2021届高考物理一轮复习第九章磁场专题突破带电粒子在组合场叠加场交变场中的运动课件沪科版

1、专题突破带电粒子在组合场、叠加场、交变场中的运动专题突破带电粒子在组合场、叠加场、交变场中的运动带电粒子在组合场中的运动带电粒子在组合场中的运动1.组合场中的两种典型偏转组合场中的两种典型偏转2.质谱仪质谱仪 (1)构造：如图构造：如图1所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。图图13.回旋加速器回旋加速器(1)构造：如图构造：如图2所示，所示，d1、d2是半圆形金属盒，是半圆形金属盒，d形盒的缝隙处接交流电源，形盒的缝隙处接交流电源，d形盒处于匀强磁场中。形盒处于匀强磁场中。图图2考向考向1组合场规律在现代科技中的应用组合场规律

2、在现代科技中的应用教材引领教材引领1.人教版选修人教版选修31p100例题例题一个质量为一个质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子，的粒子，从容器从容器a下方的小孔下方的小孔s1飘入电势差为飘入电势差为u的加速电场，其初速的加速电场，其初速度几乎为度几乎为0，然后经过，然后经过s3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为强度为b的匀强磁场中，最后打到照相底片的匀强磁场中，最后打到照相底片d上上(图图3)。图图3(1)求粒子进入磁场时的速率；求粒子进入磁场时的速率；(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。求粒子在磁场中运动的轨道半径。如果容器如果容器 a a 中粒子的电荷量相

3、同而质量不同，它们进入匀强磁场后将沿着不同的半中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。2.(2016全国卷全国卷，15)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图离子，其示意图如图4所示，其中加速电压恒定。质子在入口所示，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磁场。若某种一

4、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倍。此离子和质子的质量比约为()真题闯关真题闯关图图4a.11 b.12 c.121 d.144答案答案d3.(2018全国卷全国卷，24)如图如图5，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压u加速后在纸面内水平向右运动，自加速后在纸面内水平向右运动，自m点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂点垂直于磁场边界射入匀强磁

5、场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁，并在磁场边界的场边界的n点射出；乙种离子在点射出；乙种离子在mn的中点射出；的中点射出；mn长为长为l。不计重力影响和离子间。不计重力影响和离子间的相互作用。求的相互作用。求图图5(1)磁场的磁感应强度大小；磁场的磁感应强度大小；(2)甲、乙两种离子的比荷之比。甲、乙两种离子的比荷之比。(2)设乙种离子所带电荷量为设乙种离子所带电荷量为q2、质量为、质量为m2，射入磁场的速度为，射入磁场的速度为v2，在磁场中做匀速圆，在磁场中做匀速圆周运动的半

6、径为周运动的半径为r2。同理有。同理有考向考向2带电粒子在组合场中运动的综合带电粒子在组合场中运动的综合图图6图图7答案答案d2.(2017江苏单科，江苏单科，15)一台质谱仪的工作原理如图一台质谱仪的工作原理如图8所示。大量的甲、乙两种离子飘入所示。大量的甲、乙两种离子飘入电压为电压为u0的加速电场，其初速度几乎为的加速电场，其初速度几乎为0，经加速后，通过宽为，经加速后，通过宽为l的狭缝的狭缝mn沿着与沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为磁场垂直的方向进入磁感应强度为b的匀强磁场中，最后打到照相底片上。已知甲、的匀强磁场中，最后打到照相底片上。已知甲、乙两种离子的电荷量均为乙两种离子的电荷

7、量均为q，质量分别为，质量分别为2m和和m，图中虚线为经过狭缝左、右边，图中虚线为经过狭缝左、右边界界m、n的甲种离子的运动轨迹。不考虑离子间的相互作用。的甲种离子的运动轨迹。不考虑离子间的相互作用。图图8(1)求甲种离子打在底片上的位置到求甲种离子打在底片上的位置到n点的最小距离点的最小距离x；(2)在图中用斜线标出磁场中甲种离子经过的区域，并求该区域最窄处的宽度在图中用斜线标出磁场中甲种离子经过的区域，并求该区域最窄处的宽度d；(3)若考虑加速电压有波动，在若考虑加速电压有波动，在(u0u)到到(u0u)之间变化，要使甲、乙两种离子在之间变化，要使甲、乙两种离子在底片上没有重叠，求狭缝宽度

8、底片上没有重叠，求狭缝宽度l满足的条件。满足的条件。带电粒子在叠加场中的运动带电粒子在叠加场中的运动1.三类叠加场中的规律三类叠加场中的规律磁场力、磁场力、重力并存重力并存(1)若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动。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。械能守恒。电场力电场力、磁场力磁场力并存并存(1)若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动。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

9、兹力不平衡，则带电体做复杂的曲线运动，可用动能定理求解。若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电体做复杂的曲线运动，可用动能定理求解。电场力、电场力、磁场力、磁场力、重力并存重力并存(1)若三力平衡，带电体做匀速直线运动。若三力平衡，带电体做匀速直线运动。(2)若重力与电场力平衡，带电体可能做匀速圆周运动。若重力与电场力平衡，带电体可能做匀速圆周运动。(3)若合力不为零，带电体可能做复杂的曲线运动，可用能量守恒定律或动能定理求解。若合力不为零，带电体可能做复杂的曲线运动，可用能量守恒定律或动能定理求解。2.电场力、磁场力并存的几种科技应用电场力、磁场力并存的几种科技应用考向考向1叠加场规律在现代科技中

10、的应用叠加场规律在现代科技中的应用教材引领教材引领人教版选修人教版选修31p103课题研究课题研究1879 年，美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场年，美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与电流、中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与电流、磁场都垂直的方向都出现了电势差。后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生磁场都垂直的方向都出现了电势差。后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。课图的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。课图1表示的是正电荷导电的情况，如表示的是正电荷导电的情况，

11、如果是电子导电，则霍尔电压方向相反。果是电子导电，则霍尔电压方向相反。课图课图1霍尔效应的原理霍尔效应的原理拓展提升拓展提升1.(多选多选)(2019无锡调研无锡调研)自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图如图9甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下

12、偏转，最终磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是列说法正确的是()图图9a.根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小b.自行车的车速越大，霍尔电势差越高自行车的车速越大，霍尔电势差越高c.图乙中霍尔元件的电流图乙中霍尔元件的电流i是由正电荷定向运动形成的是由正电荷定向运动形成的d.如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小如果长时间不更换传感

13、器的电源，霍尔电势差将减小答案答案ad真题闯关真题闯关2.(2019天津卷，天津卷，4)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图10所示，一块宽为所示，一块宽为a、长为、长为c的矩形半导的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流的自由电子，

14、通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压u，以此控制屏幕的熄灭。，以此控制屏幕的熄灭。则元件的则元件的()答案答案d考向考向2带电粒子在叠加场中运动的综合带电粒子在叠加场中运动的综合【典例】【典例】 (2017全国卷全国卷，16)如图如图11，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上电场方向竖直向上(与纸面平行与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里

15、，三个带正电的微，磁场方向垂直于纸面向里，三个带正电的微粒粒a、b、c电荷量相等，质量分别为电荷量相等，质量分别为ma、mb、mc，已知在该区域内，已知在该区域内，a在纸面内在纸面内做匀速圆周运动，做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，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在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是运动。下列选项正确的是()a.mambmc b.mbmamcc.mcmamb d.mcmbma图图11解析解析由题意知，三个带电微粒受力情况：由题意知，三个带电微粒受力情况：magqe，mbgqeqvb，mcgqvbqe，所以，所以mbmamc，故选项，故选项

16、b正确，正确，a、c、d错误。错误。答案答案b1.(2020北京海淀区模拟北京海淀区模拟)如图如图12所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为裂为a、b两束，下列说法中正确的是两束，下列说法中正确的是()图图12答案答案c2.(2019湖北武汉模拟考试湖北武汉模拟考试)目前，世界上正在研究一种新型发电机目前，世界上正在研究一种新型发电机磁流体发电机。磁流体发电机。如图如图13所示，将一束等离子体喷

17、射入磁场，磁场中有两块平行金属板所示，将一束等离子体喷射入磁场，磁场中有两块平行金属板a、b，这时，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压。如果射入的等离子体的初速度为金属板上就会聚集电荷，产生电压。如果射入的等离子体的初速度为v，两金属板，两金属板的板长的板长(沿初速度方向沿初速度方向)为为l，板间距离为，板间距离为d，金属板的正对面积为，金属板的正对面积为s，匀强磁场的磁，匀强磁场的磁感应强度为感应强度为b，方向垂直于离子初速度方向，方向垂直于离子初速度方向(如图所示如图所示)，负载电阻为，负载电阻为r，电离气体充，电离气体充满两板间的空间。当发电机稳定发电时，电流表的示数为满两板间的空间。当

18、发电机稳定发电时，电流表的示数为i，那么板间电离气体的，那么板间电离气体的电阻率为电阻率为()图图13答案答案b3.(2016北京卷北京卷)如图如图14所示，质量为所示，质量为m，电荷量为，电荷量为q的带电粒子，以初速度的带电粒子，以初速度v沿垂直磁沿垂直磁场方向射入磁感应强度为场方向射入磁感应强度为b的匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动。不计带电粒子的匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动。不计带电粒子所受重力。所受重力。图图14(1)求粒子做匀速圆周运动的半径求粒子做匀速圆周运动的半径r和周期和周期t；(2)为使该粒子做匀速直线运动，还需要同时存在一个与磁为使该粒子做匀速直线运动，还需要同时存在一

19、个与磁场方向垂直的匀强电场，求电场强度场方向垂直的匀强电场，求电场强度e的大小。的大小。(2)粒子受电场力粒子受电场力f电电qe，洛伦兹力，洛伦兹力f洛洛qvb，粒子做匀速直线运动，则，粒子做匀速直线运动，则qeqvb，电场强度电场强度e的大小的大小evb。带电粒子在交变电、磁场中的运动带电粒子在交变电、磁场中的运动解决带电粒子在交变电、磁场中的运动问题的基本思路解决带电粒子在交变电、磁场中的运动问题的基本思路先读图先读图看清、并明白场的变化情况看清、并明白场的变化情况受力分析受力分析分析粒子在不同的变化场区的受力情况分析粒子在不同的变化场区的受力情况过程分析过程分析分析粒子在不同时间内的运动情况分析粒子在不同时间内的运动情况找衔接点找衔接点找出衔接相邻两过程的物理量找出衔接相邻两过程的物理量选规律选规律联立不同阶段的方程求解联立不同阶段的方程求解图图15(1)粒子在粒子在区域运动的轨道半径为多少？区域运动的轨道半径为多少？(2)若初始位置与第四次经过若初始位置与第四次经过mn时的位置距离为时的位置距离为x，求粒子进入，求粒子进入区域时速度的可能值区域时速度的可能值(初始位置记为第一次经