高考物理第一轮总复习课件：选修3-1第8章第3节(1)

第3节带电粒子在复合场中的运动 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 从场的复合形式上一般可分为如下四种情况 磁场 相邻场 重叠场 交替场 交变场 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 静止 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 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 相等 相反 匀速圆周 3 较复杂的曲线运动当带电粒子所受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 变速曲线运动 这时粒子运动轨迹既不是圆弧 也不是抛物线 非匀 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 三 电场磁场分区域应用实例1 电视显像管电视显像管是应用电子束 填 电偏转 或 磁偏转 的原理来工作的 使电子束偏转的 填 电场 或 磁场 是由两对偏转线圈产生的 磁偏转 磁场 显像管工作时 由 发射电子束 利用磁场来使电子束偏转 实现电视技术中的 使整个荧光屏都在发光 阴极 扫描 2 质谱仪 1 构造 如图8 3 1所示 由粒子源 和照相底片构成 图8 3 1 加速电场 偏转磁场 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 由以上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 3 回旋加速器 1 构造 如图8 3 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 图8 3 2 交流 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 相等 可见粒子获得的最大动能由 和D形盒 决定 与加速电压无关 四 电场磁场同区域并存应用实例1 速度选择器 磁感应强度B 半径R 如图8 3 3所示 平行板中电场强度E的方向和磁感应强度B的方向互相 这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来 所以叫做速度选择器 带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器的条件是 垂直 qE qvB 图8 3 3 2 磁流体发电机根据左手定则 如图8 3 4中的B板是发电机的正极 磁流体发电机两极板间的距离为d 等离子体速度为v 磁场磁感应强度为B 则两极板间能达到的最大电势差U dvB 图8 3 4 3 电磁流量计如图8 3 5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 非磁性材料 当自由电荷所受的 和 平衡时 a b间的电势差就保持稳定 图8 3 5 电场力 洛伦兹力 4 霍尔效应 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体 当 与电流方向垂直时 磁场方向 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8 3 6所示 图8 3 6 电势差 一 带电粒子在不同复合场中的运动1 磁场力 重力并存 1 若重力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 2 若重力和洛伦兹力不平衡 则带电体将做复杂的曲线运动 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 1 若电场力和洛伦兹力平衡 则带电体做匀速直线运动 2 若电场力和洛伦兹力不平衡 则带电体做复杂的曲线运动 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 1 若三力平衡 一定做匀速直线运动 2 若重力与电场力平衡 一定做匀速圆周运动 3 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 4 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 即时应用1 一个带电粒子穿过某一空间而未发生偏转 则下列说法中正确的是 A 此空间一定不存在磁场B 此空间可能有磁场 方向与电子的速度方向平行C 此空间可能有磁场 方向与电子的速度方向垂直 D 此空间可能有正交的匀强电场和匀强磁场 它们的方向均与电子的速度方向垂直解析 选BD 带电粒子没有受到磁场力的原因有两种情况 一是没有磁场 一是磁场的方向与运动方向平行 如果既有电场又有磁场 当这两个力的合力为零时带电粒子也不会偏转 二 磁偏转 和 电偏转 的比较 即时应用2 2012 北京海淀一模 如图8 3 7所示 a b是一对水平放置的平行金属板 板间存在着竖直向下的匀强电场 一个不计重力的带电粒子从两板左侧正中位置以初速度v0沿平行于金属板的方向进入场区 带电粒子进入场区后将向上偏转 并恰好从a板的右边缘处飞出 图8 3 7 若撤去电场 在两金属板间加垂直纸面向里的匀强磁场 则相同的带电粒子从同一位置以相同的速度进入场区后将向下偏转 并恰好从b板的右边缘处飞出 现上述的电场和磁场同时存在于两金属板之间 仍让相同的带电粒子 从同一位置以相同的速度进入场区 则下面的判断中正确的是 A 带电粒子将做匀速直线运动B 带电粒子将偏向a板一方做曲线运动C 带电粒子将偏向b板一方做曲线运动 D 无法确定带电粒子做哪种运动 三 解决带电粒子在复合场中运动问题的基本思路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 1 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 2 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 3 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 4 对于临界问题 注意挖掘隐含条件 特别提醒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 恰好 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 即时应用3 2012 陕西西工大附中高三检测 狄拉克曾经预言 自然界应该存在只有一个磁极的磁单极子 假设地面附近空中有一S极磁单极子 在竖直平面内的磁感线如图8 3 8所示 一带电微粒正在该磁单极子附近的水平面上做匀速圆周运动 图中 表示三个不同的水平面 则该微粒所在平面可能是图中的 图8 3 8 A 平面 B 平面 C 平面 D 平面 都可能解析 选C 由于粒子受到重力作用 故可知洛伦兹力既要提供做圆周运动的向心力 同时还要平衡重力作用 结合图中可知只有C选项中的平面才能同时满足以上两个要求 故C正确 2011 高考大纲全国卷 如图8 3 9所示 与水平面成45 的平面MN将空间分成 和 两个区域 一质量为m 电荷量为q q 0 的粒子以速度v0从平面MN上的P0点水平向右射入 区 图8 3 9 粒子在 区运动时 只受到大小不变 方向竖直向下的电场力作用 电场强度大小为E 在 区运动时 只受到匀强磁场的作用 磁感应强度大小为B 方向垂直于纸面向里 求粒子首次从 区离开时到出发点P0的距离 粒子的重力可以忽略 思路点拨 根据带电粒子在不同区域的运动规律 画出运动轨迹 同时把握住带电粒子在两区域过渡点的速度大小 方向是解题的关键 解析 带电粒子进入电场后 在电场力的作用下沿抛物线运动 其加速度方向竖直向下 设其大小为a 由牛顿定律得qE ma 图8 3 10 弧所对的圆心角为2 则点P1到点P2的距离为s1 2r1sin 方法指引 解决带电粒子在组合场运动问题的思路方法 变式训练如图8 3 11所示 在矩形ABCD内对角线BD以上的区域存在有平行于AD向下的匀强电场 对角线BD以下的区域存在有垂直于纸面的匀强磁场 图中未标出 矩形AD边长为L AB边长为L 一个质量为m 电荷量 q的带电粒子 不计重力 以初速度v0从A点沿AB方向进入电场 图8 3 11 在对角线BD的中点P处进入磁场 并从DC边上的Q点垂直于DC离开磁场 试求 1 电场强度的大小 2 带电粒子经过P点时速度的大小和方向 3 磁场的磁感应强度的大小和方向 如图8 3 12所示 足够长的光滑绝缘斜面与水平面的夹角为 sin 0 6 放在匀强电场和匀强磁场中 电场强度E 50V m 方向水平向左 磁场方向垂直纸面向外 一个电荷量为q 4 10 2C 质量m 0 40kg的光滑小球 以初速度v0 20m s从斜面底端向上滑 图8 3 12 然后又下滑 共经过3s脱离斜面 求磁场的磁感应强度 g取10m s2 思路点拨 解此题的关键有两点 1 带电小球在上滑和下滑两个过程的受力特点 2 带电小球脱离斜面的原因及条件 解析 小球沿斜面向上运动过程中受力分析如图8 3 13所示 由牛顿第二定律 得qEcos mgsin ma1 图8 3 13 小球在离开斜面前做匀加速直线运动 a2 10m s2运动时间t2 1s脱离斜面时的速度v a2t2 10m s 图8 3 14 答案 5T 方法引导 带电粒子 体 在叠加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 互动探究 1 该题中小球沿斜面上滑的最大距离是多少 2 若小球带负电 小球沿斜面上滑的时间是多少 答案 1 20m 2 10s 满分样板18分 2011 高考北京理综卷 利用电场和磁场 可以将比荷不同的离子分开 这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用 如图8 3 15所示的矩形区域ACDG AC边足够长 中存在垂直于纸面的匀强磁场 A处有一狭缝 图8 3 15 离子源产生的离子 经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA边且垂直于磁场的方向射入磁场 运动到GA边 被相应的收集器收集 整个装置内部为真空 已知被加速的两种正离子的质量分别是m1和m2 m1 m2 电荷量均为q 加速电场的电势差为U 离子进入电场时的初速度可以忽略 不计重力 也不考虑离子间的相互作用 1 求质量为m1的离子进入磁场时的速率v1 2 当磁感应强度的大小为B时 求两种离子在GA边落点的间距s 3 在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响 实际装置中狭缝具有一定宽度 若狭缝过宽 可能使两束离子在GA边上的落点区域交叠 导致两种离子无法完全分离 设磁感应强度大小可调 GA边长为定值L 狭缝宽度为d 狭缝右边缘在A处 离子可以从狭缝各处射入磁场 入射方向仍垂