【优化探究】高考物理一轮复习 第8章第3单元随堂课件.ppt

一 复合场复合场是指电场 和重力场并存 或其中某两场并存 或分区域存在 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 较复杂的曲线运动当带电粒子所受的合外力的大小和方向均变化 且与初速度方向不在同一条直线上 粒子做运动 这时粒子运动轨迹既不是圆弧 也不是抛物线 磁场 静止 匀速直线运动 相等 相反 匀速圆周 非匀变速曲线 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 温馨提示 研究带电粒子在复合场中的运动时 首先要明确各种不同力的性质和特点 其次要正确地画出其运动轨迹 再选择恰当的规律求解 三 带电粒子在复合场中运动的应用实例1 速度选择器 如右图 1 平行板中电场强度e和磁感应强度b互相 这种装置能把具有一定的粒子选择出来 所以叫做速度选择器 2 带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 即v 垂直 速度 qvb qe 2 磁流体发电机 1 磁流体发电是一项新兴技术 它可以把直接转化为电能 2 根据左手定则 如图所示中的b是发电机 磁场能 正极 blv 欧姆定律 加速电场 qu 5 霍尔效应 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体 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 这个现象称为霍尔效应 所产生的电势差称为霍尔电势差 其原理如图所示 4 电磁流量计工作原理 如图所示 圆形导管直径为d 用制成 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横向偏转 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 即 qvb qe q 所以v 因此液体流量q sv 非磁性材料 磁感应强度 电场 相同 带电粒子在分离的电场 磁场中的运动 重点提示 1 电偏转 和 磁偏转 分别是利用电场和磁场对 运动 电荷的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 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轴的夹角为 求 1 粒子在磁场中运动速度的大小 2 匀强电场的场强大小 思路点拨 根据粒子在不同区域内的运动特点和受力特点画出轨迹 分别利用类平抛和圆周运动的分析方法列方程求解 听课记录 1 质点在磁场中的轨迹为一圆弧 由于质点飞离磁场时 速度垂直于oc 故圆弧的圆心在oc上 依题意 质点轨迹与x轴的交点为a 过a点作与a点的速度方向垂直的直线 与oc交于o 由几何关系知 ao 垂直于oc o 是圆弧的圆心 1 如图所示 有界匀强磁场的磁感应强度b 2 10 3t 磁场右边是宽度l 0 2m 场强e 40v m 方向向左的匀强电场 一带电粒子电荷量q 3 2 10 19c 质量m 6 4 10 27kg 以v 4 104m s的速度沿oo 垂直射入磁场 在磁场中偏转后进入右侧的电场 最后从电场右边界射出 求 1 大致画出带电粒子的运动轨迹 2 带电粒子在磁场中运动的轨道半径 3 带电粒子飞出电场时的动能ek 答案 1 见解析图 2 0 4m 3 7 68 10 18j 带电粒子在复合场中运动的一般思路 1 带电粒子在复合场中运动的分析方法和一般思路 1 弄清复合场的组成 一般有磁场 电场的复合 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结合 4 对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题 要分阶段进行处理 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 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 重点提示 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 如右图所示 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 思路点拨 2 如图所示 套在很长的绝缘直棒上的小球 质量为1 0 10 4kg 带4 0 10 4c正电荷 小球在棒上可以滑动 将此棒竖直放置在沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中 匀强电场的电场强度e 10n c 方向水平向右 匀强磁场的磁感应强度b 0 5t 方向为垂直纸面向里 小球与棒间动摩擦因数为 0 2 求小球由静止沿棒竖直下落的最大加速度和最大速度 设小球在运动过程中所带电荷量保持不变 g取10m s2 解析 带电小球沿绝缘棒下滑过程中 受竖直向下的重力 竖直向上的摩擦力 水平方向弹力和洛伦兹力及电场力作用 当小球静止时 弹力等于电场力 小球在竖直方向所受摩擦力最小 小球加速度最大 小球运动过程中 弹力等于电场力与洛伦兹力之和 随着小球运动速度的增大 小球所受洛伦兹力增大 小球在竖直方向的摩擦力也随之增大 小球加速度减小 速度增大 当球的加速度为零时 速度达最大 小球刚开始下落时 加速度最大 设为am 这时竖直方向有mg f ma 在水平方向上有qe n 0 又f n 答案 2m s25m s 带电粒子在复合场中运动的分类 1 带电粒子在复合场中无约束情况下的运动 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 则带电体将做复杂曲线运动 因f洛不做功 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 则带电体做复杂曲线运动 因f洛不做功 可用动能定理求解问题 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 做复杂的曲线运动 因f洛不做功 可用能量守恒或动能定理求解问题 2 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 3 带电粒子在复合场中运动的临界值问题由于带电粒子在复合场中受力情况复杂 运动情况多变 往往出现临界问题 这时应以题目中的 最大 最高 至少 等词语为突破口 挖掘隐含条件 根据临界条件列出辅助方程 再与其他方程联立求解 重点提示 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 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 试求摆球通过最低位置时绳上的拉力f 思路点拨 解答此题应把握以下两点 1 弹力和洛伦兹力都随小球速度改变而改变 但这两力不做功 只有重力做功 2 在最低点应用牛顿第二定律求解 3 在竖直平面内半圆形光滑绝缘管处在如图所示的匀强磁场中 b 1 1t 半径r 0 8m 其直径aob在竖直线上 圆环平面与磁场方向垂直 在管口a处以2m s水平速度射入一个带电小球 其电荷量为 10 4c 问 1 小球滑到b处的速度为多少 2 若小球从b处滑出的瞬间 管子对它的压力恰好为零 小球质量为多少 g 10m s2 答案 1 6m s 2 1 2 10 5kg 1 关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量 下列结论中正确的是 a 与加速器的半径有关 半径越大 能量越大b 与加速器的磁场有关 磁场越强 能量越大c 与加速器的电场有关 电场越强 能量越大d 与带电粒子的质量和电荷量均有关 质量和电荷量越大 能量越大 答案 ab 2 2011年福州模拟 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孔射出后分为三束 则下列判断正确的是 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 答案 d 3 2011年广州模拟 如图所示 空间某一区域中存在着方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场 电场的方向水平向右 磁场方向水平向里 一个带电粒子在这一区域中运动时动能保持不变 不计粒子的重力 则带电粒子运动的方向可能是 a 水平向右b 水平向左c 竖直向上d 竖直向下 解析 带电粒子所受的洛伦兹力一定对它不做功 而粒子的动能又保持不变 所以可以判断所受的电场力对它也没有做功 粒子一定沿电场中的等势面移动 即竖直方向 若是竖直向上运动 不论是正电荷还是负电荷 洛伦兹力与电场力一定方向相反 可能平衡而做匀速直线运动 粒子的动能保持不变 若是竖直向下运动 不论是正电荷还是负电荷 洛伦兹力与电场力一定方向相同 在两力的作用下而做曲线运动 电场力做功 粒子的动能将发生变化 答案 c 4 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 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 所以液滴带负电 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 答案 b 5 2011年大同模拟 如图所示 宽度为l 0 8m的某一区域存在相互垂直的匀强电场e与匀强磁场b 其大小e 2 108n c b 10t 一带正电荷的粒子以某一初速度由m点垂直电场和磁场方向射入 沿直线运动 从n点离开 若只撤去磁场 则粒子从p点射出且速度方向发生了45 的偏转 求粒子的比荷 不计粒子的重力 答案 2 5 106c kg 1 要求灵活运用所学知识解决实际问题会成为命题的主要方向 如质谱仪 回旋加速器等都是此类问题 2 对带电粒子在复合场中运动的考查将会以新的背景方式出现 且对在有界场内的运动考查的可能性很高 3 带电粒子在有界磁场中的运动问题 综合性较强 解这类问题既要用到物理中的洛伦兹力 圆周运动的知识 又要用到数学中的平面几何知识 1 如图甲所示的空间内存在一个变化的电场和一个变化的磁场 电场的方向水平向右 图甲中由b到c 电场强度的大小随时间变化的情况如图乙所示 磁感应强度的方向垂直于纸面 磁感应强度的大小随时间变化的情况如图丙所示 在t 1s时 从a点沿ab方向 垂直于bc 以初速度v0射出第一个粒子 并在此之后 每隔2s有一个相同的粒子沿ab方向均以初速度v0射出 射出的粒子均能击中c点 若ab bc l 粒子由a运动到c的时间均小于1s 不计空气阻力及电磁场变化带来的影响 则以下说法正确的是 答案 abc 2 如图所示 空间存在水平向左的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场 电场和磁场相互垂直 在复合场区域中 有一个竖直放置的光滑绝缘圆环 环上套有一个带正电的小球 o点为圆环的圆心 a b c为圆环上的三个点 a点为最高点 c点为最低点 ob沿水平方向 已知小球所受电场力与重力大小相等 现将小球从环的顶端a点由静止释放 下列判断正确的是 a 当小球运动的弧长为圆周长的1 4时 洛伦兹力最大b 当小球运动的弧长为圆周长的1 2时 洛伦兹力最大c 小球从a点到b点 重力势能减小 电势能增大d 小球从b点运动到c点 电势能增大 动能先增大后减小 解析 由于重力和电场力大小相等 将电场力和重力合成 其合力方向为斜向左下 与竖直方向成45 角 由于洛伦兹力不做功 则带电小球在bc弧长的中点时速度最大 洛伦兹力最大 a b均错 小球从a点到b点的运动过程中 电场力