物理高考热点预测复习：47电场及带电粒子在电场中的运动省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第7讲电场及带电粒子在电场中运动第1页【考纲资讯】电荷电荷守恒定律点电荷Ⅰ库仑定律 Ⅱ静电场电场线电势能电势等势面 Ⅰ电场强度点电荷场强电势差 Ⅱ匀强电场中电势差和电场强度关系 Ⅰ带电粒子在匀强电场中运动 Ⅱ电容电容器

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第2页【考情快报】1.单独考查电场性质与特点等考点时，题型普通为选择题；考查带电粒子在匀强电场中运动时，题型普通为计算题。2.预计年高考对该讲考查主要表达在以下几个方面:(1)电场性质与特点结合曲线运动条件﹑功效关系等主干知识点进行综合考查，普通为选择题题型。(2)电容器决定式和定义式综合电路分析问题考查，这类问题应该出现在选择题中。(3)带电粒子在匀强电场中运动结协力学运动规律﹑功效关系及电场力做功特点等考点综合问题考查仍将是命题热点。第3页【体系构建】第4页【关键自查】一、电场性质1.力性质(1)电场强度三个表示式(2)电场线①能直观地描述电场_____和_____。②沿着电场线方向电势_____,电场线密集地方电势降低得快。定义式点电荷匀强电场E=E=E=强弱方向降低第5页2.能性质(1)电势①定义式:φ=。②相对性:电势含有_______，与零势能点选取相关。(2)电势差①定义式:UAB=。②电势差与电势关系:UAB=_______，电势差是_______，与零势能点选取无关。(3)电势能:电场力做正功，电势能减小；电场力做负功，电势能增加。相对性绝正确φA-φB第6页二、电容及带电粒子在电场中运动1.电容(1)定义式:C=，适合用于任何电容器。(2)平行板电容器决定式:C=，仅适合用于平行板电容器。第7页2.带电粒子在电场中运动(1)加速运动①在如图所表示匀强电场中,v0与E平行时,应用牛顿第二定律结合运动学公式求解,基本方程为a=,E=,2ad=。②非匀强电场中,用动能定理求解,基本方程为qU=。第8页(2)偏转运动①处理方法:利用运动合成与分解思想处理，也就是初速度方向上_____________和电场力方向上_______________。②偏转规律:在如图所表示匀强电场中，有以下规律偏转位移:y=偏转角:tanφ==。匀速直线运动匀变速直线运动第9页【热点考向1】对电场性质了解与应用【典题训练1】(·重庆高考)空间中P、Q两点处各固定一个点电荷,其中P点处为正电荷,P、Q两点附近电场等势面分布如图所表示,a、b、c、d为电场中4个点。则()第10页A.P、Q两点处电荷等量同种B.a点和b点电场强度相同C.c点电势低于d点电势D.负电荷从a到c，电势能降低【解题指导】解答本题需要把握以下三点:(1)电场线与等势面垂直。(2)沿着电场线方向电势降低。(3)电场力做功与电势能改变之间关系。第11页【解析】选D。图中画出是等势面分布图,而不是电场线分布图,因为电场线与等势面垂直,所以依据这一点就能够画出电场线分布图,如图所表示。电场线必须画成从P出发终止于Q,所以Q必是负电荷,A错误；a、b两点电场强度方向不同,B错误;沿着电场线方向电势降低,所以c点电势高于d点电势,C错误；负电荷从a到c,电场力做正功,电势能降低,D正确。第12页【典题训练2】(·潍坊一模)(多选)如图所表示，在足够大光滑绝缘水平面内有一带正电点电荷a(图中未画出)。与a带同种电荷质点b仅在a库仑力作用下。以初速度v0(沿MP方向)由M点运动到N点，到N点时速度大小为v，且v<v0。则()A.a电荷一定在虚线MP下方B.b电荷在M点、N点加速度大小可能相等C.b电荷在M点电势能小于在N点电势能D.b电荷从M点到N点过程中，a电荷对其做总功为负值第13页【解题指导】解答本题时应该注意以下三点:(1)曲线运动物体其运动轨迹向着合外力一侧弯曲，由此判定电场力方向，确定源电荷位置；(2)点电荷电场分布规律和特点；(3)电场力做功与电势能改变之间关系。第14页【解析】选A、C.D。由质点b仅在a库仑力作用下运动轨迹可知，a电荷一定在虚线MP下方，选项A正确；依据v＜v0可知，N点距离点电荷a比M点近，b电荷在M点加速度大小比N点小，选项B错误；依据电荷b电势能和动能之和保持不变可得，b电荷在M点电势能小于在N点电势能，选项C正确；b电荷从M点到N点过程中，动能减小，由动能定理可知，a电荷对其做总功为负值，选项D正确。第15页【拓展提升】【考题透视】静电场性质与特点以及常见电场分布规律问题是近几年高考热点，分析近几年高考命题，命题规律主要有以下三点:(1)以选择题形式考查，普通考查静电场分布规律(电场线及等势面规律)。(2)以选择题形式考查电场力做功与电势能改变之间关系，动能定理在静电场中应用。(3)得分关键点:熟记电场性质及相关公式。第16页【借题发挥】判断电场性质普通解题思绪(1)明确电场电场线与等势面分布规律；(2)利用电场线疏密分布规律或场强叠加原理判定场强强弱；(3)依据电场线方向、电场线疏密及电势能大小分析电势高低；(4)应用电场力做功与电势能改变之间关系判定电势能大小或电场力做功情况。

第17页【创新预测】如图所表示为一个点电极A与平板电极B接入电源时空间电场分布图，C为A到B垂线中点，D.E为同在AB直线上两点，DC=CE，F、G处于DE中垂线上，FC=CG，以下说法正确是()第18页A.A电极带电量小于B电极带电量B.F点电场强度大于C点电场强度C.DC两点间电势差小于CE两点间电势差D.电子从F点沿直线移动到G点，电场力先做正功，后做负功第19页【解析】选D。A电极与B电极接在同一电源两极,带电量相等,选项A错误；依据电场线分布规律可知,F点电场强度小于C点电场强度,选项B错误；从D到E电场强度逐步减小,而DC=CE,又U=E·d,所以DC两点间电势差大于CE两点间电势差,选项C错误；如图所表示,电子从F点沿直线移动到G点,电子电势能先减小后增加,所以,电场力先做正功,后做负功,选项D正确。第20页【热点考向2】电容器与粒子运动规律【典题训练3】(·新课标全国卷)(多项选择)如图,平行板电容器两个极板与水平地面成一角度,两极板与一直流电源相连。若一带电粒子恰能沿图中所表示水平直线经过电容器,则在此过程中,该粒子()A.所受重力与电场力平衡 B.电势能逐步增加C.动能逐步增加 D.做匀变速直线运动第21页【解题指导】解答本题应把握以下两点:(1)由直线运动条件分析带电粒子受力情况，并确定运动性质。(2)由动能定理分析能量改变情况。第22页【解析】选B.D。分析带电粒子受力情况，画出其受力图如图所表示。能够看出其协力方向与其速度方向相反。所以,带电粒子在电场中做匀减速直线运动。电场力做负功，重力不做功，动能降低，电势能增加,故选项A、C错误，选项B.D正确。第23页【典题训练4】(·广东高考)(多项选择)如图所表示是静电矿料分选器原理示意图,带电矿粉经漏斗落入水平匀强电场后,分落在搜集板中央两侧,对矿粉分离过程,下列表述正确有()A.带正电矿粉落在右侧B.电场力对矿粉做正功C.带负电矿粉电势能变大D.带正电矿粉电势能变小第24页【解题指导】解答本题时应注意以下三点:(1)平行板间电场方向与极板上所带电荷电性间关系:“由正极板指向负极板”。(2)电场力方向与场强方向、电荷电性间关系。(3)电场力做功与电势能改变之间关系。第25页【解析】选B.D。由题图可知匀强电场场强方向水平向左，故带正电矿粉受水平向左电场力作用而落在左侧，A错。在带正电矿粉下落过程中，因为受到向左电场力作用而向左运动，故电场力对带正电矿粉做正功，带正电矿粉电势能减小,则B.D正确。对于带负电矿粉而言，因为受到水平向右电场力作用而向右运动，在运动过程中电场力对其做正功，电势能减小，C错。第26页【拓展提升】【考题透视】平行板电容器问题是近几年高考中时常出现考点，分析近几年高考命题，命题规律主要有以下几点:(1)普通以选择题形式考查电容器定义式和平行板电容器决定式；(2)以选择题形式考查极板间场强﹑极板间电势、带电粒子电势能及电容器充放电规律等问题。第27页【借题发挥】平行板电容器问题分析思绪(1)明确平行板电容器中哪些物理量是不变,哪些物理量是改变以及怎样改变；(2)应用平行板电容器决定式C=分析电容器电容变化；(3)应用电容器定义式分析电容器带电量和两板间电压变化情况；(4)依据控制变量法对电容器改变进行综合分析,得出结论。第28页【创新预测】科学家研究发觉，磁敏电阻(GMR)阻值随所处空间磁场增强而增大，图示电路中，GMR为一个磁敏电阻，R、R2为滑动变阻器，R1.R3为定值电阻，当开关S1和S2闭合时，电容器一带电微粒恰好处于静止状态，则()第29页A.只调整电阻R，当P1向右端移动时，电阻R1消耗电功率变大B.只调整电阻R，当P1向右端移动时，带电微粒向下运动C.只调整电阻R2，当P2向下端移动时，电阻R1消耗电功率变大D.只调整电阻R2，当P2向下端移动时，带电微粒向下运动第30页【解析】选A。闭合S1和S2时,带电微粒恰好处于静止状态,当向右移动滑片P1时,滑动变阻器R接入电路有效阻值增加,经过电磁铁电流减小,磁敏电阻所在位置磁感应强度减弱,磁敏电阻阻值减小,依据闭合电路欧姆定律得知,经过电阻R1电流增加,电阻R1消耗功率P1=I2·R1增加,选项A正确；当向右移动滑动变阻器R滑片P1时,经过电阻R1电流增加,滑动变阻器R2两端电压增加,也就是电容器两极板间电压增大,粒子所受电场力增大,电场力第31页大于重力,带电微粒向上运动,选项B错误；只调整电阻R2,当P2向下端移动时,磁敏电阻阻值保持不变,滑动变阻器R2有效阻值增加,经过电阻R1电流减小,电阻R1消耗电功率变小,选项C错误；电容器两板间电压为UC=E-U1-U内-UGMR=E-I(R1+r+RGMR),电压增加,带电微粒向上运动,选项D错误。第32页【热点考向3】带电粒子在电场中加速与偏转【典题训练5】(·潍坊一模)如图所示，在xOy平面内，一带正电粒子自A点经电场加速后从C点垂直射入偏转电场(视为匀强电场)，偏转后经过极板MN上小孔O离开电场，粒子在O点时速度大小为v，方向与x轴成45°角斜向上，在y轴右侧y≥d范围内有一个垂直纸面向里、磁感应强度大小为B匀强磁场，粒子经过磁场偏转后垂直打在极板MN上P点，已知NC之间距离为d，粒子重力不计，求:第33页(1)P点纵坐标；(2)粒子从C点运动到P点所用时间；(3)偏转电场电场强度。第34页【解题指导】解答本题时应该注意以下三个方面:(1)分析粒子受力情况，画出粒子运动轨迹，分析粒子运动规律。(2)粒子在偏转电场中做类平抛运动，依据运动合成与分解规律找出初末速度之间关系，依据两分运动之间联络求解位移﹑速度﹑加速度﹑时间等物理量。(3)粒子在磁场中运动，应依据初速度方向和大小确定粒子圆周运动圆心和半径。第35页【解析】(1)粒子运动轨迹如图所表示:由几何关系得，粒子在磁场中运动轨道半径R==d所以P点纵坐标yP=R+2=(2+)d第36页(2)粒子在O点分速度粒子从C运动到O时间粒子从O运动到D时间粒子从D运动到P时间粒子从C运动到P所用时间第37页(3)x方向上:粒子在磁场中运动联立解得答案:看法析第38页【拓展提升】【考题透视】带电粒子在电场中运动问题是近几年高考重点和热点，综合分析近几年高考命题，对于这一考点命题规律有以下几个方面:(1)以综累计算题形式出现在理综压轴题中，通常与磁场复合场等问题相联络。(2)经常与功效关系﹑运动学方程﹑牛顿运动定律等知识相综合，以计算题形式出现。(3)有时在选择题中出现，考查带电粒子运动轨迹﹑受力情况及运动规律等问题。第39页【借题发挥】带电粒子在电场中运动问题解题思绪(1)首先分析粒子运动规律，区分是在电场中直线运动还是偏转运动问题。(2)对于直线运动问题，可依据对粒子受力分析与运动分析，从以下两种路径进行处理:①假如是带电粒子受恒定电场力作用下直线运动问题，应用牛顿第二定律找出加速度，结合运动学公式确定带电粒子速度、位移等。②假如是非匀强电场中直线运动，普通利用动能定理研究全过程中能转化，研究带电粒子速度改变﹑运动位移等。第40页(3)对于曲线运动问题,普通是类平抛运动模型,通常采取运动合成与分解方法处理。经过对带电粒子受力分析和运动规律分析,借助运动合成与分解,寻找两个分运动,再应用牛顿运动定律或运动学方程求解。(4)当带电粒子从一个电场区域进入另一个电场区域时,要注意分析带电粒子运动规律改变及两区域电场交界处相关联物理量,这些关联量往往是处理问题突破口。第41页【创新预测】飞行时间质谱仪能够依据带电粒子飞行时间对气体分子进行分析。如图所表示,在真空状态下,自脉冲阀P喷出微量气体,经激光照射产生不一样正离子,自a板小孔进入a、b间加速电场,从b板小孔射出,沿中线方向进入M、N板间方形区域,然后抵达紧靠在其右侧探测器。已知极板a、b间电压为U0,间距为d,极板M、N长度和间距均为L。不计离子重力及经过a板时初速度。第42页(1)若M、N板间无电场和磁场,请推导出离子从a板到探测器飞行时间t与比荷k(k=,q和m分别为离子电荷量和质量)关系式；(2)若在M、N间只加上偏转电压U1,请论证说明不一样正离子轨迹是否重合。第43页【解析】(1)带电离子在平行板a、b间运动时，依据动能定理qU0=-0 ①解得:v=即v=带电离子在平行板a、b间加速度a1=即a1=所以，带电离子在平行板a、b间运动时间t1==带电离子在平行板M、N间运动时间t2=所以，带电离子全部飞行时间t=t1+t2=第44页(2)设正离子在平行板M、N间水平方向运动位移为x时，在竖直方向运动位移为y。水平方向满足x=vt ②竖直方向满足y= ③加速度a2= ④由上述②③④式得:y= ⑤⑤式是正离子轨迹方程，运动轨迹与正离子质量和电荷量均无关。所以，不一样正离子轨迹是重合。答案:(1)t=(2)看法析第45页带电粒子在交变电场中运动问题带电粒子在交变电场中运动包含直线运动和曲线运动两种情况。1.对于带电粒子在交变电场中直线运动，普通多以加速﹑减速交替出现多运动过程情境出现。处理方法:(1)依据运动学或动力学认真分析其中一个改变周期内相关物理量改变规律。第46页(2)借助运动图象进行运动过程分析,找出每一运动过程或每一运动阶段中相关物理量间关系,进行归纳﹑总结﹑推理,寻找带电粒子运动规律。2.对于带电粒子在交变电场中曲线运动,处理方法依然是应用运动合成与分解方法,把曲线运动分解为两个直线运动,然后分别应用直线运动规律加以处理。第47页【典题例证】【典例】(·临川二模)(16分)有一个电荷聚焦装置工作原理可简化为以下工作过程：如图甲所表示，平行金属板A和B间距离为d，现在A.B板上加上如图乙所表示方波形电压，t=0时A板比B板电势高，电压正向值为U0，反向值也为U0，现有由质量为m带正电且电荷量为q粒子组成粒子束，从AB中点O以平行于金属板方向OO′速度v0=不停射入，所有粒子在AB间飞行时间均为T，不计重力影响。试求：第48页(1)粒子打出电场时位置离O′点距离范围。(2)粒子射出电场时速度大小及方向。【解题关键】(1)全部粒子在板间运动时间恰好是板间电压一个改变周期。(2)正向电压与反向电压相等,说明板间场强大小不变,只是改变方向,正、反向电压连续时间不一样。第49页【解题思绪】解答本题时应该注意以下两个方面:(1)分析粒子受力情况，判断粒子运动规律，研究t=0、t=、t=、t=T几个特殊时刻进入粒子运动情况(比如:速度﹑加速度﹑时间﹑位移等物理量改变)。(2)画出粒子在一个改变周期内速度改变图象，寻找粒子偏转位移改变规律和改变范围。第50页【规范解答】据U-t图象可作出粒子偏转方向上v-t图象如图所表示，由图象可知:(1)当粒子由t=nT时刻进入电场，向下侧移最大，则(4分)第51页当粒子由时刻进入电场,向上侧移最大,则 (4分)在距离O′中点下方至上方范围内有粒子打出。 (2分)第52页(2)打出粒子速度都是相同，在沿电场线方向速度大小为 (2分)所以打出速度大小为 (2分)设速度方向与v0夹角为θ，则tanθ==1即θ=45° (2分)答案:见规范解答第53页【拓展训练】在金属板AB间加上如图所表示大小不变，方向周期性改变交变电压U0，其周期为T。现有电子以平行于金属板速度v0从两板中央射入。已知电子质量为m，电荷量为e，不计电子重力，求:第54页(1)若电子从t=0时刻射入，在半个周期内恰好能从A板边缘飞出，则电子飞出时速度大小为多少？(2)若电子从t=0时刻射入，恰能平行于金属板飞出，则金属板最少为多长？(3)若电子恰能从两板中央平行于板飞出，电子应从哪一时刻射入？两板间距最少为多大？第55页【解析】(1)电子在电场中运动初末位置电势差为U=,由动能定理得则v=第56页(2)t=0时刻射入电子,在垂直于极板方向上做匀加速运动,向正极板方向偏转,半个周期后电场方向反转,则继续在该方向上做匀减速运动,再经过半个周期,电场方向上速度减到零,实际速度等于初始速度v0,平行于极板,以后继续重复这么运动。轨迹如图所表示。要使电子恰好能平行于金属板飞出,则在OO′方向上最少运动一个周期,故极板长度最少为l=v0T。第57页(3)若要求电子从极板中央平行于极板射出,则要求电子在电场方向上先加速﹑再减速,反向加速再减速,每段时间相同,一个周期后恰好回到OO′线。可见,应在时射入。极板间距离要求满足在加速﹑减速阶段电子不打到极板上。第58页由牛顿第二定律得:a=，加速阶段偏转距离为可解得。答案:(1)(2)v0T(3)第59页1.(·海淀二模)物理关系式不但反应了物理量之间数值关系,也确定了单位间关系。对于单位分析是帮助我们检验研究结果正确性一个方法。下面是同学们在研究平行板电容器充电后储存能量EC与哪些量相关过程中得出一些结论,式中C为电容器电容、U为电容器充电后其两极板间电压、E为两极板间电场强度、d为两极板间距离、S为两极板正对面积、εr为两极板间所充介质相对介电常数(没有单位)、k为静电力常量。请你分析下面给出关于EC表示式可能正确是()第60页A.EC= B.EC=C．EC= D．EC=【解析】选C。能量单位是焦耳，所以表示电容器充电后储存能量物理量EC单位是焦耳，电容单位是库仑每伏特，﹑以及ESd单位都不是焦耳，所以，选项A、B.D都错误，只有选项C正确。第61页2.(·南通二模)两块竖直放置带电平行金属板A.B间放一金属小球后，电场线如图所表示，M、N为电场中两点，以下判断中正确是()A．M点处电场强度小于N点处电场强度B．M点处电势高于N点电势C．将负检验电荷从M点移到N点，电场力做正功D．将正检验电荷从M点移到N点，该电荷电势能增加第62页【解析】选B。金属小球放入电场中到达静电平衡后,其表面是等势面,依据图中电场线可知,M点处电场强度大于N点处电场强度,选项A错误；M点电势高于静电平衡小球电势,静电小球电势高于N点电势,所以,选项B正确；负检验电荷从M点移到N点,电场力做负功,选项C错误；正检验电荷从M点移到N点,电场力做正功,电势能减小,选项D错误。第63页3.(·淄博一模)在光滑绝缘水平面P点正上方O点固定了一电荷量为+Q正点电荷，