高考物理一轮复习 第八章 磁场第2讲 磁场对运动电荷的作用课件 教科版选修31.ppt

第2讲磁场对运动电荷的作用 2013届高考一轮物理复习课件选修3 1第八章磁场 教科版 1 洛伦兹力 磁场对 的作用力叫洛伦兹力 洛伦兹力 洛伦兹力的方向 考纲要求 洛伦兹力的公式 考纲要求 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 运动电荷 垂直 反方向 洛伦兹力 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 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 3 平面 0 0 qvb 若v b 带电粒子不受洛伦兹力 在匀强磁场中做 运动 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 带电粒子在匀强磁场中的运动 考纲要求 1 2 匀速直线 匀速圆周 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 2 原理 粒子由静止被加速电场加速 根据动能定理可得关系式 质谱仪和回旋加速器 考纲要求 图8 2 1 1 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 加速电场 偏转磁场 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 2 原理 交流电的周期和粒子做圆周运动的周期 粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过d形盒缝隙 两盒间的电势差一次一次地反向 粒子就会被一次一次地加速 图8 2 2 2 子获得的最大动能由 和d形盒 决定 与加速电压 可见粒 交流 磁感应强度 半径 无关 相等 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 1 2011 黄山高三检测 下列各图中 运动电荷的速度方向 磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确的是 2 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 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 图8 2 3 3 答案d 1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明 同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖 若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图8 2 4所示 则下列相关说法中正确的是 a 该束带电粒子带负电b 速度选择器的p1极板带正电 图8 2 4 4 c 在b2磁场中运动半径越大的粒子 质量越大 答案bd 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 图8 2 5 5 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 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 d 不改变磁感应强度b和交流电频率f 该回旋加速器也能用于 粒子加速 答案ac 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 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 考点一对洛伦兹力的理解 1 2 3 洛伦兹力与电场力的比较 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 典例1 图8 2 6 答案c 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 变式1 图8 2 7 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 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 考点二带电粒子在匀强磁场中的运动 1 甲乙图8 2 8 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 半径的确定可利用物理学公式或几何知识 勾股定理 三角函数等 求出半径大小 运动时间的确定 2 3 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 典例2 图8 2 9 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 2 如图所示 若只有磁场时 某带电粒子从o点射入 由左手定则可知粒子射入后向上偏转 答案 1 125v m 与bc边平行向下 2 e点上方距e点0 22m处 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的程序解题法 三步法 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 如图8 2 10所示 在某空间实验室中 有两个靠在一起的等大的圆柱形区域 分别存在着等大反向的匀强磁场 磁感应强度b 0 10t 磁场区域 变式2 图8 2 10 左侧区圆心为o1 磁场向里 右侧区圆心 为o2 磁场向外 两区域切点为c 今有质量m 3 2 10 26kg 带电荷量q 1 6 10 19c的某种离子 从左侧区边缘的a点以速度v 106m s正对o1的方向垂直磁场射入 它将穿越c点后再从右侧区穿出 求 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 解析 1 离子在磁场中做匀速圆周运动 在左右两区域的运动轨迹是对称的 如右图 设轨迹半径为r 圆周运动的周期为t 2 在图中过o2向ao1作垂线 联立轨迹对称关系侧移总距离d 2rsin2 2m 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 规律要点 图8 2 11 双直线边界型当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同一种粒子时 以图8 2 11 乙 中带负电粒子的运动为例 规律要点 最值相切 粒子能从另一边界射出的上 下最远点对应的轨道分别与两直线相切 如图8 2 11 乙 所示 对称性 过粒子源s的垂线为ab的中垂线 在如图 乙 中 a b之间有带电粒子射出 最值相切规律可推广到矩形区域磁场中 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