选修3-1第8章第3节.ppt

1、第3节带电粒子在复合场中的运动,一、复合场 复合场是指电场、_和重力场并存, 或其中某两场并存, 或分区域存在. 从场的复合形式上一般可分为如下四种情况:,磁场,相邻场; 重叠场; 交替场; 交变场. 二、带电粒子在复合场中的运动分类 1. 静止或匀速直线运动,当带电粒子在复合场中所受合外力为零时, 将处于_状态或做_.,静止,匀速直线运动,2. 匀速圆周运动 当带电粒子所受的重力与电场力大小_, 方向_时, 带电粒子在洛伦兹力的作用下, 在垂直于匀强磁场的平面内做_运动.,相等,相反,匀速圆周,3. 较复杂的曲线运动 当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化, 且与初速度方向不在同一条直线上,

2、 粒子做_变速曲线运动, 这时粒子运动轨迹既不是圆弧, 也不是抛物线.,非匀,4. 分阶段运动 带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域, 其运动情况随区域发生变化, 其运动过程由几种不同的运动阶段组成.,三、电场磁场分区域应用实例 1. 电视显像管 电视显像管是应用电子束_ (填“电偏转”或“磁 偏转”)的原理来工作的, 使电子束偏转的_ (填“电场”或“磁 场”)是由两对偏转线圈产生的.,磁偏转,磁场,显像管工作时, 由_发射电子束, 利用磁场来使电子束偏转, 实现电视技术中的_, 使整个荧光屏都在发光.,阴极,扫描,2. 质谱仪 (1)构造: 如图831所示, 由粒子 源、_、_和照

3、相底片构成.,图831,加速电场,偏转磁场,(2)原理: 粒子由静止被加速电场加 速, 根据动能定理可得关系式 _,由以上两式可得出需要研究的物理量, 如粒子轨道半径、粒子质量、比荷. r_ , m_, _.,3. 回旋加速器 (1)构造: 如图832所示, D1、D2是半圆金属盒, D形盒的缝隙处接_电源. D形盒处于匀强磁场中.,图832,交流,(2)原理: 交流电的周期和粒子做圆周运动的周期_, 粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙, 两盒间的电势差一次一次地反向, 粒子就会被一次一次地加速.,相等,可见粒子获得的最大动能由_和D形盒_决定, 与加速电压无关. 四、电场磁场同区

4、域并存应用实例 1. 速度选择器,磁感应强度B,半径R,如图833所示, 平行板中电场强度E的方向和磁感应强度B的方向互相_. 这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来, 所以叫做速度选择器. 带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器的条件是:_,垂直,qEqvB,图833,2. 磁流体发电机 根据左手定则, 如图834中的B板是发电机的正极. 磁流体发电机两极板间的距离为d, 等离子体速度为v, 磁场磁感应强度为B, 则两极板间能达到的最大电势差U_.,dvB,图834,3. 电磁流量计 如图835所示, 圆形导管直径为d, 用_制成, 导电液体在管中向左流动, 导电液体中的自由电荷(正、负离子)

5、在洛伦兹力的作用下横向偏转, a、b间出现电势差, 形成电场.,非磁性材料,当自由电荷所受的_和_平衡时, a、b间的电势差就保持稳定.,图835,电场力,洛伦兹力,4. 霍尔效应: 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体, 当_与电流方向垂直时,磁场方向,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了_, 这个现象称为霍尔效应. 所产生的电势差称为霍尔电势差, 其原理如图836所示.,图836,电势差,一、带电粒子在不同复合场中的运动 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F洛不做功, 故机

6、械能守恒, 由此可求解问题. 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, 则带电体做复杂的曲线运动, 因F洛不做功, 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, 做复杂的曲线运动, 因F洛不做功, 可用能量守恒或动能定理求解问题. 4. 复合场中粒子重力是否考虑的三种情况 (1)对于微观粒子, 如电子、质子、离子等,因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小

7、, 可以忽略; 而对于一些实际物体, 如带电小球、液滴、金属块等一般应当考虑其重力. (2)在题目中有明确说明是否要考虑重力的, 这种情况比较正规, 也比较简单.,(3)不能直接判断是否要考虑重力的, 在进行受力分析与运动分析时, 要由分析结果确定是否要考虑重力.,即时应用 1. 一个带电粒子穿过某一空间而未发生偏转, 则下列说法中正确的是() A. 此空间一定不存在磁场 B. 此空间可能有磁场, 方向与电子的速度方向平行 C. 此空间可能有磁场, 方向与电子的速度方向垂直,D. 此空间可能有正交的匀强电场和匀强磁场, 它们的方向均与电子的速度方向垂直 解析: 选B D.带电粒子没有受到磁场力

8、的原因有两种情况: 一是没有磁 场, 一是磁场的方向与运动方向平行. 如果既有电场又有磁场, 当这两个力的合力为零时带电粒子也不会偏转.,二、“磁偏转”和“电偏转”的比较,即时应用 2. (2012北京海淀一模)如图837所示, a、b是一对水平放置的平行金属板, 板间存在着竖直向下的匀强电场. 一个不计重力的带电粒子从两板左侧正中位置以初速度v0沿平行于金属板的方向进入场区,带电粒子进入场区后将向上偏转, 并恰好从a板的右边缘处飞出;,图837,若撤去电场, 在两金属板间加垂直纸面向里的匀强磁场, 则相同的带电粒子从同一位置以相同的速度进入场区后将向下偏转, 并恰好从b板的右边缘处飞出. 现

9、上述的电场和磁场同时存在于两金属板之间, 仍让相同的带电粒子,从同一位置以相同的速度进入场区, 则下面的判断中正确的是() A. 带电粒子将做匀速直线运动 B. 带电粒子将偏向a板一方做曲线运动 C. 带电粒子将偏向b板一方做曲线运动,D. 无法确定带电粒子做哪种运动,三、解决带电粒子在复合场中运动问题的基本思路 1. 弄清复合场的组成. 一般有磁场、电场的复合; 磁场、重力场的复合; 磁场、电场、重力场三者的复合. 2. 正确受力分析, 除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析.,3. 确定带电粒子的运动状态, 注意运动情况和受力情况的结合. 4. 对于粒子连续通过几个不同情况的

10、场的问题, 要分阶段进行处理. 5. 画出粒子运动轨迹, 灵活选择不同的运动规律.,(1)当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时, 根据受力平衡列方程求解. (2)当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时, 应用牛顿定律结合圆周运动规律求解. (3)当带电粒子做复杂曲线运动时, 一般用动能定理或能量守恒定律求解. (4)对于临界问题, 注意挖掘隐含条件,特别提醒 由于带电粒子在复合场中受力情况复杂, 运动情况多变, 往往出现临界问题, 这时应以题目中的“恰好”“最大”“最高”“至少”等词语为突破口, 挖掘隐含条件, 根据临界条件列出辅助方程, 再与其他方程联立求解.,即时应用 3. (2012陕西西

11、工大附中高三检测)狄拉克曾经预言, 自然界应该存在只有一个磁极的磁单极子, 假设地面附近空中有一S极磁单极子, 在竖直平面内的磁感线如图838所示, 一带电微粒正在该磁单极子附近的水平面上做匀速圆周运动,图中表示三个不同的水平面, 则该微粒所在平面可能是图中的(),图838,A. 平面B. 平面 C. 平面 D. 平面都可能 解析: 选C.由于粒子受到重力作用, 故可知洛伦兹力既要提供做圆周运动的向心力, 同时还要平衡重力作用, 结合图中可知只有C选项中的平面才能同时满足以上两个要求, 故C正确.,(2011高考大纲全国卷)如图839所示, 与水平面成45的平面MN将空间分成和两个区域.,一质

12、量为m、电荷量为q(q0)的粒子以速度v0从平面MN上的P0点水平向右射入区.,图839,粒子在区运动时, 只受到大小不 变、方向竖直向下的电场力作用, 电场强度大小为E; 在区运动时, 只受到匀强磁场的作用, 磁感应强度大小为B, 方向垂直于纸面向里. 求粒子首次从区离开时到出发点P0的距离. 粒子的重力可以忽略.,【思路点拨】 根据带电粒子在不同区域的运动规律, 画出运动轨迹, 同时把握住带电粒子在两区域过渡点的速度大小、方向是解题的关键.,【解析】带电粒子进入电场后, 在电场力的作用下沿抛物线运动, 其加速度方向竖直向下, 设其大小为a, 由牛顿定律得 qEma,图8310,弧 所对的圆

13、心角为2, 则点P1到点P2的距离为 s12r1sin,【方法指引】解决带电粒子在组合场运动问题的思路方法:,变式训练 如图8311所示, 在矩形ABCD内对角线BD以上的区域存在有平行于AD向下的匀强电场, 对角线BD以下的区域存在有垂直于纸面的匀强磁场(图中未标出), 矩形AD边长为L, AB边长为 L.,一个质量为m、电荷量q的带电粒子(不计重力)以初速度v0从A点沿AB方向进入电场,图8311,在对角线BD的中点P处进入磁场, 并从DC边上的Q点垂直于DC离开磁场, 试求: (1)电场强度的大小; (2)带电粒子经过P点时速度的大小和方向; (3)磁场的磁感应强度的大小和方向.,如图8

14、312所示, 足够长的光滑绝缘斜面与水平面的夹角为(sin0.6), 放在匀强电场和匀强磁场中, 电场强度E50 V/m, 方向水平向左, 磁场方向垂直纸面向外.,一个电荷量为q4102 C, 质量m0.40 kg的光滑小球, 以初速度v020 m/s从斜面底端向上滑,图8312,然后又下滑, 共经过3 s脱离斜面, 求磁场的磁感应强度. (g取10 m/s2) 【思路点拨】解此题的关键有两点: (1)带电小球在上滑和下滑两个过程的受力特点. (2)带电小球脱离斜面的原因及条件.,【解析】小球沿斜面向上运动过程中受力分析如图8313所示, 由牛顿第二定律, 得 qEcosmgsinma1,图8

15、313,小球在离开斜面前做匀加速直线运动, a210 m/s2 运动时间t21 s 脱离斜面时的速度va2t210 m/s,图8314,【答案】5 T,【方法引导】 带电粒子(体)在叠加场中的运动问题求解要点: (1)受力分析是基础. 在受力分析时是否考虑重力必须注意题目条件.,(2)运动过程分析是关键. 在运动过程分析中应注意物体做直线运动, 曲线运动及圆周运动、类平抛运动的条件. (3)根据不同的运动过程及物理模型选择合适的物理规律列方程求解.,互动探究 (1)该题中小球沿斜面上滑的最大距离是多少？(2)若小球带负电, 小球沿斜面上滑的时间是多少？,答案: (1)20 m(2)10 s,(

16、满分样板18分)(2011高考北京理综卷)利用电场和磁场, 可以将比荷不同的离子分开, 这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用.,如图8315所示的矩形区域ACDG(AC边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场, A处有一狭缝.,图8315,离子源产生的离子, 经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA边且垂直于磁场的方向射入磁场, 运动到GA边, 被相应的收集器收集. 整个装置内部为真空.,已知被加速的两种正离子的质量分别是m1和m2(m1m2), 电荷量均为q.加速电场的电势差为U, 离子进入电场时的初速度可以忽略. 不计重力, 也不考虑离子间的相互作用. (1)求质量为m1的离子进入磁场时的速率v1;,(2)当磁感应强度的大小为B时, 求两种离子在GA边落点的间距s; (3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响, 实际装置中狭缝具有一定宽度. 若狭缝过宽, 可能使两束离子在GA边上的落点区域交叠, 导致两种离子无法完全分离.,设磁感应强度大小可调, GA边长为定值L, 狭缝宽度为d, 狭缝右边缘在A处. 离子可以从狭缝各处射入磁场, 入射方向