高考物理一轮复习 考点精讲 考点37 带电粒子在电场中的运动（原卷版）

考点37带电粒子在电场中的运动（核心考点精讲精练）1.5年真题考点分布带电粒子在电场中的运动2023·浙江1月选考·T122023·湖北卷·T102022·江苏卷·T152022·辽宁卷·T142022·湖北卷·T102021·全国乙卷·T202021·湖南卷·T92020·浙江7月选考·T62019·全国卷Ⅱ·T242019·全国卷Ⅲ·T242019·天津卷·T32.命题规律及备考策略【命题规律】近几年高考主要考查：带电粒子在电场中运动,用动力学、能量和动量观点分析带电粒子的力电综合问题【备考策略】1.利用动力学、功能观点分析带电粒子在电场中的直线运动．2.掌握带电粒子在电场中的偏转规律.3.会分析带电粒子在电场中偏转的功能关系.4.掌握带电粒子在电场和重力场的复合场中的运动规律.5.会分析、计算带电粒子在交变电场中的偏转问题．6.会用等效法分析带电粒子在电场和重力场中的圆周运动.7.会用动力学、能量和动量观点分析带电粒子的力电综合问题．【命题预测】电粒子在交变电场中的偏转问题;带电粒子在电场和重力场中的圆周运动;用动力学、能量和动量观点分析带电粒子的力电综合问题带电粒子（体）在电场中直线运动的分析方法带电粒子在电场中的偏转规律考向1带电粒子(带电体)在电场中的直线运动1．做直线运动的条件(1)粒子所受合外力F合＝0，粒子或静止，或做匀速直线运动。(2)匀强电场中，粒子所受合外力F合≠0，且与初速度方向在同一条直线上，带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动。2．用动力学观点分析a＝eq\f(qE,m)，E＝eq\f(U,d)，v2－v02＝2ad(匀强电场)。3．用功能观点分析匀强电场中：W＝Eqd＝qU＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mv02。非匀强电场中：W＝qU＝Ek2－Ek1。4．对带电粒子进行受力分析时应注意的问题(1)要掌握静电力的特点．静电力的大小和方向不仅跟电场强度的大小和方向有关，还跟带电粒子的电性和电荷量有关．(2)是否考虑重力依据情况而定．基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等除有特殊说明或明确的暗示外，一般不考虑重力(但不能忽略质量)．带电颗粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有特殊说明或明确的暗示外，一般都不能忽略重力．（2023秋·黑龙江鸡西·高三校考期末）水平放置的充电平行金属板相距为d，其间形成匀强电场，一质量为m，带电量为的油滴从下板边缘射入运动到上板，路径如图所示直线，则下列判断不正确的是（）A．场强方向竖直向上B．油滴一定是以做匀速直线运动C．两板间电势差为D．油滴的电势能增加了（2023·浙江温州·统考三模）如图甲所示为粒子直线加速器原理图，它由多个横截面积相同的同轴金属圆筒依次组成，序号为奇数的圆筒与序号为偶数的圆筒分别和交变电源相连，交变电源两极间的电势差的变化规律如图乙所示。在时，奇数圆筒比偶数圆筒电势高，此时和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）的中央有一自由电子由静止开始在各间隙中不断加速。若电子的质量为m，电荷量为e，交变电源的电压为U，周期为T。不考虑电子的重力和相对论效应，忽略电子通过圆筒间隙的时间。下列说法正确的是（）A．电子在圆筒中也做加速直线运动B．电子离开圆筒1时的速度为C．第n个圆筒的长度应满足D．保持加速器筒长不变，若要加速比荷更大的粒子，则要调大交变电压的周期考向2带电粒子在匀强电场中的偏转1．基本规律设粒子所带电荷量为q，质量为m，所受重力影响忽略，两平行金属板间的电压为U，板长为l，板间距离为d，粒子能以平行金属板的初速度v0进入两金属板间且能从两金属板之间穿过，则有(1)加速度：a＝eq\f(F,m)＝eq\f(qE,m)＝eq\f(qU,md)。(2)在电场中的运动时间：t＝eq\f(l,v0)。(3)末速度eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(vx＝v0,vy＝at＝\f(qUl,mv0d)))v＝eq\r(veq\o\al(2,x)＋veq\o\al(2,y))，tanθ＝eq\f(vy,vx)＝eq\f(qUl,mveq\o\al(2,0)d)。(4)位移eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(l＝v0t,y＝\f(1,2)at2＝\f(qUl2,2mveq\o\al(2,0)d)))。2．两个结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时，偏移量和偏转角总是相同的。证明：由qU1＝eq\f(1,2)mv02，y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU2,md)·(eq\f(l,v0))2，tanθ＝eq\f(qU2l,mdv02)，得y＝eq\f(U2l2,4U1d)，tanθ＝eq\f(U2l,2U1d)。(2)粒子经电场偏转后射出，合速度的反向延长线与初速度延长线的交点O′为粒子水平位移的中点，即O′到偏转电场边缘的距离为eq\f(l,2)。3．在示波管模型中，带电粒子经加速电场U1加速，再经偏转电场U2偏转后，需要经历一段匀速直线运动才会打到荧光屏上而显示亮点P，如图所示。(1)确定最终偏移距离思路一：思路二：(2)确定偏转后的动能(或速度)思路一：思路二：（多选）（2023·湖北·统考高考真题）一带正电微粒从静止开始经电压加速后，射入水平放置的平行板电容器，极板间电压为。微粒射入时紧靠下极板边缘，速度方向与极板夹角为，微粒运动轨迹的最高点到极板左右两端的水平距离分别为和L，到两极板距离均为d，如图所示。忽略边缘效应，不计重力。下列说法正确的是（

）A．B．C．微粒穿过电容器区域的偏转角度的正切值为2D．仅改变微粒的质量或者电荷数量，微粒在电容器中的运动轨迹不变（多选）（2021·全国·高考真题）四个带电粒子的电荷量和质量分别、、、它们先后以相同的速度从坐标原点沿x轴正方向射入一匀强电场中，电场方向与y轴平行，不计重力，下列描绘这四个粒子运动轨迹的图像中，可能正确的是（）A． B．C． D．考向3带电粒子在重力场和电场复合场中的运动1．等效重力场物体仅在重力场中的运动是最常见、最基本的运动，但是对于处在匀强电场和重力场中物体的运动问题就会变得复杂一些．此时可以将重力场与电场合二为一，用一个全新的“复合场”来代替，可形象称之为“等效重力场”．2.3．举例（多选）（2022·全国·统考高考真题）地面上方某区域存在方向水平向右的匀强电场，将一带正电荷的小球自电场中Р点水平向左射出。小球所受的重力和电场力的大小相等，重力势能和电势能的零点均取在Р点。则射出后，（）A．小球的动能最小时，其电势能最大B．小球的动能等于初始动能时，其电势能最大C．小球速度的水平分量和竖直分量大小相等时，其动能最大D．从射出时刻到小球速度的水平分量为零时，重力做的功等于小球电势能的增加量（2023·陕西商洛·镇安中学校考模拟预测）如图所示，一长为L的绝缘轻绳一端系着质量为m、带电荷量为+q的小球（可视为质点）、另一端固定在O点，整个空间存在与竖直方向夹角为的匀强电场。小球绕O点在竖直面ACBD内做圆周运动，其中AB水平，CD竖直，E、F连线与电场平行且经过O点，小球运动到A点时速度最小，为，g为重力加速度，则下列说法正确的是（）A．匀强电场的电场强度大小为 B．小球从A点运动到B点，合力做功为4mgLC．小球在B点时轻绳的拉力大小为6mg D．小球运动到E点时机械能最小考向4带电粒子在交变电场中的偏转一、带电粒子在交变电场中的直线运动1．常见的交变电场常见的产生交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等．2．常见的题目类型(1)粒子做单向直线运动．(2)粒子做往返运动．3．解题技巧(1)按周期性分段研究．(2)将eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(φ－t图像,U－t图像,E－t图像))eq\o(→,\s\up7(转换))a－t图像eq\o(→,\s\up7(转化))v－t图像．二、带电粒子在交变电场中的偏转1．带电粒子在交变电场中的运动，通常只讨论电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)的情形．当粒子垂直于交变电场方向射入时，沿初速度方向的分运动为匀速直线运动，沿电场方向的分运动具有周期性．2．研究带电粒子在交变电场中的运动，关键是根据电场变化的特点，利用牛顿第二定律正确地判断粒子的运动情况．根据电场的变化情况，分段求解带电粒子运动的末速度、位移等．3．注重全面分析(分析受力特点和运动规律)：抓住粒子运动时间上的周期性和空间上的对称性，求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的临界条件．4．对于锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场，若粒子穿过板间的时间极短，带电粒子穿过电场时可认为是在匀强电场中运动．【特别提醒】1.三种常见题型（1）粒子做单向直线运动（一般用牛顿运动定律求解）。（2）粒子做往返运动（一般分段研究）。（3）粒子做偏转运动（一般根据交变电场的特点分段研究）。2.两条分析思路一是力和运动的关系，根据牛顿第二定律及运动学规律分析；二是功能关系（机械能守恒、动能定理、能量守恒）。3.两个运动特征分析受力特点和运动规律，抓住粒子的运动具有周期性和空间上具有对称性的特征，求解粒子运动过程中的速度、位移等，并确定与物理过程相关的边界条件。（2023·广东梅州·统考二模）真空中两块相同的金属板A、B水平正对，O是贴近A板上表面左边缘处的一个点，如图甲所示，A板接地，两板间加上周期性的交变电压后，在两板之间产生了交变的匀强电场。B板的电势随时间t的变化规律如图乙所示。现在O点放一个粒子源，粒子源不断水平向右发射带负电的粒子，粒子一旦碰到金属板，就附着在金属板上不再运动，且电荷量同时消失，不影响A、B板间的电压。已知粒子源发射的粒子初速度大小均为，电荷量均为q，质量均为m，A、B板间交变电压的周期为T，图乙中是已知量，但是可变量，不计粒子的重力和粒子之间的相互作用。若，在时刻被射出的粒子，经过一个周期的时间恰好回到A板。（1）求图乙中的值。（2）求金属板A、B间的最小距离。（3）若，粒子源保持均匀发射粒子，金属板A、B间的距离，，则在时间内，打在B板上的粒子占一个周期内发射的粒子的百分比大约是多少？（已知）（多选）（2023秋·河北沧州·高三统考期末）如图甲所示，两平行板沿水平方向放置，且在两极板间加如图乙所示的电压，时刻由两极板的正中央静止释放一带负电的粒子，结果在时粒子回到出发点，且整个过程中粒子刚好未与极板M发生碰撞，忽略粒子的重力。则下列说法正确的是（）A．粒子在时刻刚好运动到极板MB．在时刻粒子的速率最大C．D．与时刻粒子的动能之比为考向5电场中的力电综合问题1．动力学的观点(1)由于匀强电场中带电粒子所受静电力和重力都是恒力，可用正交分解法．(2)综合运用牛顿运动定律和运动学公式，注意受力分析要全面，特别注意重力是否需要考虑的问题．2．能量的观点(1)运用动能定理，注意过程分析要全面，准确求出过程中的所有力做的功，判断是对分过程还是对全过程使用动能定理．(2)运用能量守恒定律，注意题目中有哪些形式的能量出现．①若带电粒子只在静电力作用下运动，其动能和电势能之和保持不变．②若带电粒子只在重力和静电力作用下运动，其机械能和电势能之和保持不变．3．动量的观点(1)运用动量定理，要注意动量定理的表达式是矢量式，在一维情况下，各个矢量必须选同一个正方向．(2)运用动量守恒定律，除了要注意动量守恒定律的表达式是矢量式，还要注意题目表述是否为某方向上动量守恒．（2023·四川成都·统考三模）如图（a），“L”型绝缘不带电木板静止在水平地面上，电荷量的滑块静止在木板上左端，电荷量的滑块静止在木板上距木板右端处；左侧（含B所在位置）的木板面粗糙，右侧的木板面光滑；和粗糙木板面间的动摩擦因数，木板和地面间的动摩擦因数。时刻，在空间加一水平向右的电场，场强大小随时间变化的图像如图（b），时刻，撤去电场。已知木板、的质量均为可视为质点，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，可能的碰撞均为时间极短的弹性碰撞，不计间的库仑力，重力加速度。（1）试通过计算判断：时刻，滑块和木板是否处于静止状态；（2）求时刻，滑块B的速度大小；（3）求滑块B再次返回木板上初始位置的时刻。（2023·河北·模拟预测）如图所示，水平绝缘长直轨道与光滑圆弧轨道在C处相切且平滑连接，水平轨道处于方向水平向左、场强大小为E的匀强电场中，圆弧轨道的半径为R，O点为轨道圆心，整个装置固定在同一竖直平面内。两个小滑块A、B（都可视为质点）的质量分别为3m和m。已知滑块B不带电，其与水平轨道间的动摩擦因数为，滑块A带电，但与轨道间无摩擦力。开始时滑块A、B都静止于水平轨道上，与C点的距离分别为2R和R。现将滑块A由静止释放，之后A、B之间发生的碰撞皆为完全非弹性碰撞，且碰后两者一起沿水平轨道做匀速直线运动，进入圆弧轨道后仍能从C点返回水平轨道，碰撞后两者之间并不粘连，整个过程中A的电荷量始终保持不变，重力加速度为g，求：（1）滑块A所带电荷量的大小及两滑块进入圆弧轨道运动过程中对圆弧轨道压力的最大值；（2）滑块AB再次返回水平轨道后两者之间的最远距离；（3）整个过程中滑块B在水平轨道上运动的总路程。【基础过关】1．（2023·河北保定·统考二模）一对平行正对的金属板C、D接入如图所示的电路中，电源电动势为E，C板固定，D板可左右平行移动，闭合开关，一段时间后再断开开关，从C板发射一电子，恰能运动到A点后再返回，已知A到D板的距离是板间距离的三分之一，电子质量为m，电荷量为-e，忽略电子的重力，则（）A．设定C板电势为0，电子在A点的电势能为B．若要让电子能够到达D板，可将D板向左平移至A点或A点左侧某位置C．若要让电子能够到达D板，可将D板向右平移至某位置D．若要让电子能够到达D板，可闭合开关，再将D板向右平移至某位置2．（2023·河南开封·统考三模）如图所示，半径为的光滑绝缘圆环固定在竖直面内，圆环上直径之间的夹角为，与之间的夹角也为。在A、C两点分别固定电荷量均为的正点电荷，电荷量为的带正电小环由点静止释放。已知点电荷周围某点的电势，式中为点电荷的电荷量，为该点到点电荷的距离，为静电力常量，不计带电小环的重力，则带电小环运动到点时的动能为（）A． B． C． D．3．（2023秋·黑龙江鸡西·高三校考期末）如图所示，带电粒子A、B所带电荷量、之比为，带电粒子A、B以相等的速度从平行板电容器左侧同一点射入电场，沿着跟电场强度垂直的方向射入平行板电容器中，分别打在C、D两点，O为下极板左侧端点，若，忽略粒子所受重力的影响，则（）A．A、B在电场中运动的时间之比为B．A、B运动的加速度大小之比为C．A、B的质量之比为D．A、B均带负电4．（多选）（2023秋·河北保定·高三保定一中校联考开学考试）如图所示，匀强电场的方向水平向右，一质量为m的带电粒子在匀强电场所在的竖直平面内运动，A、B为其运动轨迹上的两点。已知该带电粒子在A点的速度大小为v0，方向与竖直方向的夹角为30°，它运动到B点时速度方向与竖直方向的夹角变为60°。不计带电粒子受到的重力，若B点电势为零，则下列说法正确的是（）A．带电粒子带正电B．带电粒子在B点的速度大小为2v0C．带电粒子从A点运动到B点的过程中，电势能减少了D．带电粒子在A点的电势能为5．（多选）（2023·天津·模拟预测）如图所示，a、b、c、d为匀强电场中的等势面，一个质量为m，电荷量为q的质子在匀强电场中运动，A、B为其运动轨迹上的两个点。已知该粒子在A点的速度大小为v1，且方向与等势面平行，在B点的速度大小为v2，A、B连线长为L，连线与等势面间的夹角为θ，不计粒子受到的重力，则（）A．粒子的速度v2一定大于v1B．等势面b的电势比等势面c的电势低C．粒子从A点运动到B点所用的时间为D．匀强电场的电场强度大小为6．（多选）（2023·山西·校联考模拟预测）如图所示，原来静止的、电荷量为q、不计重力的带电粒子经左侧加速电场加速后，垂直于电场线方向进入偏转电场。当粒子进入偏转电场时的初速度为时，粒子离开偏转电场时沿电场线方向的速度为，其他条件不变，仅减小加速电压，粒子离开偏转电场时的速度v有可能是（）A． B． C． D．7．（2023·湖北·模拟预测）如图所示，一质量为，电荷量为的小球，以初速度沿两块正对带电平行金属板左侧某位置水平向右射入两极板之间，离开时恰好由A点沿圆弧切线进入竖直光滑固定轨道ABC中。A点为圆弧轨道与极板端点DD'连线的交点，CB为圆弧的竖直直径并与DD'平行，竖直线DD'的右边界空间存在竖直向下，且大小可调节的匀强电场。已知极板长为，极板间距为，圆弧的半径为，∠AOB=53°，重力加速为，sin53°=0.8，cos53°=0.6.不计空气阻力，板间电场为匀强电场，小球可视为质点。（1）求两极板间的电场强调大小；（2）当电场强度时，求小球沿圆弧轨道运动过程中的最大动量；（3）若要使小球始终沿圆弧轨道运动且恰好能够通过最高点C，求电场强度的大小。8．（2023·天津·模拟预测）如图所示，电源电动势为E=100V，内阻不计，R1、R2、R4的阻值均为300Ω，R3为可变电阻。C为一水平放置的平行板电容器，虚线到两极板距离相等且通过竖直放置的荧光屏中心，极板长为L=8cm，板间距离为d=1cm，右端到荧光屏距离为s=20cm，荧光屏直径为D=5cm。有一细电子束沿图中虚线以E0=9.6×102eV的动能连续不断地向右射入平行板电容器。要使电子都能打在荧光屏上，变阻器R3的取值范围多大？（已知电子电量e=1.6×10—19C）【能力提升】9．（2023·四川成都·成都七中校考模拟预测）如图所示，其空中有一足够大的水平向右的匀强电场，质量均为、带电量分别为和的两小球同时从点以速度斜向右上方射入匀强电场中，方向与水平方向成，A、B（图中末画出）两点分别为两小球运动轨迹的最高点，带正电的小球经过A点的速度大小仍然为，不考虑两球间的库仑力。下列说法错误的是（）A．两小球同时到A、B两点B．带负电的小球经过点的速度大小也为C．两小球到达A、B两点过程中电势能变化量之比为D．与水平距离之比为10．（2023·全国·模拟预测）一对正对平行金属板上加有如图所示的电压，在两板的中间位置有一点电荷（不计重力），在下列哪一时刻由静止释放该点电荷，它可能永远撞不上金属板（）A．0 B．末 C．末 D．末11．（多选）（2023·海南·统考模拟预测）如图所示，与一恒定电压连接的平行金属板A、水平放置，两个质量相等的带电粒子、分别从极板A的右侧边缘和两极板的左侧正中间沿水平方向同时进入板间电场。两粒子在板间某点相遇时，运动的水平距离小于运动的水平距离。粒子的重力和它们之间的相互作用及边缘效应忽略不计，下列说法正确的是（）A．所带的电荷量大于所带的电荷量B．进入电场时的速度大小小于的速度大小C．从进入电场到相遇，两粒子的动能增加量相等D．两粒子相遇时，的速度大小大于的速度大小12．（多选）（2023秋·河南·高三校联考开学考试）如图所示，半径为R的绝缘光滑圆环固定在竖直平面内，O是圆心，AB是水平方向的直径，CD是竖直方向的直径，整个圆环处在水平向右的匀强电场中。将质量为m、电荷量为＋q（）的小球套在圆环上，从A点由静止释放，小球运动到P点时的动能最大，。已知重力加速度大小为g，取，。下列说法正确的是（

）A．小球可以沿圆环运动到C点 B．匀强电场的电场强度大小为C．P、B两点间的电势差为 D．小球运动到B点时，向心加速度大小为3g13．（多选）（2023·广东·模拟预测）如图所示，虚线MN左侧有一场强为E1=E的匀强电场，在两条平行的虚线MN和PQ之间存在着宽为L、电场强度为E2=3E的匀强电场，在虚线PQ右侧相距为L处有一与电场E2平行的屏。现将一电子（电荷量为e，质量为m，不计重力）无初速度地放入电场E1中的A点，A点到MN的距离为，最后电子打在右侧的屏上，AO连线与屏垂直，垂足为O，则（

）A．电子从释放到打到屏上所用的时间为B．电子从释放到打到屏上所用的时间为C．电子刚射出电场E2时的速度方向与AO连线夹角的正切值为2D．电子打到屏上的点P'（图中未标出）到点O的距离为14．（2023·江西南昌·统考三模）如图所示，半径为R的光滑绝缘圆形轨道固定在竖直面内，以圆形轨道的圆心O为坐标原点，沿水平方向建立x轴，竖直方向建立y轴．y轴右侧（含y轴）存在竖直向下、范围足够大的匀强电场，电场强度大小为，第二象限存在匀强电场（方向与大小均未知）．不带电的绝缘小球a质量未知，带电量为的小球b质量为m，a球从与圆心等高的轨道A处以初速度（方向竖直向下）开始沿轨道下滑，与静止于轨道最低点的b球发生弹性正碰，碰撞后b球恰好能通过轨道最高点C，并落回轨道A处，小球落回A处时的速度大小与小球离开最高点C时速度大小相等，重力加速度为g，小球b的电荷量始终保持不变。求：（1）小球a的质量；（2）第二象限中电场强度的大小和方向；（3）小球b从B点运动到A点的过程中电势能的变化量。15．（2023秋·河北保定·高三统考期末）半径为R的半圆形光滑绝缘轨道固定在水平面上，直径AC以下存在匀强电场，以圆心为坐标原点建立xOy坐标系。质量为m、电荷量为+q的小球（可视为点电荷）从点（R，-R）由静止释放，从A点进入半圆形轨道，沿轨道运动到最低点B时速度恰好为零。求：（1）电场强度的大小E；（2）刚进入半圆形轨道时小球对A点的压力；（3）小球速度最大时的位置坐标。16．（2023·山西阳泉·统考三模）如图所示，一质量为，带电量的小滑块静止在倾角为的绝缘光滑斜面底端，现在加一个沿斜面向上的匀强电场，小滑块开始沿斜面向上运动，运动一段时间（未知）后，小滑块的电势能减少了，此时撤去电场，又经过时间，小滑块又回到了斜面的底端．选斜面底端所在的平面势能为零，重力加速度用表示。求：（1）小滑块返回到斜面底端时的动能；（2）所加的匀强电场的电场强度大小；（3）小滑块的动能为时的重力势能。17．（2023秋·河南驻马店·高三统考期末）示波管的结构示意图如图甲所示，电子枪中的金属丝加热后可以逸出电子（逸出时的速度较小可以忽略），电子经加速电压加速后进入平行正对的偏转电极，电极都是边长为的正方形金属板，极板间距都为边长的。如图乙所示，当极板间的电压及极板间的电压均为0时，即，电子恰好打在荧光屏的正中央（直角坐标系的原点）；当时，电子打在荧光屏上的点；当时，电子打在荧光屏上的点；当时，电子打在荧光屏上的点。已知电子的质量为，所带的电荷量为极板右端到荧光屏的距离为极板右端到荧光屏的距离为，不计电子受到的重力及电