高考物理 第五课时 带电粒子在复合场中的运动导与练复习课件.ppt

2012高三物理复习课件 导与练福建 第8章第五课时带电粒子在复合场中的运动 1 知道带电粒子在复合场中的运动特点及规律 2 能用力的观点 运动的观点 能量的观点熟练解决相关问题 3 知道速度选择器 回旋加速器 质谱仪 电磁流量计 磁流体发电机的原理和基本构造 会分析相关问题 1 复合场 1 定义 复合场是指电场 磁场 重力场并存 或其中某两场并存 2 三种场的比较 2 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 将处于静止状态或做匀速直线运动 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 非匀变速曲线运动 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 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 目前这一类问题是高考热点 带电粒子若在重力 电场力 为恒力时 及洛伦兹力共同作用下做直线运动时 则一定为匀速直线运动 且三力合力为零 5 霍尔效应 构造 如图所示 载流子为正电荷为例 原理 将一金属板放在垂直于板面的磁场中 当有电流通过时 运动电荷会在洛伦兹力作用下向金属板某一边偏转 这样便在金属板两边分别聚集了正 负电荷 如果用电压表测量 可以测出金属板两边存在电压 如图 这一现象通常被称为霍尔效应 以此原理设计的元器件称为霍尔元件 在速度选择器 磁流体发电机 霍尔效应 电磁流量计等实例中 都有一个重要关系 即最终稳定时都有电场力与磁场力大小相等的条件 这也是解决此类问题的关键点 即qe qvb 对应学生用书第120页 1 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不可能的是 d 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 解析 若带正电荷 受力如图所示 若eq qvb 直线运动 eq qvb 向左下方偏转 eq qvb 向右上方偏转 但无法做匀速圆周运动 同理若带负电 三种情况同上 选择d项 2 如图所示 一个质量为m的带电液滴在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中的竖直平面内做半径为r的匀速圆周运动 那么该液滴 b a 一定带正电 且沿逆时针方向转动b 一定带负电 且沿顺时针方向转动c 一定带负电 绕行方向不明d 带什么电 绕行方向不确定解析 由题图可知 提供向心力的只能是洛伦兹力 带电液滴所受电场力和重力大小相等方向相反 即带电液滴所受电场力方向向上 与电场方向相反 所以带电性质为负电 由于洛伦兹力必指向圆心 由左手定则可知 带电液滴必沿顺时针方向转动 3 如图所示 a b是一对平行金属板 分别接到直流电源两极上 右边有一挡板 正中间开有一小孔d 在较大空间范围内存在着匀强磁场 磁感应强度大小为b 方向垂直纸面向里 在a b两板间还存在着匀强电场e 从两板左侧中点c处射入一束正离子 不计重力 这些正离子都沿直线运动到右侧 从d孔射出后分成3束 则下列判断正确的是 d a 这三束正离子的速度一定不相同b 这三束正离子的质量一定不相同c 这三束正离子的电荷量一定不相同d 这三束正离子的比荷一定不相同 带电粒子在复合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 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 用动能定理 能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果 例1 如图所示 绝缘直棒上的小球 其质量为m 带电荷量是 q 小球可在棒上滑动 将此棒竖直放在互相垂直且沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中 电场强度是e 磁感应强度是b 小球与棒间的动摩擦因数为 已知mg qe 求小球由静止沿棒下滑的最大加速度和最大速度的大小 小球所带电荷量不变 思路点拨 1 将小球释放瞬间 小球受到哪些力的作用 重力 电场力 弹力 摩擦力 2 小球下滑过程中 由于洛伦兹力的变化 小球所受弹力 摩擦力如何变化 3 小球下滑过程中何时加速度最大 何时速度最大 洛伦兹力作用下的非匀速运动分析要点 1 明确洛伦兹力的方向特点 总是与速度方向垂直 不改变速度的大小 2 洛伦兹力不做功 在应用机械能守恒定律 动能定理时要特别注意这一点 3 注意洛伦兹力可能是恒力 也可能是变力 很多问题中往往就是利用速度变化引起洛伦兹力的变化 从而改变了物体的受力情况 以改变物体的运动状态 针对训练11 如图所示 在磁感应强度为b的水平匀强磁场中 有一足够长的绝缘细棒oo 在竖直面内垂直于磁场方向放置 细棒与水平面夹角为 一质量为m 带电荷量为 q的圆环a套在oo 棒上 圆环与棒间的动摩擦因数为 且 tan 现让圆环a由静止开始下滑 试问圆环在下滑过程中 1 圆环a的最大加速度为多大 获得最大加速度时的速度为多大 2 圆环a能够达到的最大速度为多大 带电粒子在组合场中的运动1 在电场 磁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 2 磁偏转和电偏转的比较如图所示 3 分析方法和一般思路 1 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分析 2 粒子在分区域的电场 磁场中运动时 一般在电场中做类平抛运动 在磁场中做匀速圆周运动 然后找出在两种场的分界线上的两种运动的联系即可解决问题 其中 运动的合成与分解及几何关系的运用是关键 例2 14分 如图所示 在xoy平面的第一象限有一匀强电场 电场的方向平行于y轴向下 在x轴和第四象限的射线oc之间有一匀强磁场 磁感应强度的大小为b 方向垂直于纸面向外 有一质量为m 带有电荷量 q的质点由电场左侧平行于x轴射入电场 质点到达x轴上a点时 速度方向与x轴的夹角为 a点与原点o的距离为d 接着 质点进入磁场 并垂直于oc飞离磁场 不计重力影响 若oc与x轴的夹角也为 求 1 质点在磁场中运动速度的大小 2 匀强电场的场强大小 处理带电粒子在分区域的电场 磁场中运动时 关键是找出两种场的分界线上的两种运动的联系 针对训练21 2011年西城区期末 如图所示 相距为r的两块平行金属板m n正对着放置 s1 s2分别为m n板上的小孔 s1 s2 o三点共线 它们的连线垂直m n 且s2o r 以o为圆心 r为半径的圆形区域内存在磁感应强度为b 方向垂直纸面向外的匀强磁场 d为收集板 板上各点到o点的距离以及板两端点的距离都为2r 板两端点的连线垂直m n板 质量为m 带电荷量为 q的粒子 经s1进入m n间的电场后 通过s2进入磁场 粒子在s1处的速度和粒子所受的重力均不计 1 当m n间的电压为u时 求粒子进入磁场时速度的大小v 2 若粒子恰好打在收集板d的中点上 求m n间的电压值u0 3 当m n间的电压不同时 粒子从s1到打在d上经历的时间t会不同 求t的最小值 考点一 带电粒子在复合场中有约束情况下的运动 例1 基础题 如图所示 在磁感应强度为b的匀强磁场中 有一与磁感线垂直且水平放置的 长为l的摆线 拴一质量为m 带有 q电荷量的摆球 可视为质点 摆球由静止释放 试求摆球通过最低位置时绳上的拉力f 考点二 霍尔效应 2010年福建卷 20 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 1 本题考查带电粒子在复合场中的运动 2 解题关键是受力分析和判断物体的运动及组合场分界线处两种运动的联系 测控导航 1 2010年肇庆模拟 如图所示 水平放置的平行金属板a b带有等量异种电荷 a板带正电 两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场 若一个带正电的液滴在两板间做直线运动 其运动方向是 d a 沿竖直方向向下b 沿竖直方向向上c 沿水平方向向左d 沿水平方向向右解析 带正电的液滴一定会受到竖直向下的重力和电场力 a b c选项中 带电液滴还将受洛伦兹力作用 且其与重力 电场力的合力方向与运动方向不在一条直线上 都会做曲线运动 选项d中 带电液滴受洛伦兹力竖直向上 若洛伦兹力大小等于竖直向下的重力和电场力的合力 液滴将做匀速直线运动 3 2010年福建模拟 如图所示 实线表示在竖直平面内的电场线 方向未标出 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 则下列说法中错误的是 d 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解析 若液滴带负电 液滴不可能沿l做直线运动 故选项b正确 若液滴的运动为匀变速直线运动 洛伦兹力大小将发生变化 改变其直线运动轨迹 故选项d错误 a正确 保证液滴做匀速直线运动的条件是液滴受力平衡 因此液滴一定带正电 且电场线方向斜向上 选项c正确 所以本题中说法错误的只有选项d 4 回旋加速器是加速带电粒子的装置 其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个d形金属盒 两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场 使粒子在通过狭缝时都能得到加速 两d形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中 如图所示 要增大带电粒子射出时的动能 则下列说法中正确的是 c a 减小磁场的磁感应强度b 增大匀强电场间的加速电压c 增大d形金属盒的半径d 减小狭缝间的距离 5 2010年厦门双十中学高三月考 如图是质谱仪工作原理的示意图 带电粒子a b经电压u加速 在a点初速度为零 后 进入磁感应强度为b的匀强磁场做匀速圆周运动 最后分别打在感光板s上的x1 x2处 图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a b所通过的路径 则 d a a的质量一定大于b的质量b a的电荷量一定大于b的电荷量c 在磁场中a运动的时间大于b运动的时间d a的比荷 qa ma 大于b的比荷 qb mb 答案 见解析 8 2010年广东模拟 如图所示 竖直平面内有相互垂直的匀强电场和匀强磁场 电场强度e1 2500n c 方向竖直向上 磁感应强度b 103t 方向垂直纸面向外 有一质量m 1 10 2kg 电荷量q 4 10 5c的带正电小球自o点沿与水平线成45 角以v0 4m s的速度射入复合场中 之后小球恰好从p点进入电场强度e2 2500n c 方向水平向左的第二个匀强电场中 不计空气阻力 g取10m s2 求 1 o点到p点的距离s1 2 带电小球经过p点的正下方q点时与p点的距离s2 9 拓展探究题 在某空间存在着水平向右的匀强电场