高三物理一轮复习 第8章 磁场 2 磁场对运动电荷的作用课件.pptVIP

第八章磁场 第二单元磁场对运动电荷的作用 知识点一洛伦兹力 想一想 来自宇宙的质子流 以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点 则这些质子在进入地球周围的空间时 将相对该点向哪个方向偏 提示 地球表面地磁场方向由南向北 质子是氢原子核 带正电荷 根据左手定则可判定 质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东 故相对该点向东偏 知识点一洛伦兹力 1 洛伦兹力磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力 2 洛伦兹力的方向 1 判定方法 左手定则掌心 磁感线垂直穿入掌心 四指 指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向 拇指 指向洛伦兹力的方向 2 方向特点 f b f v 即f垂直于b和v决定的平面 知识点一洛伦兹力 3 洛伦兹力的大小 f 与v与b的夹角 如图所示 1 v b时 0 或180 洛伦兹力f 2 v b时 90 洛伦兹力f 3 v 0时 洛伦兹力f qvbsin qvb 0 0 练一练 1 下列图中 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 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 知识点二带点粒子在匀强磁场中的运动 想一想 1 下图中的几种情况 带电粒子做什么运动 2 试画出图中几种情况下带电粒子的运动轨迹 提示 1 甲图 匀速直线运动 乙图 匀速圆周运动 丙图 匀速圆周运动 2 甲图 直线 乙图 半圆 丙图 一段圆弧 填一填 1 洛伦兹力的特点洛伦兹力不改变带电粒子速度的 或者说洛伦兹力对带电粒子不做功 2 粒子的运动性质 1 若v0 b 则粒子 在磁场中做匀速直线运动 2 若v0 b 则带电粒子在匀强磁场中做 大小 不受洛伦兹力 匀速圆周运动 3 半径和周期公式 v b 练一练 两个电荷量相等的带电粒子 在同一匀强磁场中只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动 下列说法中正确的是 a 若它们的运动周期相等 则它们的质量相等b 若它们的运动周期相等 则它们的速度大小相等c 若它们的轨迹半径相等 则它们的质量相等d 若它们的轨迹半径相等 则它们的速度大小相等 知识点三应用实例 想一想 回旋加速器d形盒内有无电场 粒子在盒内做何运动 所加交变电场的周期多大 能否将粒子能量加到无限大 填一填 1 质谱仪 1 构造 如图所示 由粒子源 和照相底片等构成 加速电场 匀强磁场 2 回旋加速器 1 构造 如图所示 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 交流 相等 磁感应强 度b 半径r 无关 练一练 回旋加速器是加速带电粒子的装置 其主体部分是两个d形金属盒 两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中 a b分别与高频交流电源两极相连接 下列说法正确的是 a 离子从磁场中获得能量b 带电粒子的运动周期是变化的c 离子由加速器的中心附近进入加速器d 增大金属盒的半径 粒子射出时的动能不变 解析 离子在回旋加速器中从电场中获得能量 带电粒子的运动周期是不变化的 选项a b错误 离子由加速器的中心附近进入加速器 增大金属盒的半径 粒子射出时的动能增大 选项c正确d错误 答案 c 考向一对洛伦兹力的理解1 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方向时 要注意将四指指向电荷运动的反方向 2 洛伦兹力与静电力的比较 温馨提示 1 洛伦兹力方向与速度方向一定垂直 而静电力的方向与速度方向无必然联系 2 安培力是洛伦兹力的宏观表现 但各自的表现形式不同 洛伦兹力对运动电荷永远不做功 而安培力对通电导线可做正功 可做负功 也可不做功 解题引路 1 等离子体中带电粒子的平均动能与温度的关系式是什么 2 磁感应强度与温度的关系式是什么 针对训练 1 2013 安徽卷 下图中a b c d为四根与纸面垂直的长直导线 其横截面位于正方形的四个顶点上 导线中通有大小相同的电流 方向如图所示 一带正电的粒子从正方形中心o点沿垂直于纸面的方向向外运动 它所受洛伦兹力的方向是 a 向上b 向下c 向左d 向右 解析 根据右手定则及磁感应强度的叠加原理可得 四根导线在正方形中心o点产生的磁感应强度方向向左 当带正电的粒子垂直于纸面的方向向外运动时 根据左手定则可知 粒子所受洛伦兹力的方向向下 b正确 答案 b 考向二带电粒子在有界磁场中的运动1 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 如图甲所示 图中p为入射点 m为出射点 2 已知入射方向 入射点和出射点的位置时 可以通过人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 如图乙所示 p为入射点 m为出射点 4 带电粒子在有界磁场中运动的常见情形 1 直线边界 进出磁场具有对称性 如图 2 平行边界 存在临界条件 如图 3 圆形边界 沿径向射入必沿径向射出 如图 名师点睛 带电粒子在有界磁场中的运动问题的处理一般分三步 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 针对训练 2 2012 安徽卷 如图所示 圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场 一个带电粒子以速度v从a点沿直径aob方向射入磁场 经过 t时间从c点射出磁场 oc与ob成60 角 现将带电粒子的速度变为v 3 仍从a点沿原方向射入磁场 不计重力 则粒子在磁场中的运动时间变为 考向三带电粒子在匀强磁场中运动的多解问题带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动 由于多种因素的影响 使问题形成多解 多解形成原因一般包含下述几个方面 1 带电粒子电性不确定受洛伦兹力作用的带电粒子 可能带正电 也可能带负电 当粒子具有相同速度时 正 负粒子在磁场中运动轨迹不同 导致多解 如图所示 带电粒子以速率v垂直进入匀强磁场 若带正电 其轨迹为a 若带负电 其轨迹为b 2 磁场方向不确定形成多解磁感应强度是矢量 如果题述条件只给出磁感应强度大小 而未说明磁感应强度方向 则应考虑因磁场方向不确定而导致的多解 如图所示 带正电粒子以速率v垂直进入匀强磁场 若b垂直纸面向里 其轨迹为a 若b垂直纸面向外 其轨迹为b 3 临界状态不唯一形成多解带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时 由于粒子运动轨迹是圆弧状 因此 它可能穿过去了 也可能转过180 从入射面边界反向飞出 如图所示 于是形成了多解 4 运动的往复性形成多解带电粒子在部分是电场 部分是磁场的空间运动时 运动往往具有往复性 从而形成多解 如下图所示 5 磁场周期性变化形成多解带电粒子在磁感应强度周期性变化的磁场中运动时 运动往往具有往复性和周期性 从而形成多解 典例3 2013 天津高考 一圆筒的横截面如图所示 其圆心为o 筒内有垂直于纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b 圆筒下面有相距为d的平行金属板m n 其中m板带正电荷 n板带等量负电荷 质量为m 电荷量为q的带正电粒子自m板边缘的p处由静止释放 经n板的小孔s以速度v沿半径so方向射入磁场中 粒子与圆筒发生两次碰撞后仍从s孔射出 设粒子与圆筒碰撞过程中没有动能损失 且电荷量保持不变 在不计重力的情况下 求 解题引路 1 粒子在电场中做什么运动 有哪些力对粒子做功 提示 粒子在电场中做匀加速直线运动 只有电场力对粒子做功 2 粒子进入磁场后做什么运动 画出粒子与圆筒发生两次碰撞的运动轨迹 提示 粒子进入磁场后做匀速圆周运动 名师点睛 求解带电粒子在磁场中运动多解问题的技巧 1 分析题目特点 确定题目多解性形成原因 2 作出粒子运动轨迹示意图 全面考虑多种可能性 3 若为周期性重复的多解问题 寻找通项式 若是出现几种解的可能性 注意每种解出现的条件 针对训练 3 2014 江苏物理 某装置用磁场控制带电粒子的运动 工作原理如图所示 装置的长为l 上下两个相同的矩形区域内存在匀强磁场 磁感应强度大小均为b 方向与纸面垂直且相反 两磁场的间距为d 装置右端有一收集板 m n p为板上的三点 m位于轴线oo 上 n p分别位于下方磁场的上 下边界上 在纸面内 质量为m 电荷量为 q的粒子以某一速度从装置左端的中点射入 方向与轴线成30 角 经过上方的磁场区域一次 恰好到达p点 改变粒子入射速度的大小 可以控制粒子到达收集板上的位置 不计粒子的重力 特色专题之 带电粒子在匀强磁场中运动的临界和极值问题 1 临界问题的分析思路临界问题的分析对象是临界状态 临界状态就是指物理现象从一种状态变化成另一种状态的中间过程 这时存在着一个过渡的转折点 此转折点即为临界状态点 与临界状态相关的物理条件则称为临界条件 临界条件是解决临界问题的突破点 临界问题的一般解题模式为 1 找出临界状态及临界条件 2 总结临界点的规律 3 解出临界量 2 带电体在磁场中的临界问题的处理方法带电体进入有界磁场区域 一般存在临界问题 处理的方法是寻找临界状态 画出临界轨迹 1 带电体在磁场中 离开一个面的临界状态是对这个面的压力为零 2 射出或不射出磁场的临界状态是带电体运动的轨迹与磁场边界相切 例如图所示 有一个磁感应强度为b 方向垂直纸面向里的范围足够大的匀强磁场 在磁场中的o点有一个粒子源 能向纸面内各个方向连续不断地均匀发射速率为v 比荷为k的带正电粒子 pq是垂直纸面放置且厚度不计的挡板 挡板的p端与o点的连线跟挡板垂直 带电粒子的重力以及粒子间的相互作用力忽略不计 解题引路 迁移训练 如图所示 两个同心圆 半径分别为r和2r 在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b 圆心o处有一放射源 放出质量为m 带电荷量为q的负电粒子 假设粒子速度方向都和纸面平行 1 图中箭头表示某一粒子初速度的方向 oa与初速度方向夹角为60 要想使该粒子经过磁场第一次通过a点 则初速度的大小是多少 2 要使粒子不穿出环形区域 则粒子的初速度不能超过多少 名校模题 1 2015 北京丰台期末 两个质量相同 所带电荷量相等的带电粒子a b 以不同的速率对准圆心o沿着ao方向射入圆形匀强磁场区域 其运动轨迹如图 若不计粒子的重力 则下列说法正确的是 a a粒子带正电 b粒子带负电b a粒子在磁场中所受洛伦兹力较大c b粒子动能较大d b粒子在磁场中运动时间较长 2 2015 武汉联考 如图所示 带异种电荷的粒子a b以相同的动能同时从o点射入宽度为d的有界匀强磁场 两粒子的入射方向与磁场边界的夹角分别为30 和60 且同时到达p点 a b两粒子的质量之比为 必纠错题 3 如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图 其核心部分是两个d形金属盒 在加速带电粒子时 两金属盒置于匀强磁场中 两盒分别与高频电源相连 带电粒子在磁场中运动的动能ek随时间t的变化规律如图乙所示 忽略带电粒子在电场中的加速时间 则下列判断正确的是 a 在ek t图中应有t4 t3 t3 t2 t2 t1b 加速电压越大 粒子最后获得的动能就越大c 粒子加速次数越多 粒子最大动能一定越大d 要想粒子获得的最大动能增大 可增加d形盒的面积 错解 易错选abc 错因分析 不理解回