2020高考物理二轮复习课堂学案课件-磁场及带电粒子在复合场中的运动

,专题五磁场及带电粒子在复合场中的运动,第一部分专题复习,高考领航,01,考向一安培力作用下导体的平衡1.(多选)(2019江苏卷7)如图1所示，在光滑的水平桌面上，a和b是两条固定的平行长直导线，通过的电流强度相等.矩形线框位于两条导线的正中间，通有顺时针方向的电流，在a、b产生的磁场作用下静止.则a、b的电流方向可能是A.均向左B.均向右C.a的向左，b的向右D.a的向右，b的向左,1,2,3,图1,解析若a、b的电流方向均向左，根据安培定则及磁场的叠加可知，a直导线到a、b直导线正中间部分的磁场方向垂直纸面向外，而b直导线到a、b直导线正中间部分的磁场方向垂直纸面向里，再根据左手定则可知，矩形线框受到的安培力的合力不为零，与题中线框在磁场作用下静止不符，选项A错误；同理可知B错误；,1,2,3,若a的电流方向向左、b的电流方向向右，根据安培定则和磁场的叠加可知，a、b直导线在a、b直导线之间所有空间产生的磁场方向均垂直纸面向外，根据左手定则可知，矩形线框受到的安培力的合力为零，与题中线框在磁场作用下静止相符；同理，若a的电流方向向右、b的电流方向向左，根据安培定则和磁场的叠加可知，a、b直导线在a、b直导线之间所有空间产生的磁场方向均垂直纸面向里，根据左手定则可知，矩形线框受到的安培力的合力也为零，与题中线框在磁场作用下静止相符，选项C、D均正确.,考向二复合场在现代科技中的应用实例2.(多选)(2014江苏卷9)如图2所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为I，线圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小B与I成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此时通过霍尔元件的电流为IH，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足：UHk，式中k为霍尔系数，d为霍尔元件两侧面间的距离.电阻R远大于RL，霍尔元件的电阻可以忽略，则A.霍尔元件前表面的电势低于后表面B.若电源的正负极对调，电压表将反偏C.IH与I成正比D.电压表的示数与RL消耗的电功率成正比,图2,1,2,3,解析当霍尔元件通有电流IH时，根据左手定则，电子将向霍尔元件的后表面运动，故霍尔元件的前表面电势较高.若将电源的正负极对调，则磁感应强度B的方向换向，IH方向变化，根据左手定则，电子仍向霍尔元件的后表面运动，故仍是霍尔元件的前表面电势较高，选项A、B错误.,1,2,3,考向三带电粒子在组合场中的运动3.(2018江苏卷15)如图3所示，真空中四个相同的矩形匀强磁场区域，高为4d，宽为d，中间两个磁场区域间隔为2d，中轴线与磁场区域两侧相交于O、O点，各区域磁感应强度大小相等.某粒子质量为m、电荷量为q，从O沿轴线射入磁场.当入射速度为v0时，粒子从O上方处射出磁场.取sin530.8，cos530.6.(1)求磁感应强度大小B；,图3,1,2,3,(2)入射速度为5v0时，求粒子从O运动到O的时间t；,解析粒子运动轨迹如图所示，设粒子在一个矩形磁场中的偏转角为,1,2,3,(3)入射速度仍为5v0，通过沿轴线OO平移中间两个磁场(磁场不重叠)，可使粒子从O运动到O的时间增加t，求t的最大值.,解析设将中间两磁场分别向中央移动距离x粒子向上的偏移量y2r(1cos)xtan,增加路程的最大值smsm2dd,1,2,3,知识整合,02,1.磁场对电流的作用力,2.带电粒子在匀强磁场中的运动,BIL,3.电场与磁场的组合应用实例,相同,4.电场与磁场的叠加应用实例,匀速,直线,qvB,电势差,能力提升,03,高考题型1磁场性质与安培力,高考题型2带电离子在匀强磁场中的运动,高考题型3复合场在现代科技中的应用,高考题型4带电粒子在复合场中的运动,高考题型1磁场性质与安培力,选择题5年3考，计算题5年1考,1.熟悉“两个等效模型”(1)变曲为直：图4甲所示通电导线，在计算安培力的大小和判断方向时均可等效为ac直线电流.,图4,(2)化电为磁：环形电流可等效为小磁针，通电螺线管可等效为条形磁铁，如图乙.,2.导体棒问题分析方法,例1(2019全国卷17)如图5，等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成，固定于匀强磁场中，线框平面与磁感应强度方向垂直，线框顶点M、N与直流电源两端相接.已知导体棒MN受到的安培力大小为F，则线框LMN受到的安培力的大小为A.2FB.1.5FC.0.5FD.0,图5,解析设三角形边长为l，通过导体棒MN的电流大小为I，因RMNRMLRLN，则根据并联电路的规律可知通过导体棒ML和LN的电流大小为，如图所示，依题意有FBlI，则导体棒ML和LN所受安培力的合力为F1BlIF，方向与F的方向相同，所以线框LMN受到的安培力大小为1.5F，选项B正确.,拓展训练1(多选)(2019南通市模拟)如图6所示，水平面内有两条互相垂直的通电长直绝缘导线L1、L2，L1中的电流方向向右，L2中的电流方向向上；L2的右方有a、b两点，它们相对于L1对称.整个系统处于垂直于纸面向里的匀强外磁场中，磁感应强度大小为B0.已知a、b两点的磁感应强度大小分别为，方向也垂直于纸面向里.则,图6,解析由于a、b关于L1对称，所以导线L1产生的磁场在a、b两点的磁感应强度大小相等，由安培定则可知方向相反，设向里为正方向，则L1在a、b两点产生的磁感应强度分别为B1、B1；导线L2产生的磁场在a、b两点的磁感应强度方向均垂直纸面向里，大小为B2，对a点由磁场叠加可得：BaB0B1B2,高考题型2带电离子在匀强磁场中的运动,计算题5年1考,2.基本步骤：(1)画轨迹：依题意画出粒子运动轨迹，或可能的轨迹，找到临界情况的轨迹.(2)定圆心：入射点与出射点所受洛伦兹力方向的交点.(3)求半径或圆心角：由图中几何关系求半径从而可求出速度，求圆心角从而可求出时间.,3.基本“语言翻译”：运动语言几何语言速度半径(m、q、B一定时rv)时间圆心角(tT)时间弦长(圆心角时，圆心角越大，弧长越长，弦长越长，代表时间越长)时间弧长4.轨迹的几个基本特点：(1)粒子从同一直线边界射入磁场和射出磁场时，入射角等于出射角.如图7，123.(2)粒子经过磁场时速度方向的偏转角等于其轨迹的圆心角(如图，12).,图7,(3)沿半径方向射入圆形磁场的粒子，出射时亦沿半径方向，如图8.,图8图9,(4)磁场圆与轨迹圆半径相同时，以相同速率从同一点沿各个方向射入的粒子，出射速度方向相互平行，如图9.反之，以相互平行的相同速率射入时，会从同一点射出(即磁聚焦现象).,例2(2019江苏卷16)如图10所示，匀强磁场的磁感应强度大小为B.磁场中的水平绝缘薄板与磁场的左、右边界分别垂直相交于M、N，MNL，粒子打到板上时会被反弹(碰撞时间极短)，反弹前后水平分速度不变，竖直分速度大小不变、方向相反.质量为m、电荷量为q的粒子速度一定，可以从左边界的不同位置水平射入磁场，在磁场中做圆周运动的半径为d，且dL.粒子重力不计，电荷量保持不变.(1)求粒子运动速度的大小v；,图10,又rd,(2)欲使粒子从磁场右边界射出，求入射点到M的最大距离dm；,解析如图所示，粒子碰撞后的运动轨迹恰好与磁场左边界相切由几何关系得dmd(1sin60),(3)从P点射入的粒子最终从Q点射出磁场，PMd，QN，求粒子从P到Q的运动时间t.,拓展训练2(2019全国卷17)如图11，边长为l的正方形abcd内存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面(abcd所在平面)向外.ab边中点有一电子发射源O，可向磁场内沿垂直于ab边的方向发射电子.已知电子的比荷为k.则从a、d两点射出的电子的速度大小分别为,图11,高考题型3复合场在现代科技中的应用,选择题5年1考，计算题5年3考,1.回旋加速器的原理交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，某粒子经电场加速，经磁场回旋，该粒子获得的最大动能由磁感应强度和D形盒半径决定，与加速电压无关.2.电场与磁场叠加实例的基本分析思路一般以单个带电粒子为研究对象，在洛伦兹力和电场力平衡时做匀速直线运动达到稳定状态.,例3(2019南京市六校联考)如图12所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图.速度选择器(也称滤速器)中场强E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外.在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若m甲m乙m丙m丁，v甲v乙v丙v丁，在不计重力的情况下，则打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是A.甲、乙、丙、丁B.甲、丁、乙、丙C.丙、丁、乙、甲D.甲、乙、丁、丙,图12,解析四个离子中有两个离子通过了速度选择器，因只有速度满足v才能通过速度选择器，所以通过速度选择器进入磁场的离子是乙和丙.由牛顿第二定律得：qvB解得：R，乙的质量小于丙的质量，所以乙的半径小于丙的半径，则乙打在P3点，丙打在P4点.甲的速度小于乙的速度，即小于，洛伦兹力小于电场力，离子向下偏转，打在P1点.丁的速度大于丙的速度，即大于，洛伦兹力大于电场力，离子向上偏转，打在P2点.故选B.,拓展训练3(多选)(2019扬州市一模)暗访组在某化工厂的排污管末端安装了如图13所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，匀强磁场方向竖直向下，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极.污水充满管口从左向右流经测量管时，a、c两端电压为U，显示仪器显示污水流量Q(单位时间内排出的污水体积).则A.a侧电势比c侧电势高B.污水中离子浓度越高，显示仪器的示数将越大C.若污水从右侧流入测量管，显示器显示为负值，将磁场反向则显示为正值D.污水流量Q与U成正比，与L、D无关,图13,解析根据左手定则可知，正离子向a侧偏转，负离子向c侧偏转，则a侧电势比c侧电势高，选项A正确；根据qvBq可得UBDv，可知显示仪器的示数与污水中离子浓度无关，选项B错误；若污水从右侧流入测量管，则受磁场力使得正离子偏向c侧，负离子偏向a侧，则c端电势高，显示器显示为负值，将磁场反向，则受磁场力使得正离子偏向a侧，负离子偏向c侧，则显示为正值，选项C正确；污水流量则污水流量Q与U成正比，与D有关，与L无关，选项D错误.,高考题型4带电粒子在复合场中的运动,选择题5年4考,1.叠加场明确粒子受几个力，结合运动情况，分析各力方向.(1)电场与磁场叠加：常见模型有速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件等.(2)电场、磁场、重力场叠加：无约束带电体在叠加场做直线运动时必为匀速直线运动；做圆周运动时必为匀速圆周运动，重力与电场力平衡，洛伦兹力提供向心力.2.组合场带电粒子依次经过各场，运动过程由各阶段不同性质的运动(圆周、类平抛、变速直线、匀速直线等)组合而成.(1)分析研究带电粒子在不同场区的运动.(2)分析与计算各阶段运动间连接点的速度大小与方向是解题关键.(3)画出全过程运动示意图很重要.,3.交变场带电粒子进入周期性变化的电场或磁场，其运动随之做周期性变化.(1)分析清楚复合场一个周期内的粒子运动过程，找到粒子运动时间、位移、速度等的周期性变化规律.(2)画出运动过程的示意图，有助于分析.,例4(2019海安市期末)如图14所示，在平面直角坐标系xOy的第二、三、四象限内存在竖直向上的匀强电场，x轴下方同时存在垂直纸面向外的匀强磁场.一带电小球从x轴上的A点以初速度v0垂直x轴向上射出，小球沿竖直光滑的绝缘圆形轨道内壁运动到y轴上的C点，以速度v0垂直y轴进入第一象限，接着以与x轴正方向成45从D点斜射入x轴下方，小球再次回到x轴时恰好经过原点O.已知小球的质量为m，带电荷量为q，重力加速度为g，求：(1)空间第二、三、四象限内匀强电场的电场强度大小E；,解析设圆形轨道半径为R，由A到C：EqRmgR0,图14,(2)x轴下方匀强磁场的磁感应强度大小B；,解析设小球由C到D的运动时间为t2，如图所示，,(3)小球从A点运动到O点经历的时间t.,拓展训练4(2019如东中学、茶中学联考)如图15所示，容器A中装有大量的质量不同、电荷量均为q的粒子，粒子从容器下方的小孔S1不断飘入加速电场(初速度可视为零)做直线运动，通过小孔S2后从两平行板中央垂直电场方向射入偏转电场.粒子通过平行板后垂直磁场方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的水平匀强磁场区域，最后打在感光片上.已知加速电场中S1、S2间的加速电压为U，偏转电场极板长为L，两板间距为L，板间电场看成匀强电场，其电场强度E，方向水平向左(忽略板间外的电场)，平行板f的下端与磁场水平边界ab相交于点P，在边界ab上实线处固定放置感光片.测得从容器