高考物理一轮复习 8.3带电粒子在复合场中的运动课件.ppt

第三讲带电粒子在复合场中的运动 回扣教材夯实基础落实考点 基础自主温故 一 复合场与组合场 考点自清 1 复合场与组合场 1 复合场 电场 重力场共存 或其中两种场共存 2 组合场 电场和磁场各位于一定的区域内 并不重叠或在同一区域 电场和磁场分时间段或分区域 磁场 交替出现 2 三种场的比较 mg 竖直向下 路径 重力势能 qe 相同 相反 路径 qu 电势能 qvb 左手 动能 基础自测 1 如图所示 质量为m 带电荷量为 q的微粒以速度v与水平方向成45 角进入匀强电场和匀强磁场 磁场方向垂直纸面向里 如果微粒做匀速直线运动 则下列说法正确的是 答案 a 二 带电粒子在复合场中的运动 考点自清 1 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时 将处于静止状态或匀速直线运动状态 合外力为零 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匀速圆周运动 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上时 粒子做非匀变速曲线运动 这时粒子的运动轨迹既不是圆弧 也不是抛物线 相等 相反 同一条直线 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 其运动过程由几种不同的运动阶段组成 变化 2 带电粒子在复合场中的运动实例 匀速直线 bv0d 磁场方向 电势差 基础自测 2 目前 世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机 如图表示它的原理 将一束等离子体喷射入磁场 在磁场中有两块金属板a b 这时金属板上就会聚集电荷 产生电压 以下说法正确的是 a b板带正电b a板带正电c 其他条件不变 只增大射入速度 uba增大d 其他条件不变 只增大磁感应强度 uba增大解析 由左手定则可知带正电的离子受到向下的洛伦兹力作用在b板积累 b板带正电 选项a正确 选项b错误 uba ed由平衡条件有eq bqv得uba bvd 由此式可知 选项c d正确 答案 acd 3 如图为一 滤速器 装置的示意图 a b为水平放置的平行金属板 一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔o进入a b两板之间 为了选取具有某种特定速率的电子 可在a b间加上电压 并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场 使所选电子仍能沿水平直线oo 运动 由o 射出 不计重力作用 可能达到上述目的的办法是 a 使a板电势高于b板 磁场方向垂直纸面向里b 使a板电势低于b板 磁场方向垂直纸面向里c 使a板电势高于b板 磁场方向垂直纸面向外d 使a板电势低于b板 磁场方向垂直纸面向外解析 电子受电场力和洛伦兹力大小相等 方向相反 则电子沿直线oo 通过该区域 若a板电势高于b板 电子受电场力向上 则洛伦兹力向下 由左手定则可知 磁场应垂直纸面向里 选项a正确 选项c错误 同理可知 选项d正确 选项b错误 答案 ad 4 医生做某些特殊手术时 利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度 电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极n和s构成 磁极间的磁场是均匀的 使用时 两电极a b均与血管壁接触 两触点的连线 磁场方向和血流速度方向两两垂直 如图所示 由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动 电极a b之间会有微小电势差 在达到平衡时 血管内部的电场可看作是匀强电场 血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零 在某次监测中 两触点间的距离为3 0mm 血管壁的厚度可忽略 两触点间的电势差为160 v 磁感应强度的大小为0 040t 则血流速度的近似值和电极a b的正负为 a 1 3m s a正 b负b 2 7m s a正 b负c 1 3m s a负 b正d 2 7m s a负 b正 答案 a 考点深析拓展延伸详讲精练 考点探究讲练 1 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 这种情况按题目要求处理比较正规 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 要结合运动状态确定是否要考虑重力 特别提醒带电粒子在复合场中运动时 重力是恒力 电场力可能是恒力 匀强电场 也可能是变力 非匀强电场 若带电粒子做匀速直线运动 洛伦兹力一般为恒力 若做曲线运动 洛伦兹力一定是变力 2 带电粒子在组合场中的运动 1 电偏转 和 磁偏转 的比较 2 带电粒子在组合场中运动问题思路导图 2014年广东卷 如图所示 足够大的平行挡板a1 a2竖直放置 间距6l 两板间存在两个方向相反的匀强磁场区域 和 以水平面mn为理想分界面 区的磁感应强度为b0 方向垂直纸面向外 例1 a1 a2上各有位置正对的小孔s1 s2 两孔与分界面mn的距离均为l 质量为m 电荷量为 q的粒子经宽度为d的匀强电场由静止加速后 沿水平方向从s1进入 区 并直接偏转到mn上的p点 再进入 区 p点与a1板的距离是l的k倍 不计重力 碰到挡板的粒子不予考虑 1 若k 1 求匀强电场的电场强度e 2 若2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 求出粒子在磁场中的速度大小v与k的关系式和 区的磁感应强度b与k的关系式 思路指导 带电粒子在电场中做加速直线运动进入磁场做匀速圆周运动 确定粒子的速度轨迹 结合几何知识求解 得电场速度e 当带电粒子从孔s2射出 画出粒子在磁场中的运动轨迹 由几何关系结合相关物理规律求解 2 若2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 如图所示 如图所示 在xoy平面内 第一象限中有匀强电场 场强大小为e 方向沿y轴正方向 在x轴的下方有匀强磁场 磁感应强度大小为b 方向垂直纸面向里 今有一个质量为m 电荷量为q的带负电的粒子 不计粒子的重力和其他阻力 从y轴上的p点以初速度v0垂直于电场方向进入电场 经电场偏转后 沿着与x正方向成30 进入磁场 试完成 变式训练1 1 求p点离坐标原点o的距离h 2 求粒子从p点出发到粒子第一次离开磁场时所用的时间 3 在其他条件不改变 只改变磁感应强度 当磁场的磁感应强度b取某一合适的数值 粒子离开磁场后能否返回到原出发点p 若能说明能的理由 若不能请说明不能的理由 解析 1 带电粒子在场区中的运动轨迹如图所示 1 带电粒子在复合场中运动的分析方法 1 弄清复合场的组成 如磁场 电场的复合 磁场 重力场的复合 磁场 电场 重力场三者的复合等 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种类的场时 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 带电粒子在复合场中运动的归类 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 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 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 2014年重庆卷 如图所示 在无限长的竖直边界ns和mt间充满匀强电场 同时该区域上 下部分分别充满方向垂直于nstm平面向外和向内的匀强磁场 磁感应强度大小分别为b和2b kl为上下磁场的水平分界线 在ns和mt边界上 距kl高h处分别有p q两点 ns和mt间距为1 8h 质量为m 带电荷量为 q的粒子从p点垂直于ns边界射入该区域 在两边界之间做圆周运动 重力加速度为g 例2 1 求电场强度的大小和方向 2 要使粒子不从ns边界飞出 求粒子入射速度的最小值 3 若粒子能经过q点从mt边界飞出 求粒子入射速度的所有可能值 思路指导 分析带电粒子受力 带电粒子在匀强磁场 匀强电场中受到重力 洛伦兹力 电场力作用下做匀速圆周运动 则受到的电场力和重力一定等大反向 欲使粒子不从ns边界射出 则有粒子的轨迹刚好与ns相切 从而求得最小速度 当粒子水平从q点射出 画出粒子的运动轨迹 找出临界情况 结合几何知识求解 答案 见解析 如图在xoy平面第一象限内有平行于y轴的匀强电场和垂直于xoy平面的匀强磁场 匀强电场电场强度为e 一带电量为 q的小球从y轴上离坐标原点距离为l的a点处 以沿x正向的初速度进入第一象限 如果电场和磁场同时存在 小球将做匀速圆周运动 并从x轴上距坐标原点l 2的c点离开磁场 如果只撤去磁场 并且将电场反向 带电小球以相同的初速度从a点进入第一象限 仍然从x轴上距坐标原点l 2的c点离开电场 求 变式训练2 1 小球从a点出发时的初速度大小 2 磁感应强度b的大小和方向 3 如果在第一象限内存在的磁场范围是一个矩形 求这一范围的最小面积 3 由小球运动轨迹的范围知最小矩形磁场的长 宽分别为 思想方法技巧运用提升素养 学科素养提升 有关电磁流量计和霍尔效应的问题霍尔效应与电磁流量计原理不同 产生的因果关系也不同 霍尔效应是在正 负自由电荷 如自由电子 正 负离子 空穴等 浓度不等的导体 半导体中产生 是通电时电场力使自由电荷做方向相反的定向移动 洛伦兹力使自由电荷做同向偏转运动 若正 负自由电荷浓度相等 则由于同向偏转不会产生电势差 电磁流量计是液体流动带动离子运动 正 负离子总是同向运动 反向偏转 因此无论正 负离子浓度是否相等 都一定会产生电势差 霍尔效应中电场推动正 负离子反向运动是原因 正 负离子反向运动时受到同向洛伦兹力 对导体整体为安培力 而向同一侧偏转是结果 电磁流量计中正 负离子由液体带动同向运动是原因 正 负离子因受洛伦兹力而发生反向偏转是结果 为了测量某化工厂的污水排放量 技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计装置 该装置由非磁性绝缘材料制成 长 宽 高分别为a b c 左右两端开口 在垂直于上下底面方向加磁感应强度为b的匀强磁场 在前后两表面内侧固定有小铜板作为电极 当污水充满管道从左向右流经该装置时 电压表将显示两个电极间的电压u 若用q表示污水流量 单位时间内排出的污水体积 则下列说法中正确的是 例3 a 若污水中正 负离子数相等 则前 后表面无电