高考物理一轮复习 专题5 带电粒子在电场中综合问题分析课件.ppt

专题5带电粒子在电场中综合问题分析 2 一 示波管1 示波管装置示波管由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 管内抽成真空 如图所示 3 2 工作原理 1 如果在偏转电极xx 和yy 之间都没有加电压 则电子枪射出的电子束沿直线运动 打在荧光屏中心 在那里产生一个亮斑 2 yy 上加的是待显示的信号电压 xx 上是机器自身产生的锯齿形电压 叫作扫描电压 若所加扫描电压和信号电压的周期相同 就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图象 4 二 带电粒子在电场中综合问题的分析方法1 分析方法和力学的分析方法基本相同 先分析受力情况 再分析运动状态和运动过程 平衡 加速或减速 轨迹是直线还是曲线 然后选用恰当的力学规律如牛顿运动定律 运动学公式 动能定理 能量守恒定律解题 2 带电粒子的受力特点 在讨论带电粒子或其他带电体的静止与运动问题时 重力是否要考虑 关键看重力与其他力相比较是否能忽略 一般来说 除明显暗示外 带电小球 液滴的重力不能忽略 电子 质子等带电粒子的重力可以忽略 一般可根据微粒的运动状态判断是否考虑重力作用 5 3 经一定电压 u1 加速后的带电粒子 垂直于电场强度方向射入确定的平行板偏转电场中 粒子偏离入射方向的偏距 它只跟加在偏转电极上的电压u2有关 当偏转电压的大小 极性发生变化时 粒子的偏距也随之变化 如果偏转电压的变化周期远大于粒子穿越电场的时间 则在粒子穿越电场的过程中 仍可当作匀强电场处理 因此 当偏转电压为正弦波或锯齿波时 连续射入的带电粒子将以入射方向为中心上下偏移 随时间而展开的波形与偏转电压波形相似 6 三 用正交分解法处理带电粒子的复杂运动这里所说的复杂运动 区别于类似平抛运动的带电粒子的偏转 它的轨迹常是更复杂的曲线 但处理这种运动的基本思想与处理偏转运动是类似的 也就是说 可以将此复杂的运动分解为两个互相正交的比较简单的直线运动 而这两个直线运动的规律我们是可以掌握的 然后再按运动合成的观点求出复杂运动的有关物理量 7 四 用能量观点处理带电体在电场中的运动对于受变力作用的带电体的运动 必须借助于能量观点来处理 即使都是恒力作用的问题 用能量观点处理常常显得简洁 具体方法常有两种 1 用动能定理处理 思维顺序一般为 1 弄清研究对象 明确所研究的物理过程 2 分析物体在所研究过程中的受力情况 弄清哪些力做功 做正功还是负功 3 弄清所研究过程的始 末状态 主要指动能 4 根据w ek列出方程求解 2 用包括静电势能和内能在内的能量守恒定律处理 列式的方法常有两种 1 从初 末状态的能量相等 即e1 e2 列方程 2 从某些能量的减少等于另一些能量的增加 即 e e 列方程 8 答案 1 2 3 示波器显示的是带电粒子在荧光屏上的落点痕迹 9 1 多选 如图所示 示波管是示波器的核心部件 它由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 如果在荧光屏上p点出现亮斑 那么示波管中的 a 极板x应带正电b 极板x 应带正电c 极板y应带正电d 极板y 应带正电 答案 解析 10 2 a b是一条电场线上的两点 若在a点释放一初速度为零的电子 电子仅在电场力作用下沿电场线从a运动到b 其电势能ep随位移x变化的规律如图所示 设a b两点的电场强度分别为ea和eb 电势分别为 a和 b 则 a ea ebb ea bd a b 答案 解析 11 3 一个电荷量为 q 质量为m的小球 从光滑绝缘的斜面轨道的a点由静止下滑 小球恰能通过半径为r的竖直光滑圆形轨道的最高点b而做圆周运动 现在竖直方向上加如图所示的匀强电场 若仍从a点由静止释放该小球 则 a 小球不能过b点b 小球仍恰好能过b点c 小球通过b点 且在b点与轨道之间压力不为0d 以上说法都不对 答案 解析 12 4 如图甲所示 两个平行金属板p q竖直放置 两板间加上如图乙所示的电压 t 0时 q板比p板电势高5v 此时在两板的正中央m点有一个电子 速度为零 电子在静电力作用下运动 使得电子的位置和速度随时间变化 假设电子始终未与两板相碰 在0 t 8 10 10s的时间内 这个电子处于m点的右侧 速度方向向左且大小逐渐增大的时间是 a 0 t 2 10 10sb 2 10 10s t 4 10 10sc 4 10 10s t 6 10 10sd 6 10 10s t 8 10 10s 答案 解析 13 5 多选 在空间某一匀强电场中 将一质量为m 电荷量为q的小球由静止释放 带电小球的运动轨迹为一直线 该直线与竖直方向成锐角 电场强度大小为e 则下列说法中正确的是 答案 解析 14 考点一 考点二 例1 对点训练1 考点三 带电粒子在交变电场中的运动带电粒子在交变电场中运动的分析方法 1 注重全面分析 分析受力特点和运动规律 抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征 求解粒子运动过程中的速度 位移等 并确定与物理过程相关的边界条件 2 分析时从两条思路出发 一是力和运动的关系 根据牛顿第二定律及运动学规律分析 二是功能关系 3 此类题型一般有三种情况 一是粒子做单向直线运动 一般用牛顿运动定律求解 二是粒子做往返运动 一般分段研究 三是粒子做偏转运动 一般根据交变电场特点分段研究 15 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 如图甲所示 真空中相距d 5cm的两块平行金属板a b与电源连接 图中未画出 其中b板接地 电势为零 a板电势变化的规律如图乙所示 将一个质量m 2 0 10 27kg 电荷量q 1 6 10 19c的带电粒子从紧邻b板处释放 不计粒子重力 求 16 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 解题探究 释放后粒子的受力情况如何 做什么运动 粒子不能到达a板的临界条件如何 提示 根据题意 不计粒子重力 则粒子只受电场力而做匀加速直线运动 通过进一步计算可知在内 粒子 发生的位移恰好等于板间距离 到达a板的时间随之确定 提示 解第 3 小题的关键 在于明确运动 对称性 弄清 粒子不能到达a板 的临界条件 即在内粒子的最大位移等于板间距离 17 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 18 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 19 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 方法归纳 带电粒子在交变电场中的运动 通常只讨论电场强度的大小不变 方向做周期性变化且不计粒子重力的情形 常见类型主要有以下几类 1 两金属板间加一方波型电压 2 两金属板间加一锯齿波或正弦波电压 但粒子运动时间极短 粒子运动过程中电场可以看作匀强电场 20 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 2015 河北名校调研 如图甲所示 离子源产生的正离子由离子源飞出时的速度可忽略不计 离子离开离子源后进入一加速电压为u0的加速电场 偏转电场极板间的距离为d 极板长为l 2d 偏转电场的下极板接地 偏转电场极板右端到竖直放置的足够大的荧光屏之间的距离也为l 现在偏转电场的两极板间接一周期为t的交流电压 上极板的电势随时间变化的图象如图乙所示 设正离子的电荷量为q 质量为m 大量离子从偏转电场中央持续射入 穿过平行板的时间都极短 可以认为离子在穿过平行板的过程中电压是不变的 1 试计算离子刚进入偏转电场时的速度v0的大小 2 在电势变化的过程中发现荧光屏有 黑屏 现象 即无正离子到达荧光屏 试计算每个周期内荧光屏黑屏的时间t 3 离子打到荧光屏上的区间的长度x 点击查看题图 21 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 22 考点一 考点二 考点三 例1 对点训练1 23 考点一 考点二 例2 对点训练2 考点三 例3 等效法处理带电粒子在复合场中的运动1 各种性质的场 物质 与实际物体的根本区别之一是场具有叠加性 即几个场可以同时占据同一空间 从而形成叠加场 2 将复合场等效为一个简单场 其具体步骤 先求出重力与电场力的合力 将这个合力视为一个 等效重力 将视为 等效重力加速度 再将物体在重力场中做圆周运动的规律迁移到等效重力场中分析求解即可 24 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 如图所示的装置是在竖直平面内放置的光滑绝缘轨道 处于水平向右的匀强电场中 带负电荷的小球从高为h的a处由静止开始下滑 沿轨道abc运动并进入圆环内做圆周运动 已知小球所受电场力是其重力的 圆环半径为r 斜面倾角为 60 sbc 2r 若使小球在圆环内能做完整的圆周运动 h至少为多少 sin37 0 6 cos37 0 8 25 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 解题探究 如果只有重力场 小球恰好做完整的圆周运动 在最高点哪个力提供向心力 在重力场和电场的复合场中 小球恰好做完整的圆周运动 在 最高点 的受力情况怎样 答案 7 7r 提示 重力 提示 重力和电场力的合力指向圆心且提供向心力 26 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 27 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 如图所示 一个v形玻璃管倒置于竖直平面内 并处于e 103v m 方向竖直向下的匀强电场中 一个带负电的小球 重力为g 10 3n 电荷量q 2 10 6c 从a点由静止开始运动 球与管壁的动摩擦因数 0 5 已知管长ab bc 2m 倾角 37 且管顶b处有一很短的光滑圆弧 sin37 0 6 cos37 0 8 则下列说法正确的是 d a 小球从a点第一次运动到b过程中电势能增加b 小球运动后 第一次速度为0的位置在c处c a b两点间的电势差为2000vd 从开始运动到最后静止 小球通过的总路程是3m 28 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 解题探究 根据题设条件你能分析一下重力和电场力的关系吗 如果把电场力与重力的合力等效为一个竖直向上的 重力 该模型可类比什么模型 提示 重力和电场力合力大小等于重力g 方向竖直向上 提示 将整个装置在竖直平面内旋转180 就变成了常见的物理模型 小球在v形斜面上的运动 然后根据运动过程分析 结合运动学公式 牛顿第二定律 能量守恒定律解题 29 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 本题考查电场力做正功 电势能 电势差 牛顿第二定律 功能关系及等效方法 小球从a点第一次运动到b过程中 电场力做正功 电势能减小 a错误 小球受到竖直向上的电场力为f qe 2 10 3n 2g 重力和电场力合力大小等于重力g 方向竖直向上 这里可以把电场力与重力的合力等效为一个竖直向上的 重力 如图所示 小球开始沿这个v形玻璃管运动的加速度为a1 g sin cos 10 sin37 cos37 2m s2 所以小球第一次到达b点时的速度为 30 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 31 考点一 考点二 考点三 例2 对点训练2 例3 规律总结 等效法处理复合场问题各种性质的场与实物 分子和原子的构成物质 的根本区别之一是场具有叠加性 即几个场可以同时占据同一空间 从而形成复合场 对于复合场中的力学问题 可以根据力的独立作用原理分别研究每种场力对物体的作用效果 也可以同时研究几种场力共同作用的效果 将复合场等效为一个简单场 然后与重力场中的力学问题进行类比 利用力学的规律和方法进行分析与解答 32 考点一 考点二 考点三 例3 对点训练2 例4 2015 安徽合肥质检 如图所示 在竖直平面内固定的圆形绝缘轨道的圆心为o 半径为r 内壁光滑 a b两点分别是圆轨道的最低点和最高点 该区间存在方向水平向右的匀强电场 一质量为m 带负电的小球在轨道内侧做完整的圆周运动 电荷量不变 经过c点时速度最大 o c连线与竖直方向的夹角 60 重力加速度为g 求 1 小球所受到的静电力的大小 2 小球在a点速度v0多大时 小球经过b点时对圆轨道的压力最小 33 考点一 考点二 考点三 例3 对点训练2 例4 34 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 应用动力学和能量观点处理带电体在复合场中的运动1 方法技巧功能关系在电学中应用的题目 一般过程复杂且涉及多种性质不同的力 因此 通过审题抓住受力分析和运动过程分析是关键 然后根据不同的运动过程中各力做功的特点来选择相应规律求解 动能定理和能量守恒定律在处理电场中能量问题时仍是首选 2 解题思路 35 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 多选 如图所示 mpqo为有界的竖直向下的匀强电场 电场强度为e acb为光滑固定的半圆形轨道 圆轨道半径为r a b为圆水平直径的两个端点 ac为圆弧 一个质量为m 电荷量为 q的带电小球 从a点正上方高为h处的g点由静止释放 并从a点沿切线进入半圆轨道 不计空气阻力及一切能量损失 关于带电小球的运动情况 下列说法正确的是 a 小球一定能从b点离开轨道b 小球在ac部分可能做匀速圆周运动c 若小球能从b点离开 上升的高度一定小于hd 小球到达c点的速度可能为零 答案 解析 36 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 解题探究 小球在复合场区受力如何 电场力有可能和重力相等吗 若相等 小球在复合场区做什么运动 用什么方法分析小球到达c点的速度能否为零 提示 小球在复合场区受电场力和重力 二者可能相等 匀速圆周运动 提示 小球到达c点的速度能否为零可以采用假设法分析 37 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 规律总结 与力学的分析方法基本相同 先分析研究对象的受力情况 再分析其运动状态和运动过程 是平衡 加速还是减速 是直线运动还是曲线运动 然后选用恰当的规律解题 也可以从功和能的角度分析 带电体的加速 含偏转过程中速度大小的变化 过程是其他形式的能和动能之间的转化过程 因此 解决这类问题 可以用动能定理或能量守恒定律 38 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 2015 江苏盐城模拟 如图所示 abcd为固定在竖直平面内的轨道 ab段光滑水平 bc段为光滑圆弧 对应的圆心角 37 半径r 2 5m cd段平直倾斜且粗糙 各段轨道均平滑连接 倾斜轨道所在区域有电场强度大小为e 2 105n c 方向垂直于斜轨向下的匀强电场 质量m 5 10 2kg 电荷量q 1 10 6c的小物体 视为质点 被弹簧枪发射后 沿水平轨道向左滑行 在c点以速度v0 3m s冲上斜轨 以小物体通过c点时为计时起点 0 1s以后 电场强度大小不变 方向反向 已知斜轨与小物体间的动摩擦因数 0 25 设小物体的电荷量保持不变 g取10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 1 求弹簧枪对小物体所做的功 2 设在斜轨上小物体能到达的最高点为p 求cp的长度 点击查看题图 答案 1 0 475j 2 0 57m 39 考点一 考点二 考点三 例4 对点训练3 40 1 2 3 4 1 多选 如图甲所示 两平行金属板mn pq的板长和板间距离相等 板间存在如图乙所示的随时间周期性变化的电场 电场方向与两板垂直 不计重力的带电粒子沿板间中线垂直电场方向源源不断地射入电场 粒子射入电场时的初动能均为ek0 已知t 0时刻射入电场的粒子刚好沿上板右边缘垂直电场方向射出电场 则 a 所有粒子都不会打到两极板上b 所有粒子最终都垂直