高考物理一轮总复习 专题八 第3讲 带电粒子在复合场中的运动课件 新人教版.ppt

第3讲带电粒子在复合场中的运动 一 复合场与组合场1 复合场 共存 或其中 某两种场共存区域 电场 磁场 重力场 2 组合场 与 各位于一定的区域内 并不重叠 或在同一区域内 电场 磁场分时间段或分区域交替 出现 电场 磁场 3 重力考虑与否分三种情况 很小 忽略 1 对于微观粒子 如电子 质子 离子等一般不做特殊交代就可以不计其重力 因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比 可以 而对于一些实际物体 如带电小球 液滴 金属块等不做特殊交代时就应当考虑其重力 2 在题目中有明确交代的是否要考虑重力的 这种情况比较正规 也比较简单 3 对未知的带电粒子其重力是否可忽略又没有明确时 可采用假设法判断 假设重力计或者不计 结合题给条件得出的结论若与题意相符则假设正确 否则假设错误 二 带电粒子在复合场中运动的实例1 质谱仪 1 用途 测量带电粒子的质量和分析同位素 2 原理 如图8 3 1所示 先用电场加速 再进入磁场偏 图8 3 1 2 回旋加速器 1 用途 产生大量高能量带电粒子 2 原理 如图8 3 2所示 电场用来对粒子加速 磁场用来使粒子回旋从而能反复加速 回旋加速器中所加交变电压的频率f与带电粒子做匀速圆周运动的频率相等 回旋加速器最 度一定的情况下 回旋加速器的半径R越大 粒子的能量就越大 图8 3 2 3 速度选择器 如图8 3 3所示 图8 3 3 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 与粒子的电性 电荷量和质量无关 4 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 正 2 根据左手定则 如图8 3 4所示的B板是发电机 极 图8 3 4 3 磁流体发电机两极板间的距离为l 等离子体速度为v 磁场磁感应强度为B 则两极板间能达到的最大电势差U Blv 5 电磁流量计电磁流量计的构造和原理 如图8 3 5所示 一圆形 也可是其他形状 导管的直径为d 用非磁性材料制成 其中有可以导电的液体在管内流动 导电液体中的自由电荷 正 负离子 在洛伦兹力作用下发生偏转 使a b间出现电势差 当自由电荷所受到的电场力与洛伦兹力平衡时 a b间的电势差就保持稳定 图8 3 5 考点1 带电粒子在组合场中的运动 重点归纳1 在匀强电场 匀强磁场中可能的运动性质 2 电偏转 和 磁偏转 的比较 续表 典例剖析 例1 2015年广东惠州一调 如图8 3 6所示 一电子 其重力不计 质量为m 电荷量为e 由静止开始 经加速电场加速后 水平向右从两板正中间射入偏转电场 偏转电场由两块水平平行放置的长为l 相距为d的导体板组成 当两板不带电时 电子通过两板之间的时间为t0 当在两板间加电压为U0时 电子可射出偏转电场 并射入垂直纸面向里的匀强磁场 最后打在磁场右侧竖直放置的荧光屏上 磁场的水平宽度为s 竖直高度足够大 求 1 加速电场的电压 2 电子在离开偏转电场时的侧向位移 3 要使电子能垂直打在荧光屏上 匀强磁场的磁感应强度 为多大 图8 3 6 思维点拨 1 根据粒子在偏转电场中水平方向上做匀速直线运动 求出水平速度 通过动能定理求出加速电场的电压 2 根据电子在偏转电场中水平方向上做匀速直线运动 竖直方向上做匀加速直线运动 抓住等时性 结合牛顿第二定律和运动学公式求出侧向位移 3 结合粒子在磁场中运动的轨道半径 通过洛伦兹力提供向心力求出磁感应强度的大小 3 设电子从偏转电场中射出时的偏向角为 要使电子垂直打在荧光屏上 则电子在磁场中运动半径应为 备考策略 粒子垂直电场方向进入电场做类平抛运动 首先对运动进行分解 在两个分运动上求出分位移和分速度 然后再合成来解决问题 切换 到偏转磁场时 运动的轨迹 性质等发生变化 自然地 我们又把目光转向粒子在磁场中做匀速圆周运动 可以根据进出磁场的速度方向确定轨迹圆心 根据几何关系求出轨道半径和运动时间 两场区 切换 时 抓住边界 切换 点的速度方向是解题的关键所在 考点练透 1 2014年大纲卷 如图8 3 7所示 在第一象限存在匀强磁场 磁感应强度方向垂直于纸面 xOy平面 向外 在第四象限存在匀强电场 方向沿x轴负向 在y轴正半轴上某点以与x轴正向平行 大小为v0的速度发射出一带正电荷的粒子 该粒子在 d 0 点沿垂直于x轴的方向进入电场 不计重力 若该粒子离开电场时速度方向与y轴负方向的夹角为 求 图8 3 7 1 电场强度大小与磁感应强度大小的比值 2 该粒子在电场中运动的时间 解 1 如图D48所示 粒子进入磁场后做匀速圆周运动 设磁感应强度的大小为B 粒子质量与所带电荷量分别为m和q 圆周运动的半径为R0 由洛伦兹力公式及牛顿第二定律得 图D48 由题给条件和几何关系可知R0 d 设电场强度大小为E 粒子进入电场后沿x轴负方向的加速度大小为ax 在电场中运动的时间为t 离开电场时沿x轴负方向的 速度大小为vx 由牛顿第二定律及运动学公式得Eq max vx axt由于粒子在电场中做类平抛运动 如图 有 联立 式得 图8 3 8 图D49 代入数据得U 60V故加速电压的最小值为60V 考点2 带电粒子在复合场中的运动 重点归纳1 三种场力的特点 2 常用结论 1 带电粒子在三个场共同作用下做匀速圆周运动 必然是 电场力和重力平衡 而洛伦兹力充当向心力 2 带电粒子在三个场共同作用下做直线运动 重力和电场力是恒力 它们的合力也是恒力 当带电粒子的速度平行于磁场时 不受洛伦兹力 因此可能做匀速运动也可能做匀变速运动 当带电粒子的速度垂直于磁场时 一定做匀速运动 典例剖析 例2 2016年吉林长春外国语学校质检 如图8 3 9所示 直角坐标系xOy位于竖直平面内 在第四象限存在匀强磁场和匀强电场 磁场的磁感应强度为B 方向垂直xOy平面向里 电场线平行于y轴 一质量为m 电荷量大小为q的带负电的小球 从y轴上的A点水平向右抛出 经x轴上的M点进入电场和磁场 恰能做匀速圆周运动 最后从y轴上的N点沿垂直于y轴的方向离开电场和磁场 ON之间的距离为L 小球过M点时速度方向与x轴正方向夹角为 不计空气阻力 重力加速度为g 求 图8 3 9 1 电场强度E的大小和方向 2 小球从A点抛出时初速度v0的大小 3 A点到x轴的高度h 思维点拨 由题意可知 由A点到M点小球做平抛运动 进入复合场后 小球所受重力和电场力平衡 洛伦兹力为小球做圆周运动提供向心力 解 1 小球在电场 磁场中恰好做匀速圆周运动 其所受 竖直向下 电场力的方向应竖直向上 由于小球带负电 则电场强度方向竖直向下 2 小球做匀速圆周运动 如图8 3 10所示 设半径为R 由几何关系得图8 3 10 由速度的合成与分解知v0 vcos 由 式解得 小球做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供 设小球做匀速圆周运动的速率为v 则有 备考策略 处理这类综合题 应把握以下几点 1 熟悉电场力 磁场力大小的计算和方向的判别 2 熟悉带电粒子在匀强电场 匀强磁场中的基本运动 如加速 偏转 匀速圆周运动等 3 通过详细地分析带电体运动的全部物理过程 找出与此过程相应的受力情况及物理规律 遇到临界情况或极值情况 则要全力找出出现此情况的条件 4 在 力学问题 中 主要应用牛顿运动定律结合运动学公式 动能定理 动量定理和动量守恒定律等规律来处理 考点练透 3 2014年福建卷 如图8 3 11所示 某一新型发电装置的发电管是横截面为矩形的水平管道 管道的长为L 宽为d 高为h 上下两面是绝缘板 前后两侧面M N是电阻可忽略的导体板 两导体板与开关S和定值电阻R相连 整个管道置于磁感应强度大小为B 方向沿z轴正方向的匀强磁场中 管道内始终充满电阻率为 的导电液体 有大量的正 负离子 且开关闭合前后 液体在管道进 出口两端压强差的作用下 均以恒定 速率v0沿x轴正向流动 液体所受的摩擦阻力不变 图8 3 11 1 求开关闭合前 M N两板间的电势差大小U0 2 求开关闭合前后 管道两端压强差的变化 p 3 调整矩形管道的宽和高 但保持其他量和矩形管道的横截面积S dh不变 求电阻R可获得的最大功率Pm及相应的宽 解 1 设带电离子所带的电荷量为q 当其所受的洛伦兹力与电场力平衡时 U0保持恒定 有