（通用版）2020高考物理二轮复习专题四电路与电磁感应第10课时电学中的动量和能量问题教案.docx

第10课时电学中的动量和能量问题考点电场中的动量和能量问题例1在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器，又称空间飞行器航天器是执行航天任务的主体，是航天系统的主要组成部分由于外太空是真空的，飞行器在加速过程中一般使用火箭推进器，火箭在工作时利用电场加速带电粒子，形成向外发射的粒子流而对飞行器产生反冲力由于阻力极小，只需一点点动力即可使飞行器达到很高的速度如图1所示，我国发射的“实践九号”携带的卫星上第一次使用了离子电推力技术，为我国的航天技术开启了一扇新的大门已知飞行器的质量为M，发射的是2价氧离子，发射功率为P，加速电压为U，每个氧离子的质量为m，元电荷为e，原来飞行器静止，不计发射氧离子后飞行器质量的变化，求：图1(1)发射出的氧离子速度大小；(2)每秒钟发射出的氧离子数；(3)发射出离子后飞行器开始运动的加速度大小答案(1)2(2)(3)解析(1)以氧离子为研究对象，根据动能定理，有2eUmv20，所以，发射出的氧离子速度为v2.(2)设每秒钟发射出的氧离子数为N，则发射功率可表示为PNEk2NeU，所以，N.(3)以氧离子和飞行器为系统，设飞行器的反冲速度为v，根据动量守恒定律，t时间内0MvNtm(v)所以，飞行器加速度的大小为a.变式训练1当金属的温度升高到一定程度时就会向四周发射电子，这种电子叫热电子，通常情况下，热电子的初始速度可以忽略不计如图2所示，相距为L的两块固定平行金属板M、N接在输出电压恒为U的高压电源E2上，M、N之间的电场近似为匀强电场，K是与M板距离很近的灯丝，通过小孔穿过M板与外部电源E1连接，电源E1给K加热从而产生热电子，不计灯丝对内部匀强电场的影响热电子经高压加速后垂直撞击N板，瞬间成为金属板的自由电子，速度近似为零电源接通后，电流表的示数稳定为I，已知电子的质量为m、电荷量为e.求：图2(1)电子到达N板前瞬间的速度vN的大小；(2)N板受到电子撞击的平均作用力F的大小答案(1)(2)I解析(1)由动能定理得eUmv0，解得vN.(2)设t时间经过N板的电荷量为Q，QIt在t时间落在N板上的电子数为N1：N1对t时间内落在N板上的电子整体应用动量定理：Ft0N1mvN，FI.由作用力与反作用力关系可知，N板受到电子撞击的平均作用力大小为FFI.考点磁场中的动量和能量问题例2(2019福建福州市期末)如图3所示，竖直平面MN的右侧空间存在着水平向左的匀强电场和水平向里的匀强磁场，电场、磁场相互垂直，MN左侧的绝缘水平面光滑，右侧的绝缘水平面粗糙质量为m的小物体A静止在MN左侧的水平面上，该小物体带负电，电荷量为q(q0)质量为m的不带电的小物体B以速度v0冲向小物体A并发生弹性正碰，碰撞前后小物体A的电荷量保持不变图3(1)求碰撞后小物体A的速度大小；(2)若小物体A与MN右侧粗糙水平面间的动摩擦因数为，重力加速度为g，磁感应强度为B，电场强度为E.小物体A从MN开始向右运动距离为L时速度达到最大求小物体A的最大速度vm和此过程克服摩擦力所做的功W.答案(1)(2)2v07mgLmv解析(1)设A、B碰撞后的速度分别为vA、vB，由于A、B发生弹性正碰，动量、能量守恒，则有：mBv0mBvBmAvAmBvmBvmAv解得：vA(2)当物体A的加速度等于零时，其速度达到最大值vm，对物体A受力分析如图所示在竖直方向：FNqvmBmg在水平方向：qEFN解得：vm2v0根据动能定理得：qELWmvmv联立解得：W7mgLmv.变式训练2.如图4所示是计算机模拟出的一种宇宙空间的情景，在此宇宙空间内存在这样一个远离其他空间的区域(其他星体对该区域内物体的引力忽略不计)，以MN为界，上半部分匀强磁场的磁感应强度大小为B1，下半部分匀强磁场的磁感应强度大小为B2.已知B14B24B0，磁场方向相同，且磁场区域足够大在距离界线MN为h的P点有一宇航员处于静止状态，宇航员以平行于MN的速度向右抛出一质量为m、电荷量为q的带负电小球，发现小球经过界线处的速度方向与界线成90角，接着小球进入下半部分磁场当宇航员沿与界线平行的直线匀速到达目标Q点时，刚好又接住球而静止图4(1)请你粗略地作出小球从P点运动到Q点的运动轨迹；(2)PQ间的距离是多大；(3)宇航员的质量是多少答案(1)见解析图(2)6h(3)解析(1)小球运动轨迹如图所示(2)由几何关系可知R1h，由qvB和B14B24B0，可知R24R14h，设小球的速率为v1，由qv1(4B0)解得小球的速率v1，根据运动的对称性，PQ间的距离为L2(R2R1)6h.(3)由qvB和T得小球做匀速圆周运动的周期T，故小球由P运动到Q的时间t.设宇航员的速度为v2，宇航员在Q点接住球时，由动量守恒定律有Mv2mv10，解得宇航员的质量M.考点电磁感应中的动量和能量问题1.电磁感应与动量综合问题往往需要运用牛顿第二定律、动量定理、动量守恒定律、功能关系和能量守恒定律等重要规律，并结合闭合电路欧姆定律等物理规律及基本方法求解2动量观点在电磁感应问题中的应用，主要可以解决变力的冲量所以，在求解导体棒做非匀变速运动的问题时，应用动量定理可以避免由于加速度变化而导致运动学公式不能使用的麻烦，在求解双杆模型问题时，在一定条件下可以利用动量守恒定律避免讨论中间变化状态，而直接求得最终状态例3(2019福建福州市期末质量检测)如图5所示，空间存在一个范围足够大的竖直向下的匀强磁场，磁场的磁感应强度大小为B；边长为L的正方形金属框abcd(简称方框)放在光滑的水平地面上，其外侧套着一个与方框边长相同的U形金属框架MNQP(仅有MN、NQ、QP三条边，简称U形框)，U形框的M、P端的两个触点与方框接触良好且无摩擦，其他地方没有接触两个金属框每条边的质量均为m，每条边的电阻均为r.(1)若方框固定不动，U形框以速度v0垂直NQ边向右匀速运动，当U形框的接触点M、P端滑至方框的最右侧时，如图乙所示，求U形框上N、Q两端的电势差UNQ；(2)若方框不固定，给U形框垂直NQ边向右的水平初速度v0，U形框恰好不能与方框分离，求方框最后的速度vt和此过程流过U形框上NQ边的电荷量q；(3)若方框不固定，给U形框垂直NQ边向右的初速度v(vv0)，在U形框与方框分离后，经过t时间，方框的最右侧和U形框的最左侧之间的距离为s.求分离时U形框的速度大小v1和方框的速度大小v2.图5答案见解析解析(1)由法拉第电磁感应定律得：EBLv0此时电路图如图所示由串并联电路规律，外电阻为R外2rr由闭合电路欧姆定律得：流过QN的电流I所以：UNQEIrBLv0；(2)U形框向右运动过程中，方框和U形框组成的系统所受合外力为零，系统动量守恒依题意得：方框和U形框最终速度相同，设最终速度大小为vt；3mv0(3m4m)vt解得：vtv0对U形框，由动量定理得：BLt3mvt3mv0由qt解得：q(3)设U形框和方框分离时速度分别为v1和v2，系统动量守恒：3mv3mv14mv2依题意得：s(v1v2)t联立解得：v1vv2v.变式训练3(2019浙江杭州市高三期末)如图6(俯视图)所示，质量分布均匀的总质量为M、边长为L的正方形导体线框ACDE处于某一水平面内(离地面足够高)；在t0时刻(图示位置)以速度v0将线框水平向右抛入宽度为L、间距也为L的间隔型磁场区域(区域足够大)；该区域内存在磁场的区域磁场方向竖直向下，磁感应强度大小均为B.若线框ACDE在整个运动过程中都保持水平状态，每条边的电阻均为R，不计空气阻力，重力加速度为g.求：图6(1)t0时刻线框CD边上的电势差UCD；(2)t0时刻线框加速度的大小a；(3)若线框在0t0时间内的位移大小为s，求tt0时刻线框水平速度v的大小(设t0时刻线框的水平速度大于0，t0为已知量)答案(1)(2) (3)v0解析(1)EBLv0根据电路相关知识可得UCD(2)线框所受的水平方向的安培力FBIL所以线框水平方向的加速度大小ax.线框加速度大小a.(3)根据动量定理，水平方向上有tMv即Mv两边同时求和可知M(vv0)又s，所以线框水平速度大小vv0.专题突破练级保分练1(2019河北承德市联校期末)如图1所示，光滑绝缘水平轨道上带正电的甲球，以某一水平初速度射向静止在轨道上带正电的乙球，当它们相距最近时，甲球的速度变为原来的.已知两球始终未接触，则甲、乙两球的质量之比是()图1A11B12C13D14答案D2.(2019北京市大兴区上学期期末)如图2所示，在矩形MNQP区域中有一垂直纸面向里的匀强磁场质量和电荷量都相等的带电粒子a、b、c以不同的速率从O点沿垂直于PQ的方向射入磁场，图中实线是它们的轨迹已知O是PQ的中点，不计粒子重力从图示轨迹中可以判断()图2Aa粒子带负电，b粒子带正电Bc粒子的动量大小大于a粒子的动量大小Cb粒子运动的时间大于a粒子运动的时间Db粒子的加速度大于c粒子的加速度答案D解析根据左手定则知粒子a带正电，粒子b、c带负电，故A错误；粒子在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得：qvBm，解得：pmvqBr，因c的轨道半径小于a的轨道半径，则c粒子动量的大小小于a粒子动量的大小，选项B错误；粒子在磁场中做圆周运动的周期T相同，粒子在磁场中的运动时间：tT，由于m、q、B都相同，粒子a转过的圆心角大于粒子b转过的圆心角，则b粒子在磁场中运动的时间小于a粒子在磁场中运动的时间，故C错误；根据qvBma，b粒子的速度最大，则b粒子的加速度大于c粒子的加速度，选项D正确3.(多选)(2019河南九师联盟质检)如图3所示，一长为L1m、质量为m1kg的导体棒ab垂直放在固定的足够长的光滑U形导轨底端，导轨宽度和导体棒等长且接触良好，导轨平面与水平面成30角，整个装置处在与导轨平面垂直的匀强磁场中，磁感应强度B0.5T现给导体棒沿导轨向上的初速度v04m/s，经时间t00.5 s，导体棒到达最高点，然后开始返回，到达底端前已做匀速运动已知导体棒的电阻为R0.05 ，其余电阻不计，重力加速度g取10 m/s2，忽略电路中感应电流之间的相互作用，则()图3A导体棒到达导轨平面底端时，流过导体棒的电流为5AB导体棒到达导轨平面底端时的速度大小为1m/sC导体棒从开始运动到顶端的过程中，通过导体棒的电荷量为3CD导体棒从开始运动到返回底端的过程中，回路中产生的电能为15J答案BC解析导体棒到达底端前已做匀速运动，由平衡条件得：mgsin30，代入数据解得：vm1m/s，选项B正确；导体棒到达导轨平面底端时，通过导体棒的电流为IA10A，选项A错误；导体棒从开始运动到到达顶端的过程中，根据动量定理：(mgsin30BL)t00mv0，其中t0q，解得q3C，选项C正确；导体棒从开始运动到返回底端的过程中，回路中产生的电能为mvmv1(4212) J7.5J，选项D错误级争分练4(2019陕西第二次联考)如图4所示，水平绝缘轨道左侧存在水平向右的有界匀强电场，电场区域宽度为L，右侧固定一轻质弹簧，电场内的轨道粗糙，与物体间的动摩擦因数为0.5，电场外的轨道光滑，质量为m、带电荷量为q的物体A从电场左边界由静止释放后做加速运动，离开电场后与质量为2m的物体B碰撞并粘在一起运动，碰撞时间极短，开始B靠在处于原长的轻弹簧左端但不拴接，(A、B均可视为质点)，已知匀强电场强度大小为.求：图4(1)弹簧的最大弹性势能；(2)整个过程A在电场中运动的总路程答案(1)mgL(2)L解析(1)设物体A碰前的速度为v1，根据动能定理：EqLmgLmv碰撞过程动量守恒：mv1(m2m)v2A、B两物体压缩弹簧的过程机械能守恒：Ep(m2m)v，解得EpmgL(2)最终A、B整体静止在电场外，弹簧处于原长状态，设A、B整体共同在电场中运动的路程为x，由能量的转化与守恒得：Ep(m2m)gxA在电场中运动的总路程为s，则sLx, 联立解得：sL.5.如图5所示，在光滑绝缘水平面上由左向右沿一条直线等间距的排着多个形状相同的静止的带正电荷的绝缘小球，依次编号为1、2、3每个小球所带的电荷量都相等且均为q3.75103C.第一个小球的质量m0.1kg，从第二个小球起往右的小球的质量依次为前一个小球的，小球均位于垂直于小球所在直线的匀强磁场里，已知该磁场的磁感应强度B0.5T现给第一个小球一个水平速度v08m/s，使第一个小球向前运动并且与后面的小球发生弹性正碰，若碰撞过程中电荷不转移，则第几个小球被碰后可以脱离地面？(不计电荷之间的库仑力，取g10 m/s2)图5答案第6个解析第一个小球质量m1m，第二个小球质量m2m1m第三个小球质量：m3m2()2m于是第n个小球质量mnmn1()n1m设第一个小球与第二个小球碰撞后速度分别为v1和v2根据动量守恒，选取初速度的方向为正方向：m1v0m1v1m2v2根据机械能守恒：m1vm1vm2v所以：v2v0v0同理第二个小球与第三个小球碰撞后，第三个小球的速度：v3v2()2v0第n个小球被撞后速度：vn()n1v0设第n个小球被撞后能离开地面，则qvnBmng解得：n6，所以第6个小球被碰后可以脱离地面6(2019江西重点中学协作体第一次联考)固定在竖直平面内的固定光滑绝缘轨道LMN，其中MN水平且足够长，LM下端与MN平滑相接在OP与QR之间的区域内有方向如图6所示的匀强电场和匀强磁场质量为m和5m的绝缘小物块C、D(可视为质点)，其中D带有电荷量q，C不带电，现将物块D静止放置在水平轨道的MO段，将物块C从离水平轨道MN距离h高的L处由静止释放，物块C沿轨道下滑进入水平轨道，然后与D正碰(C、D的电荷量都不变)，碰后物块C被反弹，物块D进入虚线OP右侧的复合场中沿直线OQ运动且恰好对水平轨道无压力，最后离开复合场区域已知：重力加速度g、电场强度E、磁感应强度B，求：图6(1)物块D进入复合场的速度大小；(2)物块C反弹后滑回斜面LM的最大高度H；(3)若已知OQ间距为h，保持其他条件不变，仅将电场强度增大为E25E，同时磁感应强度减小为B2，求物块D离开电磁场后所到达轨迹最高点与水平轨道MN之间的高度差答案(1)(2)(3)0.54h解析(1)物块D进入复合场后做匀速直线运动且对轨道无压力，可知D带正电，且EqqvDB5mg解得vD(2)对物块C在斜面上由LM的过程有mghmv即v0C碰D瞬间动量守恒mv0mvC5mvD解得vCv0物块C返回斜面过程有mvmgH解得H(3)物块D在电磁场中5Eq5mg，重力与静电力平衡，做匀速圆周运动，有qB2vD5m做圆周运动半径rh设物块D在有界场中运动轨迹的圆心角为，sinh1rrcos从Q点正上方处离开电磁场物块D离开电磁场后做曲线运动，竖直分速度为vyvDsin则h2物块D离开电磁场后所到达轨迹最高点与水平轨道MN之间的高度差为Hh1h20.54h.7.(2019浙江宁波市3月模拟)如图7所示，两根一端带有挡柱的金属导轨M