时带电粒子在复合场中的运动(1)ppt课件

1、第1页 第1页 第三课时第三课时 带电粒子在复合场中的运动带电粒子在复合场中的运动第2页 第2页 第一关第一关:根底关根底关 展望高考展望高考第3页 第3页 根底知识根底知识一一 速度选择器速度选择器知识讲解知识讲解速度选择器速度选择器(如以下图所示如以下图所示)第4页 第4页 平行板中电场强度平行板中电场强度E和磁感应强度和磁感应强度B相互垂直相互垂直.这种安装能这种安装能把具有一定速度的粒子选择出来把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器所以叫做速度选择器.带电粒子可以匀速沿直线经过速度选择器的条件是带电粒子可以匀速沿直线经过速度选择器的条件是Bqv=Eq,即即.EvB第5页 第5

2、页 活学活用活学活用1.如图是丈量带电粒子质量仪器的任务原理表示图如图是丈量带电粒子质量仪器的任务原理表示图.设法使某设法使某有机化合物的气态分子导入图示的容器有机化合物的气态分子导入图示的容器A中中,使它遭到电子使它遭到电子束轰击束轰击,失去一个电子成为正一价的分子离子失去一个电子成为正一价的分子离子.分子离子从分子离子从狭缝狭缝S1以很小的速度进入电压为以很小的速度进入电压为U的加速电场区的加速电场区(初速度不初速度不计计),加速后加速后,再经过狭缝再经过狭缝S2 S3射入射入 磁感应强度为磁感应强度为B的匀强磁场的匀强磁场,方向垂方向垂 直于磁场区的界面直于磁场区的界面PQ,最后最后,分

3、子离分子离 子打到感光片上子打到感光片上,构成垂直于纸面且构成垂直于纸面且 平行于狭缝平行于狭缝S3的细线的细线.假设测得细线到假设测得细线到 狭缝狭缝S3的间隔为的间隔为d,导出分子离子质量导出分子离子质量m的表达式的表达式.第6页 第6页 23:mq,S,1,22qUmvqUvm解析 设离子的质量为 带电荷量为经过加速电场时有则从狭缝射入磁场区域的速度射入磁场后 受洛伦兹力作用做匀速圆周运动由于垂直于边界射入 离子恰经过半个圆第7页 第7页 22222,22,/ 2.8,:,dRmvmvmvqvBRddqd BmU如图所示 其圆半径由离子做匀速圆周运动的条件代入式的结果后 即得离子的质量2

4、28:qd BmU答案第8页 第8页 二二 磁流体发电机磁流体发电机知识讲解知识讲解如下图如下图,由熄灭室由熄灭室O熄灭电离成的正熄灭电离成的正 负离子负离子(等离子体等离子体)以高以高速速v喷入偏转磁场喷入偏转磁场B中中.在洛伦兹力作用下在洛伦兹力作用下,正正 负离子分别负离子分别向上向上 下极板偏转下极板偏转 积累积累,从而在板间构成一个向下的电从而在板间构成一个向下的电场场,两板间构成一定的电势差两板间构成一定的电势差:当当 时时,电势差稳电势差稳定为定为U=dvB,这就相当于一个可以对外供电的电源这就相当于一个可以对外供电的电源.UqvBqd第9页 第9页 活学活用活学活用2.目前世界

5、上正在研讨新型发电机目前世界上正在研讨新型发电机磁流体发电机磁流体发电机,它的原它的原理图如下图理图如下图,想象在相距为想象在相距为d的两平行金属板间加一磁感应的两平行金属板间加一磁感应强度为强度为B的匀强磁场的匀强磁场,两板通两板通 过开关和灯泡相连过开关和灯泡相连.将气体加热到将气体加热到 使之高度电离后使之高度电离后,由于正由于正 负离子负离子 一样多一样多,且带电荷量均为且带电荷量均为q,因此称因此称 为等离子体为等离子体,将其以速度将其以速度v喷入甲喷入甲 乙两板之间乙两板之间,这时甲这时甲 乙两板就会乙两板就会 聚集电荷聚集电荷,产生电压产生电压,这就是磁流体发电机的原理这就是磁流

6、体发电机的原理,它可以直它可以直接把内能转化为电能接把内能转化为电能,试问试问:第10页 第10页 (1) 图中哪个极板是发电机的正极图中哪个极板是发电机的正极?(2) 发电机的电动势多大发电机的电动势多大?(3) 设喷入两极板间的离子流每立方米有设喷入两极板间的离子流每立方米有n个负电荷个负电荷,离子离子流的横截面积为流的横截面积为S,那么发电机的最大功率多大那么发电机的最大功率多大? 第11页 第11页 解析解析:(1) 等离子体从左侧射入磁场等离子体从左侧射入磁场,正离子受向上的洛伦兹力正离子受向上的洛伦兹力而偏向甲板而偏向甲板,使甲板上积累正电荷使甲板上积累正电荷,相应的乙板上积累负电

7、荷相应的乙板上积累负电荷,成为电源的正成为电源的正 负两极负两极.甲板是发电机的正极甲板是发电机的正极.(2) 当开关断开时当开关断开时,甲甲 乙两板间的电压即为电源的电动势乙两板间的电压即为电源的电动势.稳稳定时定时,甲甲 乙两板上积累的电荷不再添加乙两板上积累的电荷不再添加,此时的等离子体所此时的等离子体所受的洛伦兹力与电场力恰好平衡受的洛伦兹力与电场力恰好平衡,那么有那么有即得电源的电动势为即得电源的电动势为U=Bdv.qUqvBd第12页 第12页 (3) 理想形状时理想形状时,喷入两极板间的离子流全部流向两极板喷入两极板间的离子流全部流向两极板,这时这时电源到达最大功率电源到达最大功

8、率.此时此时,电路中的最大电流为电路中的最大电流为式中式中N为在为在t时间内喷入两极板间的正时间内喷入两极板间的正 负离子数的总和负离子数的总和,即即N=2nSvt,那么发电机的最大功率为那么发电机的最大功率为Pmax=UImax=2ndqSBv2.答案答案:(1) 甲板甲板 (2) Bdv (3) 2ndqSBv2maxNqIt第13页 第13页 三三 电磁流量计电磁流量计知识讲解知识讲解电磁流量计原理可解释为电磁流量计原理可解释为:如下图如下图,一圆形导管直径为一圆形导管直径为d,用非用非磁性资料制成磁性资料制成,其中有可以导电的液体向左流动其中有可以导电的液体向左流动,导电液体导电液体中

9、的自在电荷中的自在电荷(正正 负离子负离子)在洛伦兹力作用下偏转在洛伦兹力作用下偏转,a、b间间的电势差就坚持稳定的电势差就坚持稳定,由由 可得可得 流量流量,UqBvqEqd,UvBd2.44UQSvBdddUB第14页 第14页 四四 霍尔效应霍尔效应知识讲解知识讲解霍尔效应是高中物理重要的探求课题之一霍尔效应是高中物理重要的探求课题之一.在匀强磁场中放置在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体一个矩形截面的载流导体,当磁场方向与电流方向垂直时当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场导体在与磁场 电流方向都垂直的方向上出现了电势差电流方向都垂直的方向上出现了电势差.这个景象称为霍尔效应这个景

10、象称为霍尔效应.所产生的电势差称为霍尔电势差所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压或霍尔电压,其原理如下图其原理如下图.第15页 第15页 第二关第二关:技法关技法关 解读高考解读高考第16页 第16页 解题技法解题技法一一 带电体在重力场与磁场的复合场中的运动带电体在重力场与磁场的复合场中的运动技法讲解技法讲解带电体在重力场与磁场的复合场中运动时带电体在重力场与磁场的复合场中运动时,假设只受洛伦兹力假设只受洛伦兹力与重力与重力,当二力平衡时当二力平衡时,物体将沿程度方向做匀速直线运动物体将沿程度方向做匀速直线运动,假设二力不平衡那么物体做普通的曲线运动假设二力不平衡那么物体做普通的曲线运动,

11、很难从运动很难从运动学角度来分析学角度来分析,而从能量的角度来分析就比较简便而从能量的角度来分析就比较简便.一定要一定要留意洛伦兹力不做功这一特点留意洛伦兹力不做功这一特点.假设带电物体在运动过程假设带电物体在运动过程中还受其他物体中还受其他物体(如绳如绳 面或轨道等面或轨道等)的约束的约束,那么应结合施那么应结合施加约束的物体的特点来分析带电物体的运动加约束的物体的特点来分析带电物体的运动,一定留意洛一定留意洛伦兹力随运动形状的变化而变化伦兹力随运动形状的变化而变化.第17页 第17页 典例分析典例分析【例【例1】 如下图如下图,匀强磁场垂直纸面向里匀强磁场垂直纸面向里,有一足够长的等腰有一

12、足够长的等腰三角形绝缘滑槽三角形绝缘滑槽,两侧斜槽与程度面夹角为两侧斜槽与程度面夹角为,在斜槽顶点两在斜槽顶点两侧各放一个质量相等侧各放一个质量相等 带等量负电荷的小球带等量负电荷的小球A和和B,两小球两小球与斜槽的动摩擦因数相等与斜槽的动摩擦因数相等,且且aBC.两球沿斜槽都做变加速运动两球沿斜槽都做变加速运动,且且aAaBD.两球沿斜槽的最大位移关系是两球沿斜槽的最大位移关系是:sA=sB第19页 第19页 解析解析 由静止下滑后由静止下滑后,对对A B两球受力分析两球受力分析由牛顿第二定律得由牛顿第二定律得:mgsin-(mgcos-qBv)=maAmgsin-(mgcos+qBv)=m

13、aB所以所以A球下滑过程中加速度增大球下滑过程中加速度增大,当当mgcos=qBv时将脱离斜时将脱离斜面在空中做曲线运动面在空中做曲线运动,B球下滑过程中加速度减小球下滑过程中加速度减小,当当mgsin=(mgcos+qBv)时时,B球将沿斜面匀速下滑球将沿斜面匀速下滑,所以选所以选项项C正确正确.答案答案 C第20页 第20页 二二 带电粒子在电场带电粒子在电场 磁场磁场 重力场并存的复合场中的运重力场并存的复合场中的运动动技法讲解技法讲解1.带电粒子在复合场中的直线运动带电粒子在复合场中的直线运动带电粒子在电场带电粒子在电场 磁场磁场 重力场并存的复合场中运动时重力场并存的复合场中运动时,

14、假设假设带电粒子所受合外力为零时带电粒子所受合外力为零时,所处形状一定是匀速直线运所处形状一定是匀速直线运动动.假设受的合力不为零假设受的合力不为零,但方向与速度在同不断线上但方向与速度在同不断线上,粒子粒子将做匀减速或匀加速直线运动将做匀减速或匀加速直线运动(或作变加速直线运动或作变加速直线运动,假设假设有杆或面束缚有杆或面束缚).常见情况如下常见情况如下:第21页 第21页 (1)洛伦兹力为零洛伦兹力为零(即即v与与B平行平行),重力与电场力平衡重力与电场力平衡,做匀速直做匀速直线运动线运动;或重力与电场力的合力恒定做匀变速运动或重力与电场力的合力恒定做匀变速运动.(2)洛伦兹力洛伦兹力F

15、与速度与速度v垂直垂直,且与重力和电场力的合力且与重力和电场力的合力(或其中或其中一种力一种力)平衡平衡.做匀速直线运动做匀速直线运动.第22页 第22页 2.当带电粒子所受合外力充任向心力当带电粒子所受合外力充任向心力,带电粒子做匀速圆周运带电粒子做匀速圆周运动动.由于通常情况下由于通常情况下,重力和电场力为恒力重力和电场力为恒力,故不能充任向心故不能充任向心力力,所以普通情况下是重力恰好与电场力相平衡所以普通情况下是重力恰好与电场力相平衡,洛伦兹力洛伦兹力充任向心力充任向心力.3.当带电微粒所受的合外力不为零当带电微粒所受的合外力不为零,且恒力中的重力且恒力中的重力 电场力电场力的合力做功

16、使速度大小变化时的合力做功使速度大小变化时,带电微粒所受洛伦兹力变带电微粒所受洛伦兹力变化化,从而合外力变化从而合外力变化,粒子将做曲线运动粒子将做曲线运动,这时其轨迹既非圆这时其轨迹既非圆弧弧 亦非抛物线亦非抛物线,属变加速曲线运动属变加速曲线运动,不能用匀变速运动或不能用匀变速运动或圆周运动等规律解答有关问题圆周运动等规律解答有关问题,可思索用动量观念解答或可思索用动量观念解答或用功能观念处置用功能观念处置.第23页 第23页 典例分析典例分析【例【例2】 如下图如下图,在空间存在着程度方向的匀强磁场和竖直方在空间存在着程度方向的匀强磁场和竖直方向的匀强电场向的匀强电场,电场强度为电场强度

17、为E,磁感应强度为磁感应强度为B.在某点由静止在某点由静止释放一个带电液滴释放一个带电液滴a,它运动到最低点处它运动到最低点处,恰与一个原来处于恰与一个原来处于静止的液滴静止的液滴b相撞相撞,相撞后两液滴合为一体相撞后两液滴合为一体,沿程度方向做直沿程度方向做直线运动线运动.知液滴知液滴a质量是液滴质量是液滴b质量的质量的2倍倍,液滴液滴a所带电荷量所带电荷量是液滴是液滴b所带电荷量的所带电荷量的4倍倍.求两液滴的初始位置之间的高求两液滴的初始位置之间的高度差度差h(设设a、b之间的静电力可以不计之间的静电力可以不计).第24页 第24页 解析解析 设设b液滴的质量为液滴的质量为m,电荷量为电

18、荷量为q,那么那么a液滴的质量为液滴的质量为2m,电荷量为电荷量为4q.b液滴原来静止液滴原来静止,受重力和电场力处于平衡受重力和电场力处于平衡,由此可知由此可知b液滴带液滴带正电荷正电荷,且且mg=Eq.由由a粒子的运动轨迹可知其受的洛伦兹力方向为右上方粒子的运动轨迹可知其受的洛伦兹力方向为右上方,断定断定出出a粒子带负电荷粒子带负电荷.设设a原来所在处与原来所在处与b原来所在处的高度为原来所在处的高度为h,a运动到运动到b时的速度为时的速度为v1第25页 第25页 12211212222:ab,4qq3q,:2mv(m2m)v,3mg,3Eq,3Bqv .31242026.22633Bv

19、q3E3q3mg.2mghEqhmvvghvvghEhgB由动能定理联立得与 相撞后合在一起 电荷量为带负电由动量守恒定律得碰后在一起做匀速直线运动 受到重力电场力洛伦兹力由平衡条件联立解得2232EhgB答案第26页 第26页 三三 带电体在复合场中的动态分析与临界问题带电体在复合场中的动态分析与临界问题技法讲解技法讲解带电体在电场力带电体在电场力 磁场力磁场力 重力重力 弹力及摩擦力作用下的运弹力及摩擦力作用下的运动动,广泛地涉及力学和电磁学的根本概念广泛地涉及力学和电磁学的根本概念 规律和方法规律和方法,不不仅受力复杂仅受力复杂 运动多变运动多变(受力分析与运动分析常结合在一受力分析与运

20、动分析常结合在一同同) 综合性强综合性强,而且往往与临界问题和极值问题亲密相关而且往往与临界问题和极值问题亲密相关.第27页 第27页 1.处理该类型题方法思绪处理该类型题方法思绪(1)正确进展受力分析正确进展受力分析,除重力除重力 弹力弹力 摩擦力外摩擦力外,要特别留意要特别留意电场力和磁场力的分析电场力和磁场力的分析.(2)正确进展物体的运动情况分析正确进展物体的运动情况分析,找出物体的速度找出物体的速度 位置及变化位置及变化,分清运动过程分清运动过程,假设出现临假设出现临界形状界形状,要分析临界条件要分析临界条件.(3)选择适当的规律进展求解选择适当的规律进展求解.第28页 第28页 2

21、.分析临界问题的常用方法分析临界问题的常用方法(1)物理分析法物理分析法仔细分析系统所阅历的物理过程仔细分析系统所阅历的物理过程,找出与临界形状相对应的临找出与临界形状相对应的临界条件界条件,是解答这类标题的关键是解答这类标题的关键,寻觅临界条件寻觅临界条件,方法之一是方法之一是从最大静摩擦力从最大静摩擦力 极限频率极限频率 临界角临界角 临界温度等具有临临界温度等具有临界含义的物理量及相关规律入手界含义的物理量及相关规律入手;方法之二是以标题表达方法之二是以标题表达的一些特殊词语如的一些特殊词语如“恰好恰好“刚好刚好“最大最大“最高最高“至少为突破口至少为突破口,发掘隐含条件发掘隐含条件,探

22、求临界位置或形状探求临界位置或形状.第29页 第29页 (2)数学解析法数学解析法许多物理过程许多物理过程,一个物理量随另一个物理量的变化可用一个二一个物理量随另一个物理量的变化可用一个二次函数来表示次函数来表示,假设这个函数存在极值假设这个函数存在极值,那么阐明它反映的那么阐明它反映的物理变化存在一个临界形状物理变化存在一个临界形状,用配方法用配方法 图像法求解极值图像法求解极值,就可求得临界点就可求得临界点,临界形状的各物理量便可一一得出临界形状的各物理量便可一一得出.第30页 第30页 典例分析典例分析【例【例3】 如下图如下图,竖直绝缘杆处于方向彼此垂直竖直绝缘杆处于方向彼此垂直 大小

23、为大小为E B的匀强电的匀强电 磁场中磁场中,一个质量为一个质量为m 带正电电荷量为带正电电荷量为q的的小球小球,从静止开场沿杆下滑从静止开场沿杆下滑,且与杆的动摩擦因数为且与杆的动摩擦因数为,试求试求:第31页 第31页 (1)小球速度为多大时小球速度为多大时,加速度最大加速度最大?最大值是多少最大值是多少?(2)小球下滑的最大速度是多少小球下滑的最大速度是多少?第32页 第32页 解析解析 小球开场下滑时小球开场下滑时,在程度方向一直遭到方向相反的电在程度方向一直遭到方向相反的电场力场力qE和洛伦兹力和洛伦兹力qvB的作用的作用,受力分析如下图受力分析如下图,第33页 第33页 (1)当当

24、qvBbB.电势电势baC.电流增大时电流增大时,|a-b|增大增大D.其他条件不变其他条件不变,将铜板改为将铜板改为NaCl水溶液时水溶液时,电势情况依然一电势情况依然一样样第39页 第39页 解析解析:铜板内自在电荷为自在电子铜板内自在电荷为自在电子,电流向上电流向上,那么电子流动方那么电子流动方向向下向向下,其所受洛伦兹力的方向向左其所受洛伦兹力的方向向左,那么自在电子将向那么自在电子将向a侧偏侧偏转转,a侧积累负电荷侧积累负电荷,b侧显出正电荷从而建立由侧显出正电荷从而建立由b指向指向a的电场的电场,故故aqE),动能将会增大动能将会增大,速速度将会增大度将会增大,洛伦兹力将会增大洛伦兹力将会增大;由于向下板偏由于向下板偏,电场力做负电场力做负功功,其电势能将会增大其电势能将会增大.而电场力大小只与场强及小球的带而电场力大小只与场强及小球的带电荷量有关电荷量有关,故错故错.答案答案:A第45页 第45页 5.如下图如下图,直线直线PO与与x轴成轴成45角角,x轴上方有程度向右的匀轴上方有程度向右的匀强电场强电场E1,下方有竖直向下的匀强电场下方有竖直向下的匀强电场E2,知电场强度知电场强度E1=E2=10 N/C,x轴下方还存在着垂直纸面向外的匀强磁场轴下方还存在着垂直纸面向外的匀强磁场,磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度B=10 T