电学中的动量和能量问题--二轮专题

第2课时电学中的动量和能量问题高考题型1电场中的动量和能量问题例1(2018湖南省常德市期末检测)如图1所示，轨道ABCDP位于竖直平面内，其中圆弧段CD与水平段AC及倾斜段DP分别相切于C点和D点，水平段BC粗糙，其余都光滑，DP段与水平面的夹角37，D、C两点的高度差h0.1 m，整个轨道绝缘，处于方向水平向左、电场强度大小未知的匀强电场中，一个质量m10.4 kg、带正电、电荷量未知的小物块在A点由静止释放，经过时间t1 s，与静止在B点的不带电、质量m20.6 kg的小物块碰撞并粘在一起后，在BC段上做匀速直线运动，到达倾斜段DP上某位置，物块和与轨道BC段的动摩擦因数0.2，g10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8.求：图1(1)物块和在BC段上做匀速直线运动的速度大小；(2)物块和第一次经过圆弧段C点时，物块和对轨道压力的大小答案(1)2 m/s(2)18 N解析(1) 物块和粘在一起在BC段上做匀速直线运动，设电场强度大小为E，物块带电荷量为q，物块与物块碰撞前速度为v1，碰撞后共同速度为v2，则qE(m1m2)gqEtm1v1m1v1(m1m2)v2联立解得v22 m/s；(2)设圆弧段CD的半径为R，物块和经过C点时圆弧段轨道对物块支持力的大小为FN则R(1cos )hFN(m1m2)g(m1m2)解得：FN18 N，由牛顿第三定律可得物块和对轨道压力的大小为18 N.拓展训练1(多选)(2018全国卷21)如图2，一平行板电容器连接在直流电源上，电容器的极板水平；两微粒a、b所带电荷量大小相等、符号相反，使它们分别静止于电容器的上、下极板附近，与极板距离相等现同时释放a、b，它们由静止开始运动在随后的某时刻t，a、b经过电容器两极板间下半区域的同一水平面a、b间的相互作用和重力可忽略下列说法正确的是()图2Aa的质量比b的大B在t时刻，a的动能比b的大C在t时刻，a和b的电势能相等D在t时刻，a和b的动量大小相等答案BD解析经时间t，a、b经过电容器两极板间下半区域的同一水平面，则xaxb，根据xat2，得aaab，又由a知，maWb，由动能定理知，a的动能比b的动能大，B项正确；a、b处在同一等势面上，根据Epq知，a、b的电势能绝对值相等，符号相反，C项错误；根据动量定理Ftpp0，则经过时间t，a、b的动量大小相等，D项正确拓展训练2(2018福建省宁德市上学期期末)如图3所示，PM是半径为R的四分之一光滑绝缘轨道，仅在该轨道内有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B.光滑绝缘轨道MN水平且足够长，PM下端与MN相切于M点质量为m的带正电小球b静止在水平轨道上，质量为2m、电荷量为q的带正电小球a从P点由静止释放，在a球进入水平轨道后，a、b两小球间只有静电力作用，且a、b两小球始终没有接触带电小球均可视为点电荷，设小球b离M点足够远，重力加速度为g.求：图3(1)小球a刚到达M点时的速度大小及对轨道的压力大小；(2)a、b两小球系统的电势能最大值Ep；(3)a、b两小球最终的速度va、vb的大小答案(1)6mgqB(2)mgR(3)解析(1)小球a从P到M，洛伦兹力、弹力不做功，只有重力做功由动能定理有：2mgR(2m)vM2解得：vM在M点，由牛顿第二定律有：FN2mgqvMB解得：FN6mgqB根据牛顿第三定律得小球对轨道的压力大小为：FN6mgqB(2)两球速度相等时系统电势能最大，以向右为正方向，由动量守恒定律有：2mvM3mv共根据能量守恒定律有：Ep(2m)vM2(3m)v共2解得：EpmgR(3)由动量守恒定律：2mvM2mvamvb由能量守恒定律有：(2m)vM2(2m)va2mvb2解得：vavM，vbvM高考题型2磁场中的动量和能量问题例2(2018广西南宁市3月适应测试)如图4所示，光滑绝缘的半圆形圆弧轨道ACD，固定在竖直面内，轨道处在垂直于轨道平面向里的匀强磁场中，半圆弧的直径AD水平，因弧的半径为R，匀强磁场的磁感应强度为B，在A端由静止释放一个带正电荷、质量为m的金属小球甲，结果小球甲连续两次通过轨道最低点C时，对轨道的压力差为F，小球运动过程始终不脱离轨道，重力加速度为g.求：图4(1)小球甲经过轨道最低点C时的速度大小；(2)小球甲所带的电荷量；(3)若在圆弧轨道的最低点C放一个与小球甲完全相同的不带电的金属小球乙，让小球甲仍由轨道的A端由静止释放，则甲球与乙球发生弹性碰撞后的一瞬间，乙球对轨道的压力(不计两球间静电力的作用)答案(1)(2)(3)3mg，方向竖直向下解析(1)由于小球甲在运动过程中，只有重力做功，因此机械能守恒，由A点运动到C点，有mgRmvC2解得vC(2)小球甲第一次通过C点时，qvCBF1mgm第二次通过C点时，F2qvCBmgm由题意知FF2F1解得q(3)因为甲球与乙球在最低点发生的是弹性碰撞，则mvCmv甲 mv乙mvC2mv甲2mv乙2解得v甲0，v乙 vC设碰撞后的一瞬间，轨道对乙的支持力大小为F乙，方向竖直向上，则F乙qv乙Bmgm解得F乙3mg根据牛顿第三定律可知，此时乙球对轨道的压力大小为3mg，方向竖直向下拓展训练3(2018北京市大兴区上学期期末)如图5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5Aa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，由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粒子的动量大小小于a粒子的动量，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b，则b粒子运动的时间小于a粒子运动的时间，故C错误；根据qvBma，b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正确高考题型3电磁感应中动量和能量问题例3如图6所示，NQ和MP是两条平行且倾角为的光滑金属轨道，在两条轨道下面，在Q、P处接着QT和PS两条平行光滑的金属轨道，轨道足够长，所有轨道电阻忽略不计金属棒ab、cd放在轨道上，始终与轨道垂直且接触良好金属棒ab、cd的质量均为m，长度均为L，且金属棒的长度恰好等于轨道的间距，它们与轨道构成闭合回路，金属棒ab的电阻为2R，cd的电阻为R.磁场方向均垂直于导轨向上(不考虑PQ交界处的边界效应，可认为磁场在PQ处立即变为竖直向上)，磁感应强度大小为B.若先保持金属棒cd不动，ab在沿导轨向下的力F的作用下，开始以加速度a沿倾斜轨道向下做匀加速直线运动经过t0时间，ab棒恰好到PQ位置，此时撤去力F，同时释放金属棒cd，重力加速度为g，求：图6(1)ab棒匀加速运动过程中，外力F随时间t变化的函数关系；(2)两金属棒从撤去F，直到最后达到稳定后的运动过程中，金属棒cd产生的热量Q；(3)两金属棒从撤去F，直到最后达到稳定后的运动过程中，通过金属棒cd的电荷量q.答案(1)Fmamgsin (tt0) (2)ma2t02(3)解析(1)棒ab匀加速运动过程中，Fmgsin BLma得：Fmamgsin (tt0)(2)撤去力F时，金属棒ab的速度vat0，ab、cd组成的系统动量守恒，最终稳定时，两棒速度相同，以向右为正方向，由动量守恒定律得mv2mv得vat0则两金属棒产生的热量Q等于动能的减少量，则Q总mv2mv2mv2ma2t02由于金属棒ab电阻为2R，金属棒cd电阻为R，故其产生的热量之比为21故金属棒cd产生的热量QQ总ma2t02(3)对金属棒cd应用动量定理得：BLqmvmat0故q拓展训练4(2018湖北省孝感市重点高中协作体模拟)如图7所示，水平面内固定两对足够长的平行光滑金属导轨，左侧两导轨间的距离为2L，右侧两导轨间的距离为L，左、右侧的两导轨间都存在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场两均匀的导体棒ab和cd分别垂直放在左、右两侧的导轨上，ab棒的质量为2m、有效电阻为2r，而cd棒的质量为m、有效电阻为r，其他部分的电阻不计原来两棒都处于静止状态，现给棒一大小为I0、方向平行导轨向右的冲量使ab棒向右运动，在达到稳定状态时，两棒均未滑出各自的轨道求：图7(1)cd棒中的最大电流Im；(2)cd棒的最大加速度；(3)两棒达到稳定状态时，各自的速度大小答案(1)(2)(3)解析(1)ab棒获得一冲量，所以初速度v0分析知开始时回路中的感应电动势最大，最大值为Em2BLv0所以cd棒中最大感应电流Im(2)cd棒所受的最大安培力FmBImLcd棒的最大加速度am(3)当两棒中感应电动势大小相等时系统达到稳定状态，有2BLvabBLvcd由ab棒与cd棒中感应电流大小总是相等，可知安培力对ab棒与cd棒的冲量大小关系为Iab2Icd对ab棒根据动量定理有I0Iab2mvab对cd棒根据动量定理有Icdmvcd解得vab，vcd.专题强化练1(2018河北省承德市联校期末)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1A11 B12 C13 D14答案D2(多选)(2018山东省临沂市上学期期末)如图2所示，水平面上有相距为L的两光滑平行金属导轨，导轨上静止放有金属杆a和b，两杆均位于匀强磁场的左侧，让杆a以速度v向右运动，当杆a与杆b发生弹性碰撞后，两杆先后进入右侧的磁场中，当杆a刚进入磁场时，杆b的速度刚好为a的一半已知杆a、b的质量分别为2m和m，接入电路的电阻均为R，其他电阻忽略不计，设导轨足够长，磁场足够大，则()图2A杆a与杆b碰撞后，杆a的速度为，方向向右B杆b刚进入磁场时，通过b的电流为C从b进入磁场至a刚进入磁场时，该过程产生的焦耳热为mv2D杆a、b最终具有相同的速度，大小为答案ABC3(2018安徽省马鞍山市二质监)两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为L，导轨上垂直放置两根导体棒a和b，俯视图如图3甲所示两根导体棒的质量均为m，电阻均为R，回路中其余部分的电阻不计，在整个导轨平面内，有磁感应强度大小为B的竖直向上的匀强磁场导体棒与导轨接触良好且均可沿导轨无摩擦地滑行，开始时，两棒均静止，间距为x0，现给导体棒a一向右的初速度v0，并开始计时，可得到如图乙所示的vt图象(v表示两棒的相对速度，即vvavb)图3(1)试证明：在0t2时间内，回路产生的焦耳热与磁感应强度B无关；(2)求t1时刻，棒b的加速度大小；(3)求t2时刻，两棒之间的距离答案见解析解析(1)t2时刻，两棒速度相等，由动量守恒定律得：mv0mvmv由能量守恒定律得整个过程中产生的焦耳热：Qmv02(2m)v2解得：Qmv02所以在0t2时间内，回路产生的焦耳热与磁感应强度B无关(2)t1时刻，vvavb由动量守恒定律：mv0mvamvb解得：vav0时，vbv0回路中的电动势：EBLv0BLv0BLv0此时棒b所受的安培力：FBIL由牛顿第二定律可得，棒b的加速度a(3)t2时刻，两棒速度相同，由(1)知：v0t2时间内，对棒b，由动量定理，有：BiLtmv0，即：BqLmv又：qttt解得：xx0.4(2018河南省安阳市第二次模拟)如图4甲所示，一倾角为37、高为h0.3 m的绝缘斜面固定在水平面上，一可视为质点的质量为m1 kg、带电荷量q0.02 C的物块放在斜面顶端，距斜面底端L0.6 m处有一竖直放置的绝缘光滑半圆轨道，半径为R0.2 m，半圆轨道底端有一质量M1 kg可视为质点的绝缘小球，半圆轨道底端与斜面底端之间存在如图乙所示的变化电场(水平向右为正方向，图乙中O点对应坐标原点，虚线与坐标轴围成的图形是椭圆一部分，椭圆面积公式Sab，a、b分别为半长轴和半短轴)现给物块一沿斜面向下的初速度v0，物块运动到半圆轨道处与小球发生对心弹性碰撞，不计物块经过斜面底端时的能量损失，已知物块与斜面、水平面间的动摩擦因数均为0.5，重力加速度g10 m/s2，sin 370.60，cos 370.80.图4(1)若小球不脱离半圆轨道，求物块在斜面顶端释放的初速度v0的范围；(2)若小球能通过最高点，并垂直打在斜面上，求小球离开半圆轨道时的速度大小及小球打在斜面上的位置答案(1) m/sv0 m/s或v02 m/s(2) m/s小球恰好垂直打在斜面的底端解析(1)当小球运动到半圆轨道与圆心等高处速度为零时，对物块从开始运动到与小球碰撞前，由动能定理有mghW电mgmv2mv02分析题图乙可知W电qEm0.2物块与小球碰撞时，由动量守恒有mvmv1Mv2，由机械能守恒有mv2mv12Mv22当小球能沿半圆轨道返回时，对小球由动能定理有Mv22MgR以上各式联立解得v0 m/s物块与小球恰能碰撞时，由动能定理有mghW电mg0mv012，解得v01 m/s当小球恰能通过最高点时，由圆周运动知识可得MgM小球从最低点运动到最高点的过程，根据动能定理得2MgRMv32Mv022，得v02 m/s，物块由斜面顶端释放至碰撞前瞬间，由动能定理有mghW电mg(L)mv022mv022，解得v022 m/s综上所述，物块在斜面顶端释放的初速度范围为 m/sv0 m/s或v02 m/s(2)小球离开最高点后，做平抛运动，设小球离开最高点时速度为v4，则有水平方向xv4t，竖直方向ygt2又垂直打在斜面上，则2tan 设打在斜面上位置的高度为h，则由几何知识可得xL，y2Rh代入数据联立可得h0，v4 m/s，故小球恰好垂直打在斜面的底端5(2018陕西省宝鸡市质检二)如图5所示，绝缘水平桌面上方区域存在竖直向上的匀强电场，电场强度E5 N/C，过桌左边缘的虚线PQ上方存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度B T，虚线PQ与水平桌面成45角，现将一个质量m12.0103 kg、带正电q4.0103 C的物块A静置在桌面上，质量m21.0103 kg、不带电的绝缘物块B从与A相距L2.0 m处的桌面上以v05.0 m/s的初速度向左运动物块A、B与桌面间的动摩擦因数均为0.4，二者在桌面上发生碰撞(碰撞时间极短，A、B间无电荷转移)，碰撞后B反弹速度大小为vB1.0 m/s，A向左运动进入磁场，(重力加速度g取10 m/s2，结果保留两位有效数字)求：图5(1)碰撞后物块A的速度；(2)物块A从进入磁场到再次回到桌面所用时间；(3)若一段时间后A、B在桌面上相遇，求碰撞前A与桌面左边缘P的距离答案(1)2.0 m/s方向水平向左(2)2.7 s(3)0.83 m解析(1)设B与A碰撞前瞬间的速度为v，碰后A、B的速度分别为vA、vB，对于B由动能定理可得：m2gLm2v2m2v02A、B碰撞过程中，规定向左为正方向，对于A、B组成的系统由动量守恒定律可得：m2vm1vAm2vB联立可得：vA2.0 m/s，方向水平向左(2)对A受力分析可知qEm1g，故碰撞后A向左做匀速直线运动进入磁场，并在磁场中做匀速圆周运动，设在磁场中做圆周运动的周期为T，则：T由几何知识可得：物块A在磁场中运动了个圆周，轨迹如图所示设A在磁场中运动的时间为t1，则：t1TA运动出磁场后竖直向下匀速运动再次回到桌面位置，设其运动时间为t2，由题意可得：在磁场中洛伦兹力提供向心力：qvABm1RvAt2tt1t2联立得：t2.7 s(3)碰撞后B反弹，在桌面上做匀减速运动，设其加速度大小为a，碰撞至停止运动所用时间为t3，可得：m2gm2a0vBat3解得：t30.25 s显然，碰撞后B运动时间小于A运动时间，由此可知A、B相遇时，B已经停止运动所以A、B相遇的位置为B停止运动的位置，也是A竖直向下再次回到桌面的位置B匀减速的位移：svBt3则A距桌边P的距离：xRs解得x0.83 m6(2018天津卷12)真空管道超高速列车的动力系统是一种将电能直接转换成平动动能的装置图6甲是某种动力系统的简化模型，图中粗实线表示固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨，电阻忽略不计ab和cd是两根与导轨垂直、长度均为l、电阻均为R的金