势升高 故c正确 a b d错误 答案c 考点二带电粒子在匀强磁场中的运动1 圆心的确定 1 已知入射点 出射点 入射方向和出射方向时 可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线 两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心 如图8 2 8甲所示 图中p为入射点 m为出射点 2 已知入射方向 入射点和出射点的位置时 可以通过入射点作入射方向的垂线 连接入射点和出射点 作其中垂线 这两条垂线的交点就是圆弧轨迹的圆心 如图8 2 8乙所示 p为入射点 m为出射点 典例2 如图8 2 9所示 长方形abcd长ad 0 6m 宽ab 0 3m o e分别是ad bc的中点 以ad为直径的半圆内有垂直于纸面向里的匀强磁场 边界上无磁场 磁感应强度b 0 25t 一群不计重力 质量m 3 10 7kg 电荷量q 2 10 3c的带电粒子 以速度v 5 102m s沿垂直ad方向且垂直于磁场射入磁场区域 不考虑粒子间的相互作用 1 若从o点射入的带电粒子刚好沿oe直线射出 求空间所加电场的大小和方向 2 若只有磁场时 某带电粒子从o点射入 求该粒子从长方形abcd射出的位置 解析 1 若从o点射入的带电粒子刚好沿oe直线射出 则粒子所受的洛伦兹力与电场力平衡 即qvb qe 得e vb 125v m由左手定则可判断洛伦兹力方向向上 所以电场力向下 因为粒子带正电 所以电场方向与bc边平行向下 答案 1 125v m 与bc边平行向下 2 e点上方距e点0 22m处 1 画轨迹 即画出轨迹 并确定圆心 几何方法求半径 2 找联系 轨道半径与磁感应强度 运动速度相联系 偏转角度与圆心角 运动时间相联系 在磁场中运动的时间与周期相联系 3 用规律 即牛顿第二定律和圆周运动的规律 特别是周期公式 半径公式 1 该离子通过两磁场区域所用的时间 2 离子离开右侧区域的出射点偏离最初入射方向的侧移距离为多大 侧移距离指垂直初速度方向上移动的距离 答案 1 4 19 10 6s 2 2m 10 带电粒子的磁偏转 模型 有界磁场中的临界问题 1 模型概述带电粒子在有界磁场中的偏转问题一直是高考的热点 此类模型较为复杂 常见的磁场边界有单直线边界 双直线边界 矩形边界和圆形边界等 因为是有界磁场 则带电粒子运动的完整圆周往往会被破坏 可能存在最大 最小面积 最长 最短时间等问题 2 模型分类 单直线边界型当粒子源在磁场中 且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子时以图8 2 11 甲 中带负电粒子的运动为例 圆形边界 1 圆形磁场区域规律要点 相交于圆心 带电粒子沿指向圆心的方向进入磁场 则出磁场时速度矢量的反向延长线一定过圆心 即两速度矢量相交于圆心 如图8 2 12 甲 直径最小 带电粒子从直径的一个端点射入磁场 则从该直径的另一端点射出时 磁场区域面积最小 如图8 2 12 乙 所示 2 环状磁场区域规律要点 径向出入 带电粒子沿 逆 半径方向射入磁场 若能返回同一边界 则一定逆 沿 半径方向射出磁场 最值相切 当带电粒子的运动轨迹与圆相切时 粒子有最大速度vm而磁场有最小磁感应强度b 如图8 2 12 丙 典例 如8 2 13所示 两个同心圆 半径分别为r和2r 在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b 圆心o处有一放射源 放出粒子的质量为m 带电量为q 假设粒子速度方向都和纸面平行 1 图中箭头表示某一粒子初速度的方向 oa与初速度方向夹角为60 要想使该粒子经过磁场第一次通过a点 则初速度的大小是多少 2 要使粒子不穿出环形区域 则粒子的初速度不能超过多少 1 2011 海南卷 10改编 如图8 2 14所示空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场 图中的正方形为其边界 一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从o点入射 这两种粒子带同种电荷 它们的电荷量 质量均不同 但其比荷相同 且都包含不同速率的粒子 不计重力 下列说法正确的是 a 入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同b 入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同c 在磁场中运动时间相同的粒子 其运动轨迹一定相同d 在磁场中运动时间越长的粒子 其轨迹所对的圆心角一定越小 答案b 2 2011 浙江卷 20改编 利用如图8 2 15所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子 图中板mn上方是磁感应强度大小为b 方向垂直纸面向里的匀强磁场 板上有两条宽度分别为2d和d的缝 两缝近端相距为l 一群质量为m 电荷量为q 具有不同速度的粒子从宽度为2d的缝垂直于板mn进入磁场 对于能够从宽度为d的缝射出的粒子 下列说法正确的是 答案c 3 2011 广东卷 35 如图8 2 16 a 所示 在以o为圆心 内外半径分别为r1和r2的圆环区域内 存在辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场 内外圆间的电势差u为常量 r1 r0 r2 3r0 一电荷量为 q 质量为m的粒子从内圆上的a点进入该区域 不计重力 1 已知粒子从外圆上以速度v1射出 求粒子在a点的初速度v0的大小 2 若撤去电场 如图8 2 16 b 已知粒子从oa延长线与外圆的交点c以速度v2射出 方向与oa延长线成45 角 求磁感应强度的大小及