2020版高考物理人教版复习课件专题带电粒子在复合场中的运动

专题5

带电粒子在复合场中的运动专题5带电粒子在复合场中的运动-2-知识梳理考点自诊带电粒子在复合场中运动的应用实例

-2-知识梳理考点自诊带电粒子在复合场中运动的应用实例-3-知识梳理考点自诊-3-知识梳理考点自诊-4-知识梳理考点自诊-4-知识梳理考点自诊-5-知识梳理考点自诊1.判断下列说法的正误。(1)带电粒子在复合场中不可能处于静止状态。(

)(2)带电粒子在复合场中可能做匀速圆周运动。(

)(3)带电粒子在复合场中一定能做匀变速直线运动。(

)(4)电荷在速度选择器中做匀速直线运动的速度与电荷的电性有关。(

)(5)不同比荷的粒子在质谱仪磁场中做匀速圆周运动的半径不同。(

)(6)粒子在回旋加速器中做圆周运动的半径、周期都随粒子速度的增大而增大。(

)答案答案关闭(1)×

(2)√

(3)×

(4)×

(5)√

(6)×-5-知识梳理考点自诊1.判断下列说法的正误。答案答-6-知识梳理考点自诊2.(多选)(2018·山西晋城一模)足够大的空间内存在着竖直向上的匀强磁场和匀强电场,有一带正电的小球在电场力和重力作用下处于静止状态。现将磁场方向顺时针旋转30°,同时给小球一个垂直磁场方向斜向下的速度(如图所示),则关于小球的运动,下列说法正确的是(

)A.小球做类平抛运动B.小球在纸面内做匀速圆周运动C.小球运动到最低点时电势能增加D.整个运动过程中机械能不守恒答案解析解析关闭小球在复合电磁场中处于静止状态,只受两个力作用,即重力和电场力且两者平衡,当把磁场顺时针方向倾斜30°,且给小球一个垂直磁场方向的速度v,则小球受到的合力就是洛伦兹力,且与速度方向垂直,所以小球将做匀速圆周运动,小球在垂直于纸面的倾斜平面内做匀速圆周运动,选项A、B错误;小球从开始到最低点过程中克服电场力做功,电势能增加,选项C正确;整个运动过程中机械能不守恒,选项D正确;故选CD。答案解析关闭CD-6-知识梳理考点自诊2.(多选)(2018·山西晋城一模)-7-知识梳理考点自诊3.(2018·福建龙岩期末)如图所示,两平行金属板中间有相互垂直的匀强磁场和匀强电场,不计重力的带电粒子沿垂直于电场和磁场方向射入。有可能做直线运动的是(

)答案解析解析关闭若粒子带正电,则A图中,粒子受向下的电场力和向下的洛伦兹力,粒子不能沿直线运动;同理当粒子带负电时也是一样,选项A错误;B图中,粒子受向上的电场力和向上的洛伦兹力,粒子不能沿直线运动;同理当粒子带负电时也是一样,选项B错误;C图中,粒子受向下的电场力和向上的洛伦兹力,若二力相等,则粒子能沿直线运动;同理当粒子带负电时也是一样,选项C正确;D图中,粒子受向上的电场力和向上的洛伦兹力,粒子不能沿直线运动;同理当粒子带负电时也是一样,选项D错误;故选C。答案解析关闭C-7-知识梳理考点自诊3.(2018·福建龙岩期末)如图所示-8-知识梳理考点自诊4.(多选)磁流体发电是一项新兴技术,它可以把物体的内能直接转化为电能,下图是它的示意图。平行金属板A、B之间有一个很强的磁场,将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负离子)喷入磁场,A、B两板间便产生电压。如果把A、B和用电器连接,A、B就是直流电源的两个电极,设A、B两板间距为d,磁感应强度为B',等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向射入A、B两板之间,则下列说法正确的是(

)A.A是直流电源的正极 B.B是直流电源的正极C.电源的电动势为B'dv D.电源的电动势为qvB'答案解析解析关闭答案解析关闭-8-知识梳理考点自诊4.(多选)磁流体发电是一项新兴技术,-9-知识梳理考点自诊5.(多选)(2019·山东枣庄八中月考)利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领域。如图是霍尔元件的工作原理示意图,磁感应强度为B的磁场垂直于霍尔元件的工作面向下,通入图示方向的电流I,C、D两侧面会形成电势差UCD,下列说法中正确的是(

)A.电势差UCD仅与材料有关B.若霍尔元件的载流子是自由电子,则电势差UCD<0C.仅增大磁感应强度时,电势差UCD变大D.在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持水平答案解析解析关闭答案解析关闭-9-知识梳理考点自诊5.(多选)(2019·山东枣庄八中月-10-命题点一命题点二命题点三带电粒子在组合场中的运动1.基本思路-10-命题点一命题点二命题点三带电粒子在组合场中的运动-11-命题点一命题点二命题点三2.“电偏转”和“磁偏转”的比较

-11-命题点一命题点二命题点三2.“电偏转”和“磁偏转”的-12-命题点一命题点二命题点三-12-命题点一命题点二命题点三-13-命题点一命题点二命题点三-13-命题点一命题点二命题点三-14-命题点一命题点二命题点三-14-命题点一命题点二命题点三-15-命题点一命题点二命题点三-15-命题点一命题点二命题点三-16-命题点一命题点二命题点三-16-命题点一命题点二命题点三-17-命题点一命题点二命题点三-17-命题点一命题点二命题点三-18-命题点一命题点二命题点三-18-命题点一命题点二命题点三-19-命题点一命题点二命题点三思维点拨氕核和氘核在电场中做类平抛运动,在磁场中做圆周运动,每一个运动建立合理的公式即可求出待求的物理量。带电粒子在匀强电场中类平抛运动和在匀强磁场中的匀速圆周运动是常见试题,此题与2004年全国理综卷第25题情景类似,解答需要的知识是带电粒子在匀强电场中的类平抛运动规律和洛伦兹力等于向心力、几何关系等知识点。-19-命题点一命题点二命题点三思维点拨氕核和氘核在电场中做-20-命题点一命题点二命题点三即学即练1.(2018·山东潍坊模拟)在如图所示的坐标系中,第一和第二象限(包括y轴的正半轴)内存在磁感应强度大小为B、方向垂直xOy平面向里的匀强磁场;第三和第四象限内存在平行于y轴正方向、大小未知的匀强电场。p点为y轴正半轴上的一点,坐标为(0,l);n点为y轴负半轴上的一点,坐标未知。现有一带正电的粒子由p点沿y轴正方向以一定的速度射入匀强磁场,该粒子经磁场偏转后以与x轴正半轴成45°角的方向进入匀强电场,在电场中运动一段时间后,该粒子恰好垂直于y轴经过n点。粒子的重力忽略不计。求:(1)粒子在p点的速度大小;(2)第三和第四象限内的电场强度的大小;(3)带电粒子从由p点进入磁场到第三次通过x轴的总时间。-20-命题点一命题点二命题点三即学即练-21-命题点一命题点二命题点三解析:(1)在电场中,粒子做类平抛运动,设Q点到x轴距离为l,到y轴距离为2l,粒子的加速度为a,运动时间为t,有2l=v0t①设粒子到达O点时沿y轴方向的分速度为vyvy=at③设粒子到达O点时速度方向与x轴正方向夹角为α,联立①②③④式得α=45°⑤即粒子到达O点时速度方向与x轴正方向成45°斜向上。设粒子到达O点时速度大小为v,由运动的合成有-21-命题点一命题点二命题点三解析:(1)在电场中,粒子做-22-命题点一命题点二命题点三(2)设电场强度为E,粒子电荷量为q,质量为m,粒子在电场中受到的电场力为F,由牛顿第二定律可得F=ma⑧又F=qE⑨设磁场的磁感应强度大小为B,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r,所受的洛伦兹力提供向心力,有-22-命题点一命题点二命题点三(2)设电场强度为E,粒子电-23-命题点一命题点二命题点三2.(2018·全国卷Ⅱ,25)一足够长的条状区域内存在匀强电场和匀强磁场,其在xOy平面内的截面如图所示:中间是磁场区域,其边界与y轴垂直,宽度为l,磁感应强度的大小为B,方向垂直于xOy平面;磁场的上、下两侧为电场区域,宽度均为l',电场强度的大小均为E,方向均沿x轴正方向;M、N为条状区域边界上的两点,它们的连线与y轴平行,一带正电的粒子以某一速度从M点沿y轴正方向射入电场,经过一段时间后恰好以从M点入射的速度从N点沿y轴正方向射出。不计重力。(1)定性画出该粒子在电磁场中运动的轨迹;(2)求该粒子从M点入射时速度的大小;(3)若该粒子进入磁场时的速度方向恰好与x轴正方向的夹角为,求该粒子的比荷及其从M点运动到N点的时间。-23-命题点一命题点二命题点三2.(2018·全国卷Ⅱ,2-24-命题点一命题点二命题点三-24-命题点一命题点二命题点三-25-命题点一命题点二命题点三

(2)粒子从电场下边界入射后在电场中做类平抛运动。设粒子从M点射入时速度的大小为v0,在下侧电场中运动的时间为t,加速度的大小为a;粒子进入磁场的速度大小为v,方向与电场方向的夹角为θ(见图(b)),速度沿电场方向的分量为v1,根据牛顿第二定律有qE=ma①式中q和m分别为粒子的电荷量和质量。由运动学公式有v1=at②l'=v0t③v1=vcos

θ④-25-命题点一命题点二命题点三(2)粒子从电场下边界入射-26-命题点一命题点二命题点三-26-命题点一命题点二命题点三-27-命题点一命题点二命题点三带电粒子在叠加场中的运动1.带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类(1)磁场力、重力并存①若重力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动。②若重力和洛伦兹力不平衡,则带电体将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,故机械能守恒,由此可求解问题。-27-命题点一命题点二命题点三带电粒子在叠加场中的运动-28-命题点一命题点二命题点三(2)电场力、磁场力并存(不计重力的微观粒子)①若电场力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动。②若电场力和洛伦兹力不平衡,则带电体将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用动能定理求解问题。(3)电场力、磁场力、重力并存①若三力平衡,一定做匀速直线运动。②若重力与电场力平衡,一定做匀速圆周运动。③若合力不为零且与速度方向不垂直,将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用能量守恒或动能定理求解问题。-28-命题点一命题点二命题点三(2)电场力、磁场力并存(不-29-命题点一命题点二命题点三2.带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动带电体在复合场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下,除受场力外,还受弹力、摩擦力作用,常见的运动形式有直线运动和圆周运动,此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况,并注意洛伦兹力不做功的特点,运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果。-29-命题点一命题点二命题点三2.带电粒子在叠加场中有约束-30-命题点一命题点二命题点三典例2(2016·天津卷)如图所示,空间中存在着水平向右的匀强电场,电场强度大小E=5N/C,同时存在着水平方向的匀强磁场,其方向与电场方向垂直,磁感应强度大小B=0.5T。有一带正电的小球,质量m=1×10-6kg,电荷量

q=2×10-6C,正以速度v在图示的竖直面内做匀速直线运动,当经过P点时撤掉磁场(不考虑磁场消失引起的电磁感应现象),g取10m/s2。求:(1)小球做匀速直线运动的速度v的大小和方向;(2)从撤掉磁场到小球再次穿过P点所在的这条电场线经历的时间t。-30-命题点一命题点二命题点三典例2(2016·天津卷)如-31-命题点一命题点二命题点三答案:(1)20m/s,方向与水平面成60°斜向上

(2)3.5s解析:(1)小球匀速直线运动时受力如图,其所受的三个力在同一平面内,合力为零,有qvB=①代入数据解得v=20

m/s②-31-命题点一命题点二命题点三答案:(1)20m/s,方-32-命题点一命题点二命题点三(2)解法一:撤去磁场,小球在重力与电场力的合力作用下做类平抛运动,设其加速度为a,有-32-命题点一命题点二命题点三(2)解法一:-33-命题点一命题点二命题点三解法二:撤去磁场后,由于电场力垂直于竖直方向,它对竖直方向的分运动没有影响,以P点为坐标原点,竖直向上为正方向,小球在竖直方向上做匀减速运动,其初速度为vy=vsin

θ⑤若使小球再次穿过P点所在的电场线,仅需小球的竖直方向上分位移为零,则有-33-命题点一命题点二命题点三解法二:-34-命题点一命题点二命题点三思维点拨(1)在撤去磁场前,小球受重力、洛伦兹力、电场力三个力作用,三力平衡。(2)撤去磁场后,可考虑把小球的运动分解成水平方向上和竖直方向上的运动,其中竖直方向上的运动为竖直上抛运动。-34-命题点一命题点二命题点三思维点拨(1)在撤去磁场前,-35-命题点一命题点二命题点三粒子在叠加场中运动的分析思路

-35-命题点一命题点二命题点三粒子在叠加场中运动的分析思路-36-命题点一命题点二命题点三即学即练3.(2017·全国卷Ⅰ)如图,空间某区域存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向上(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里。三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等,质量分别为ma、mb、mc。已知在该区域内,a在纸面内做匀速圆周运动,b在纸面内向右做匀速直线运动,c在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是(

)A.ma>mb>mc

B.mb>ma>mcC.mc>ma>mb

D.mc>mb>ma答案解析解析关闭答案解析关闭-36-命题点一命题点二命题点三即学即练答案解析解析关闭-37-命题点一命题点二命题点三4.(多选)(2018·江西抚州模拟)向下的匀强电场和水平方向的匀强磁场正交的区域里,一带电粒子从a点由静止开始沿曲线abc运动到c点时速度变为零,b点是运动中能够到达的最高点,如图所示,若不计重力,下列说法中正确的是(

)A.粒子肯定带负电,磁场方向垂直于纸面向里B.a、c点处于同一水平线上C.粒子通过b点时速率最大D.粒子达到c点后将沿原路径返回到a点答案解析解析关闭粒子开始受到电场力作用而向上运动,受到向右的洛伦兹力作用,则知电场力方向向上,故粒子带负电;根据左手定则判断磁场方向垂直于纸面向里,故A正确。将粒子在c点的状态与a点进行比较,c点的速率为零,动能为零,根据能量守恒可知,粒子在c与a两点的电势能相等,电势相等,则a、c两点应在同一条水平线上;由于在a、c两点粒子的状态(速度为零,电势能相等)相同,粒子将在c点右侧重现前面的曲线运动,因此,粒子是不可能沿原曲线返回a点的,故B正确,D错误。根据动能定理得,粒子从a运动到b点的过程电场力做功最大,则b点速度最大,故C正确。故选ABC。答案解析关闭ABC-37-命题点一命题点二命题点三4.(多选)(2018·江西-38-命题点一命题点二命题点三现代科技中的电磁场问题解决实际问题的一般过程-38-命题点一命题点二命题点三现代科技中的电磁场问题-39-命题点一命题点二命题点三典例3(2016·全国卷Ⅰ)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子,右图为其示意图,其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为(

)A.11 B.12

C.121

D.144答案解析解析关闭答案解析关闭-39-命题点一命题点二命题点三典例3(2016·全国卷Ⅰ)-40-命题点一命题点二命题点三思维点拨注意题给信息的含义,“经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开”意味着两粒子在磁场中运动的半径相等。-40-命题点一命题点二命题点三思维点拨注意题给信息的含义,-41-命题点一命题点二命题点三即学即练5.(多选)(2018·河北武邑期中)如图所示,长方体玻璃水槽中盛有NaCl的水溶液,在水槽左右侧壁内侧各装一导体片,使溶液中通入沿x轴正向的电流I,沿y轴正向加恒定的匀强磁场B,图中a、b是垂直于z轴方向上水槽的前后两内侧面,则(

)A.a处电势高于b处电势B.a处电势等于b处电势C.a处电势小于b处电势D.a处离子浓度大于b处离子浓度答案解析解析关闭ABC.电流向右,正离子向右运动,磁场的方向是竖直向上的,根据左手定则判断可知,正离子受到的洛伦兹力的方向沿+z方向,正离子向a处运动,同理,知负离子向a处运动,所以a处整体不带电,a处的电势和b处的电势相同,故AC错误,B正确;D.由于正负离子都向a处运动,所以a处的离子浓度大于b处离子浓度,故D正确;故选BD。答案解析关闭BD

-41-命题点一命题点二命题点三即学即练答案解析解析关闭-42-命题点一命题点二命题点三6.(多选)(2018·河北衡水中学模拟)如图所示,一对间距可变的平行金属板C、D水平放置,两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场B。两板通过滑动变阻器与铅蓄电池相连,这种铅蓄电池能快速转换到“逆变”状态,即外界电压过低时能向外界提供一定的供电电压,当外界电压超过某一限定值时可转换为充电状态,闭合开关S后,有一束不计重力的带正电粒子从左侧以一定的速度v0射入两板间恰能做直线运动,现对入射粒子或对装置进行调整,则下列有关描述正确的是

(

)A.若仅将带正电的粒子换成带负电的粒子,也能直线通过B.若只增大两板间距到一定程度时可使铅蓄电池处于充电状态C.若将滑动变阻器触头P向a端滑动,可提高C板的电势D.若只减小入射粒子的速度,可使铅蓄电池处于充电状态答案解析解析关闭答案解析关闭-42-命题点一命题点二命题点三6.(多选)(2018·河北-43-带电粒子在交变电场、磁场中的运动带电粒子在交变电磁场中运动指的是空间存在的电场或磁场是随时间周期性变化的,一般呈现“矩形波”的特点。交替变化的电场及磁场会使带电粒子顺次经过不同特点的电场、磁场或叠加的场,从而表现出多过程现象,其特点较为隐蔽,应注意以下两点:①仔细确定各场的变化特点及相应时间,其变化周期一般与粒子在磁场中的运动周期关联。②把粒子的运动过程用直观草图进行分析。这类问题的基本思路是:-43-带电粒子在交变电场、磁场中的运动-44--44--45-典例回旋加速器的工作原理如图1所示,置于真空中的D形金属盒半径为r,两盒间狭缝的间距为d,磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。被加速粒子的质量为m、电荷量为+q,加在狭缝零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间,假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动,不考虑粒子间的相互作用。求:-45-典例回旋加速器的工作原理如图1所示,置于真空中的D形-46-

图1 图2(1)出射粒子的动能Em;(2)粒子从飘入狭缝至动能达到Em所需的总时间t0;(3)要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出,d应满足的条件。-46-图1 图2-47--47--48--48--49-思维点拨计算粒子在电场中运动的总时间时,可剔除粒子在磁场中的运动,直接将粒子在电场中的各段运动相衔接,作为一个匀加速直线运动来处理,可用总位移nd=a