高考物理大一轮复习 第八章 磁场 第3课时 带电粒子在复合场中的运动课件.ppt

第3课时带电粒子在复合场中的运动 一 带电粒子在复合场中的运动1 复合场 电场 重力场共存 或其中某两场共存 2 带电粒子在复合场中运动的几种情况 1 当带电粒子在复合场中所受的合外力为零时 粒子将 或做 运动 2 当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时 粒子将做 运动 3 当带电粒子所受的合外力充当向心力且大小不变时 粒子将做 4 当带电粒子所受合外力大小与方向均变化时 粒子将做 曲线运动 这类问题一般用能量关系来处理 磁场 静止 匀速直线 直线 匀速圆周运动 非匀变速 二 带电粒子在组合场中的运动 1 组合场 是指电场 磁场 重力场有两种场同时存在 但各位于一定的区域内且不重叠 2 对 组合场 问题的处理方法 进行分段处理 注意在两种区域交界处的边界问题与运动的连接条件 三 带电粒子在复合场中运动实例1 速度选择器 如图所示 垂直 电场力等于洛伦兹力 2 回旋加速器 电场 磁场 粒子做圆周运动的周期 3 质谱仪 比荷的平方根 思考判断 1 在粒子速度选择器中 只要电场和磁场相互垂直就可以 2 利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷 3 经过回旋加速器加速的带电粒子的最大动能是由d形盒的最大半径 磁感应强度b 加速电压的大小共同决定的 考点一带电粒子在组合场的运动 d 要点突破 1 解决带电粒子在组合场中运动的一般思路 1 明确组合场是由哪些场组合成的 2 判断粒子经过组合场时的受力和运动情况 并画出相应的运动轨迹简图 3 具体运动问题的思路方法如图 2 区别 电偏转 和 磁偏转 典例剖析 例1 2015 10月浙江选考 如图所示为水平放置的小型粒子加速器的原理示意图 区域 和 存在方向垂直纸面向里的匀强磁场b1和b2 长l 1 0m的区域 存在场强大小e 5 0 104v m 方向水平向右的匀强电场 区域 中间上方有一离子源s 水平向左发射动能ek0 4 0 104ev的氘核 氘核最终从区域 下方的p点水平射出 s p两点间的高度差h 0 10m 答案 1 2 24 10 14j 2 0 06m 3 1 2t 例2 如图所示 平行板电容器两金属板a b板长l 32cm 两板间距离d 32cm a板的电势比b板高 电荷量q 10 10c 质量m 10 20kg的带正电的粒子 以初速度v0 2 106m s沿电场中心线垂直电场线飞入电场 随后 粒子在o点飞出平行板电容器 速度偏转角为37 并进入磁场方向垂直纸面向里 且边长为cd 24cm的正方形匀强磁场区域 sin37 0 6 cos37 0 8 粒子的重力不计 1 求a b两板的电势差 2 粒子穿过磁场区域后打在放置于中心线上的荧光屏cd上 求磁感应强度的范围 答案 1 300v 2 1 7 10 3t b 3 75 10 3t 1 粒子初速度v0 2 第四象限内匀强磁场的磁感应强度b1的大小 3 粒子在第一 三象限内运行时间的比值t1 t3 2 2017 金华模拟 如图所示 半径为r的半圆形区域内分布着垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度为b 半圆的左边垂直x轴放置一粒子发射装置 在 r y r的区间内各处均沿x轴正方向同时发射出一个带正电粒子 粒子质量均为m 电荷量均为q 粒子在发射装置内从静止被电场加速至某速度 不计粒子间的相互作用 且粒子重力忽略不计 所有粒子均能穿过磁场到达y轴 且沿x轴射入的粒子刚好经过y轴上y r位置 求 考点二带电粒子在复合场中的运动 d 要点突破 1 弄清复合场的组成 如磁场 电场的复合 磁场 重力场的复合 磁场 电场 重力场三者的复合等 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区域 不同种类的场时 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 6 对于临界问题 注意挖掘隐含条件 典例剖析 例1 如图所示 已知一带电小球在光滑绝缘的水平面上从静止开始经电压u加速后 水平进入互相垂直的匀强电场 场强为e 和匀强磁场 磁感应强度为b 的复合场中 小球在此空间的竖直面内做匀速圆周运动 则 答案b 1 判断上极板所带电荷的种类 并求两极板间的电势差 2 求匀强磁场的磁感应强度大小 针对训练 1 2017 全国 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 mcb mb ma mcc mc ma mbd mc mb ma 解析由题意知 三个带电微粒受力情况 mag qe mbg qe bqv mcg bqv qe 所以mb ma mc 故b正确 a c d错误 答案b 2 如图所示 在互相垂直的匀强电场和匀强磁场中 电荷量为q的液滴在竖直面内做半径为r的匀速圆周运动 已知电场强度为e 磁感应强度为b 则液滴的质量和环绕速度分别为 答案d 考点三带电粒子在复合场中运动的实际应用 d 要点突破 粒子速度选择器 质谱仪 回旋加速器等实际应用问题要重视物理模型意识的培养 善于把握模型的本质 理解原理 学会变通 典例剖析 例1 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器 其原理如图所示 这台加速器由两个铜质d形盒d1 d2构成 半径均为r 其间留有空隙 磁感应强度为b的匀强磁场与盒面垂直 高频交流电的电压为u 下列说法正确的是 a 粒子由加速器的中心附近进入加速器b 粒子由加速器的边缘进入加速器c 粒子从磁场中获得能量d 粒子获得的最大动能由电压u决定 答案a 例2 如图所示 一块长度为a 宽度为b 厚度为d的金属导体 当加有与侧面垂直的匀强磁场b 且通以图示方向的电流i时 用电压表测得导体上 下表面m n间电压为u 已知自由电子的电荷量为e 下列说法中正确的是 答案d 针对训练 1 2017 舟山模拟 一质子以速度v穿过互相垂直的电场和磁场区域 如图所示 而没有发生偏转 则 a 若电子以相同速度v射入该区域 将会发生偏转b 无论何种带电粒子 不计重力 只要以相同速度v射入都不会发生偏转c 若质子的速度v v 它将向上偏转而做类平抛运动 答案b 2 2017 湖州模拟 质谱仪是一种研究带电粒子的重要工具 它的构造原理如图所示 粒子源s产生的带正电的粒子首先经m n两带电金属板间的匀强电场加速 然后沿直线从缝隙o垂直于磁场方向进入磁感应强度为b的匀强磁场 在磁场中经过半个圆周打在照相底片上的p点 已知m n两板间的距离为d 电场强度为e 设带正电的粒子进入电场时的速度 所受重力及粒子间的相互作用均可忽略 1 若粒子源产生的带正电的粒子质量为m 电荷量为q 求这些带电粒子离开电场时的速度大小 2 若粒子源产生的带正电的粒子质量为m 电荷量为q 其打在照相底片上的p点与缝隙o的距离为y 请推导y与m的关系式 3 若粒子源s产生的带正电的粒子电荷量相同而质量不同 这些带电粒子经过电场加速和磁场偏转后 将打在照相底片上的不同点 现要使这些点的间距尽量大一些 请写出至少两项可行的措施 1 在如图所示的匀强电场和匀强磁场共存的区域内 不计重力 电子可能沿水平方向向右做直线运动的是 解析若电子水平向右运动 在a图中电场力水平向左 洛伦兹力竖直向下 故不可能 在b图中 电场力水平向左 洛伦兹力为零 故电子可能水平向右做匀减速直线运动 在c图中电场力竖直向下 洛伦兹力竖直向下 电子不可能向右做直线运动 在d图中电场力竖直向上 洛伦兹力竖直向上 故电子不可能做水平向右的直线运动 因此只有选项b正确 答案b 2 设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场 如图所示 已知一离子在电场力和洛伦兹力的作用下 从静止开始自a点沿曲线acb运动 到达b点时速度为零 c点是运动的最低点 忽略重力 以下说法正确的是 a 该离子带负电荷b a点和b点位于不同高度c 离子在c点时速度最大d 离子到达b点时 将沿原曲线返回a点 解析因为离子由a运动到了b 由运动轨迹可判断离子带正电 选项a错误 到达b点时速度为零 说明电场力做功为零 所以a点和b点位于同一等势面上 即同一高度 选项b错误 由于洛伦兹力不做功 在运动过程中 到c点时电场力做功最多 因此离子在c点时速度最大 选项c正确 在b点对离子受力分析可知 离子将向右重复曲线运动 选项d错误 答案c 3 2016 全国 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子 其示意图如图所示 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 11b 12c 121d 144 答案d 4 如图 在竖直平面内建立直角坐标系xoy 其第一象限存在着正交的匀强电场和匀强磁场 电场强度的方向水平向右 磁感应强度的方向垂直纸面向里 一带电荷量为 q 质量为m的微粒从原点出发沿与x轴正方向的夹角为45 的初速度进入复合场中 正好做直线运动 当微粒运动到a l l 时 电场方向突然变为竖直向上 不计电场变化的时间 粒子继续运动一段时间后 正好垂直于y轴穿出复合场 不计一切阻力 求 1 电场强度e的大小 2 磁感应强度b的大小 3 粒子在复合场中的运动时间 解析 1 微粒到达a l l 之前做匀速直线运动 对微粒受力分析如图甲 5 如图所示 静止于a处的离子 经电压为u的加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析