高考物理大一轮复习 第八章 带电粒子在复合场中的运动

1、高考物理大一轮复习 第八章 带电粒子在复合场中的运动课件第1页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四一、复合场1.复合场与组合场(1)复合场:电场、磁场、重力场共存,或其中某两场共存。知识梳理(2)组合场:电场与磁场各位于一定的区域内,并不重叠,或在同一区域,电场、磁场分时间段或分区域交替出现。2.三种场的比较第2页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四 力的特点功和能的特点重力场大小:G=mg方向:竖直向下重力做功与路径无关重力做功改变物体重力势能静电场大小:F=qE方向:a.正电荷受力方向与场强方向相同b.负电荷受力方向与场强方向相反电场力做功与路径无关

2、W=qU电场力做功改变电势能磁场洛伦兹力F=qvB方向符合左手定则洛伦兹力不做功,不改变带电粒子的动能第3页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四3.带电体在复合场中运动的几种情况(1)当带电体所受合外力为零时,将处于静止或匀速直线运动状态。(2)当带电体做匀速圆周运动时,洛伦兹力提供向心力,其余各力的合力必为零。(3)当带电体所受合力大小与方向均变化时,将做非匀速曲线运动。这类问题一般只能用能量关系来处理。二、带电粒子在复合场中运动的典型应用带电粒子在复合场中的重要应用,包括速度选择器、回旋加速器、磁流体发电机、电磁流量计等。第4页，共45页，2022年，5月20日，23点

3、26分，星期四1.速度选择器(如图所示)(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直。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。(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE=qvB,即v=。第5页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四a.粒子源。b.两个D形金属盒。c.匀强磁场。d.高频电源。e.粒子引出装置。f.真空容器。2.回旋加速器(1)基本构造:回旋加速器的核心部分是放置在磁场中的两个D形的金属盒(如图所示),其基本组成为:第6页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四a.电场加速qU=Ek。b.磁场约束偏转qBv=m,v

4、=r。c.加速条件:高频电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同,即T电场=T回旋=。3.磁流体发电机(1)磁流体发电是一项新兴技术,它可以把内能直接转化为电能。(2)根据左手定则,如图所示中的B是发电机的正极。(2)工作原理第7页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四(3)磁流体发电机两极板间的距离为d,等离子体速度为v,磁感应强度为B,则两极板间能达到的最大电势差U=vBd。第8页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四4.电磁流量计工作原理:如图所示,圆形导管直径为d,用非磁性材料制成,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),在洛

5、伦兹力的作用下偏转,a、b间出现电势差,形成电场,当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时,a、b间的电势差就保持稳定,即:qvB=qE=q,所以v=,因此液体流量Q=Sv=。第9页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四5.霍尔效应霍尔效应是高中物理重要的探究课题之一。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,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。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,其原理如图所示。第10页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四1.(多选)如图所示,空间存在相互垂直的匀强电场和匀强

6、磁场,电场的方向竖直向下,磁场方向水平(图中垂直纸面向里),一带电油滴P恰好处于静止状态,则下列说法正确的是()A.若撤去电场,P可能做匀加速直线运动B.若撤去磁场,P可能做匀加速直线运动C.若给P一初速度,P可能做匀速直线运动D.若给P一初速度,P可能做顺时针方向的匀速圆周运动第11页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四度的方向与磁场方向平行,油滴只受重力和电场力处于平衡状态,做匀速直线运动。若所给初速度的方向向上与磁场方向垂直,合力等于洛伦兹力,则做顺时针方向的匀速圆周运动,故C、D正确。答案CD由于P处于静止状态则P带负电。若撤去电场,P将运动,此时其只受重力和磁场力

7、作用,由于磁场方向与速度垂直,则P必做曲线运动,故A错。若撤去磁场,P受重力和电场力仍处于平衡状态,故B错。若所给初速第12页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四2.(多选)如图有一混合正离子束先后通过正交电场磁场区域和匀强磁场区域,如果这束正离子束在区域中不偏转,进入区域后偏转半径又相同,则说明这些正离子具有相同的()A.速度B.质量C.电荷D.比荷答案AD设电场的场强为E,由于离子在区域中不发生偏转,则Eq=B1qv,得v=,即这些正离子具有相同的速度;当离子进入区域时,偏转半径R=,由偏转半径相同,知这些正离子的比荷相同,故选项A、D正确。第13页，共45页，2022

8、年，5月20日，23点26分，星期四3.如图所示,一个带正电的滑环套在水平且足够长的粗糙的绝缘杆上,整个装置处于方向如图所示的匀强磁场中,现给滑环一个水平向右的瞬时作用力,使其由静止开始运动,则滑环在杆上运动情况不可能的是()A.始终做匀速运动B.始终做减速运动,最后静止于杆上C.先做加速运动,最后做匀速运动D.先做减速运动,最后做匀速运动第14页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四答案C给滑环一个瞬时作用力,滑环获得一定的速度v,当qvB=mg时,滑环将以v做匀速直线运动,故A可能发生。当qvBmg时,滑环先做减速运动,当减速到qvB=mg后,以速度v=做匀速直线运动,故

9、D可能发生。由于摩擦阻力作用,滑环不可能做加速运动,故C不可能发生,应选C。第15页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四4.如图所示,某一真空室内充满竖直向下的匀强电场E,在竖直平面内建立坐标系xOy,在y0的空间内,将一质量为m的带电液滴(可视为质点)自由释放,此液滴则沿y轴的负方向,以加速度a=2g(g为重力加速度)做匀加速直线运动,当液滴运动到坐标原点时,瞬间被安置在原点的一个装置改变了带电性质(液滴所带电荷量和质量均不变),随后液滴进入y0的空间运动。液滴在y0的空间内以加速度a=2g做匀加速直线运动,可知液滴带正电且电场力等于重力,且方向相同,当液滴运动到坐标原点

10、时变为带负电,液滴进入y0)的P点沿x轴正方向进入第一象限后做圆周运动,恰好通过坐标原点O,且水平切入半圆轨道并沿轨道内侧运动,过N点水平进入第四象限,并在电场中运动(已知重力加速度为g)。典例2如图,竖直平面坐标系xOy的第一象限,有垂直xOy平面向外的水平匀强磁场和竖直向上的匀强电场,大小分别为B和E;第四象限有垂直xOy平面向里的水平匀强电场,大小也为E;第三象限内有一绝缘光滑竖直放置的第32页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四(1)判断小球的带电性质并求出其所带电荷量;(2)P点距坐标原点O至少多高;(3)若该小球以满足(2)中OP最小值的位置和对应速度进入第一象

11、限,通过N点开始计时,经时间t=2小球距坐标原点O的距离s为多远?解析(1)小球进入第一象限正交的电场和磁场后,在垂直磁场的平面内做圆周运动,说明重力与电场力平衡,设小球所带电荷量为q,则有:qE=mg解得:q=又电场方向竖直向上故小球带正电第33页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四(2)设匀速圆周运动的速度为v、轨道半径为r,由洛伦兹力提供向心力得:qBv=小球恰能通过半圆轨道的最高点并沿轨道运动,则应满足:mg=解得:r=即:P、O的最小距离为:y=2r=(3)小球由O运动到N的过程中设到达N点的速度为vN,由机械能守恒得:2mgR=m-mv2第34页，共45页，20

12、22年，5月20日，23点26分，星期四解得:vN=小球从N点进入电场区域后,在做类平抛运动,设加速度为a,则:沿x轴方向有:x=vNt沿电场方向有:z=at2由牛顿第二定律得:a=t时刻小球距原点O的距离为:s=2R答案(1)带正电(2)(3)2R第35页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四2-1在竖直平面内半圆形光滑绝缘管处在如图所示的匀强磁场中,B=1.1 T,半径R=0.8 m,其直径AOD在竖直线上。半圆管平面与磁场方向垂直,在管口A处以2 m/s水平速度射入一个带电小球,其带电荷量为110-4 C,问:(1)小球滑到D处的速度为多少?(2)若小球从D处滑出的瞬间

13、,管对它的力恰好为零,小球质量为多少?(g=10m/s2)答案(1)6 m/s(2)1.210-5 kg解析(1)小球从A到D,利用动能定理得mg2R=m-m 得vD=6 m/s。第36页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四(2)在D点,小球受到的洛伦兹力方向指向圆心,由于小球做圆周运动,所以有qvDB-mg=得m=1.210-5 kg。第37页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四2-2如图所示,一个质量为m、带电荷量为+q的小球以初速度v0自h高度处水平抛出。不计空气阻力,重力加速度为g。(1)若在空间竖直方向加一个匀强电场,发现小球水平抛出后做匀速直

14、线运动,求该匀强电场的场强E的大小;(2)若在空间再加一个垂直纸面向外的匀强磁场,小球水平抛出后恰沿圆弧轨迹运动,落地点P到抛出点的距离为h,求该磁场磁感应强度B的大小。第38页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四解析(1)小球做匀速直线运动,说明重力和电场力平衡,根据平衡条件,有mg=qE解得:E=。(2)再加匀强磁场后,小球做圆周运动,洛伦兹力充当向心力,设轨道半径为R,根据几何关系得,P点到抛出点的水平距离为:x=h由R2=(R-h)2+x2解得:R=由qv0B=得 B= 答案(1)(2)第39页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四带电粒子在复合场

15、中运动的分析方法和一般思路1.弄清复合场的组成。一般有磁场、电场的复合,电场、重力场的复合,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电场力和磁场力的分析。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场的问题,要分阶段进行处理。5.画出粒子的运动轨迹,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,应用牛顿运动定律结合圆周思想方法运动规律求解。(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

16、律求解。(4)对于临界问题,注意挖掘隐含条件。第40页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四典例设在地面上方的真空室内,同时存在匀强电场和匀强磁场。已知电场强度和磁感应强度的方向是相同的,电场强度的大小E=4.0 V/m,磁感应强度的大小B=0.15 T。今有一个带负电的质点以v=20 m/s的速度在此区域内沿垂直于重力方向做匀速直线运动,求此带电质点的电荷量与质量之比q/m 以及磁场的所有可能方向(角度可用反三角函数表示)。解析带电质点受三个力:重力、电场力和洛伦兹力。根据带电质点做匀速直线运动,知三力的合力必定为零,这三个力必在同一竖直平面内。第41页，共45页，2022

17、年，5月20日，23点26分，星期四设带电质点的速度垂直纸面向外,质点的受力情况如图所示。由合力为零的条件,可得mg=q,所以 = C/kg第42页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四=1.96 C/kg。因质点带负电,电场方向与电场力方向相反,因而磁场方向也与电场力方向相反,设磁场方向与重力方向间夹角为,则有Eq sin =qvB cos ,tan =0.75,=arctan 0.75,即磁场方向是与重力方向夹角=arctan 0.75,且斜向下方的一切方向。答案见解析第43页，共45页，2022年，5月20日，23点26分，星期四A.小球可能带正电B.小球做匀速圆周运动的半径r=C.小球做匀速圆周运动的周期T=D.若电压U增大,则小球做匀速圆周运动的周期增加针对训练(多选)如图所示,已知一带电小球在光滑绝缘的水平面上从