2019年度高考物理一轮复习 第七章 静电场 专题强化八 带电粒子（带电体）在电场中运动的综合问题课件.ppt

第七章静电场 专题强化八带电粒子 带电体 在电场中运动的综合问题 1 本专题主要讲解带电粒子 带电体 在电场中运动时动力学和能量观点的综合运用 高考常以计算题出现 2 学好本专题 可以加深对动力学和能量知识的理解 能灵活应用受力分析 运动分析特别是曲线运动 平抛运动 圆周运动 的方法与技巧 熟练应用能量观点解题 3 用到的知识 受力分析 运动分析 能量观点 过好双基关 一 带电粒子在电场中运动1 分析方法 先分析受力情况 再分析和运动过程 平衡 加速或减速 轨迹是直线还是曲线 然后选用恰当的力学规律如牛顿运动定律 运动学公式 能量守恒定律解题 2 受力特点 在讨论带电粒子或其他带电体的静止与运动问题时 重力是否要考虑 关键看重力与其他力相比较是否能忽略 一般来说 除明显暗示外 带电小球 液滴的重力不能忽略 电子 质子等带电粒子的重力可以忽略 一般可根据微粒的运动状态判断是否考虑重力作用 运动状态 动能定理 二 用能量观点处理带电体的运动对于受变力作用的带电体的运动 必须借助于能量观点来处理 即使都是恒力作用的问题 用能量观点处理也常常显得简洁 具体方法常有两种 1 用动能定理处理思维顺序一般为 1 弄清研究对象 明确所研究的 2 分析物体在所研究过程中的受力情况 弄清哪些力做功 做正功还是负功 3 弄清所研究过程的始 末状态 主要指动能 4 根据W 列出方程求解 物理过程 Ek 2 用包括电势能和内能在内的能量守恒定律处理列式的方法常有两种 1 利用初 末状态的能量相等 即E1 E2 列方程 2 利用某些能量的减少等于另一些能量的增加 即 E E 列方程 3 两个结论 1 若带电粒子只在电场力作用下运动 其动能和电势能之和 2 若带电粒子只在重力和电场力作用下运动 其机械能和之和保持不变 保持不变 电势能 研透命题点 1 常见的交变电场常见的产生交变电场的电压波形有方形波 锯齿波 正弦波等 2 常见的题目类型 1 粒子做单向直线运动 一般用牛顿运动定律求解 2 粒子做往返运动 一般分段研究 3 粒子做偏转运动 一般根据交变电场特点分段研究 命题点一带电粒子在交变电场中的运动 能力考点师生共研 3 思维方法 1 注重全面分析 分析受力特点和运动规律 抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征 求解粒子运动过程中的速度 位移 做功或确定与物理过程相关的边界条件 2 从两条思路出发 一是力和运动的关系 根据牛顿第二定律及运动学规律分析 二是功能关系 3 注意对称性和周期性变化关系的应用 例1如图1 a 所示 两平行正对的金属板A B间加有如图 b 所示的交变电压 一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处 若在t0时刻释放该粒子 粒子会时而向A板运动 时而向B板运动 并最终打在A板上 则t0可能属于的时间段是 答案 解析 图1 变式1如图2所示 A B两金属板平行放置 在t 0时将电子从A板附近由静止释放 电子的重力忽略不计 分别在A B两板间加上下列哪种电压时 有可能使电子到不了B板 答案 图2 变式2 多选 2015 山东理综 20 如图3甲所示 两水平金属板间距为d 板间电场强度的变化规律如图乙所示 t 0时刻 质量为m的带电微粒以初速度v0沿中线射入两板间 0 时间内微粒匀速运动 T时刻微粒恰好经金属板边缘飞出 微粒运动过程中未与金属板接触 重力加速度的大小为g 关于微粒在0 T时间内运动的描述 正确的是A 末速度大小为B 末速度沿水平方向C 重力势能减少了mgdD 克服电场力做功为mgd 答案 解析 图3 1 等效重力法将重力与电场力进行合成 如图4所示 则F合为等效重力场中的 重力 g 为等效重力场中的 等效重力加速度 F合的方向等效为 重力 的方向 即在等效重力场中的竖直向下方向 命题点二用 等效法 处理带电粒子在电场和重力场中的运动 思想方法 能力考点师生共研 图4 2 物理最高点与几何最高点在 等效力场 中做圆周运动的小球 经常遇到小球在竖直平面内做圆周运动的临界速度问题 小球能维持圆周运动的条件是能过最高点 而这里的最高点不一定是几何最高点 而应是物理最高点 几何最高点是图形中所画圆的最上端 是符合人眼视觉习惯的最高点 而物理最高点是物体在圆周运动过程中速度最小 称为临界速度 的点 例2如图5所示 半径为r的绝缘光滑圆环固定在竖直平面内 环上套有一质量为m 带电荷量为 q的珠子 现在圆环平面内加一个匀强电场 使珠子由最高点A从静止开始释放 AC BD为圆环的两条互相垂直的直径 要使珠子沿圆弧经过B C刚好能运动到D 重力加速度为g 1 求所加电场的场强最小值及所对应的场强的方向 答案 解析 答案见解析 图5 解析根据题述 珠子运动到BC弧中点M时速度最大 作过M点的直径MN 设电场力与重力的合力为F 则其方向沿NM方向 分析珠子在M点的受力情况 由图可知 当F电垂直于F时 F电最小 最小值为 2 当所加电场的场强为最小值时 求珠子由A到达D的过程中速度最大时对环的作用力大小 答案 解析 答案见解析 把电场力与重力的合力看做是 等效重力 对珠子由A运动到M的过程 由动能定理得 由牛顿第三定律知 珠子对环的作用力大小为 3 在 1 问电场中 要使珠子能完成完整的圆周运动 在A点至少应使它具有多大的初动能 答案 解析 答案见解析 解析由题意可知 N点为等效最高点 只要珠子能到达N点 就能做完整的圆周运动 珠子在N点速度为0时 所需初动能最小 此过程中 由动能定理得 F r 0 EkA 变式3 2018 陕西西安质检 如图6所示的装置是在竖直平面内放置的光滑绝缘轨道 处于水平向右的匀强电场中 带负电荷的小球从高为h的A处由静止开始下滑 沿轨道ABC运动并进入圆环内做圆周运动 已知小球所受电场力是其重力的圆环半径为R 斜面倾角为 60 sBC 2R 若使小球在圆环内能做完整的圆周运动 h至少为多少 sin37 0 6 cos37 0 8 答案 解析 答案7 7R 图6 解析小球所受的重力和电场力都为恒力 故可将两力等效为一个力F 如图所示 可知F 1 25mg 方向与竖直方向成37 角 由图可知 小球做完整的圆周运动的临界点是D点 设小球恰好能通过D点 即到达D点时圆环对小球的弹力恰好为零 由圆周运动知识得 小球由A运动到D点 由动能定理结合几何知识得 1 力学规律 1 动力学规律 牛顿运动定律结合运动学公式 2 能量规律 动能定理或能量守恒定律 2 电场规律 1 电场力的特点 F Eq 正电荷受到的电场力与场强方向相同 2 电场力做功的特点 WAB FLABcos qUAB EpA EpB 命题点三电场中的力电综合问题 能力考点师生共研 3 多阶段运动在多阶段运动过程中 当物体所受外力突变时 物体由于惯性而速度不发生突变 故物体在前一阶段的末速度即为物体在后一阶段的初速度 对于多阶段运动过程中物体在各阶段中发生的位移之间的联系 可以通过作运动过程草图来获得 例3 2017 全国卷 25 真空中存在电场强度大小为E1的匀强电场 一带电油滴在该电场中竖直向上做匀速直线运动 速度大小为v0 在油滴处于位置A时 将电场强度的大小突然增大到某值 但保持其方向不变 持续一段时间t1后 又突然将电场反向 但保持其大小不变 再持续同样一段时间后 油滴运动到B点 重力加速度大小为g 1 求油滴运动到B点时的速度 答案 解析 答案见解析 解析油滴带电性质不影响结果 设该油滴带正电 油滴质量和电荷量分别为m和q 油滴速度方向向上为正 油滴在电场强度大小为E1的匀强电场中做匀速直线运动 故匀强电场方向向上 在t 0时 电场强度突然从E1增加至E2 油滴做竖直向上的匀加速运动 加速度方向向上 大小a1满足qE2 mg ma1 油滴在t1时刻的速度为v1 v0 a1t1 电场强度在t1时刻突然反向 之后油滴做匀变速直线运动 加速度方向向下 大小a2满足qE2 mg ma2 油滴在t2 2t1时刻 即运动到B点时的速度为v2 v1 a2t1 由 式得v2 v0 2gt1 2 求增大后的电场强度的大小 为保证后来的电场强度比原来的大 试给出相应的t1和v0应满足的条件 已知不存在电场时 油滴以初速度v0做竖直上抛运动的最大高度恰好等于B A两点间距离的两倍 解析 答案 答案见解析 解析由题意 在t 0时刻前有qE1 mg 油滴从t 0到t1时刻的位移为x1 v0t1 a1t12 油滴在从t1时刻到t2 2t1时刻的时间间隔内的位移为x2 v1t1 a2t12 由题给条件有v02 2g 2h 4gh 式中h是B A两点之间的距离 若B点在A点之上 依题意有x1 x2 h 由 式得 条件 式和 式分别对应于v2 0和v2 0两种情形 若B在A点之下 依题意有x2 x1 h 由 式得 另一解为负 不符合题意 舍去 变式4 2017 全国卷 25 如图7所示 两水平面 虚线 之间的距离为H 其间的区域存在方向水平向右的匀强电场 自该区域上方的A点将质量均为m 电荷量分别为q和 q q 0 的带电小球M N先后以相同的初速度沿平行于电场的方向射出 小球在重力作用下进入电场区域 并从该区域的下边界离开 已知N离开电场时的速度方向竖直向下 M在电场中做直线运动 刚离开电场时的动能为N刚离开电场时的动能的1 5倍 不计空气阻力 重力加速度大小为g 求 1 M与N在电场中沿水平方向的位移之比 答案3 1 图7 答案 解析 解析设小球M N在A点水平射出时的初速度大小为v0 则它们进入电场时的水平速度仍然为v0 M N在电场中运动的时间t相等 电场力作用下产生的加速度沿水平方向 大小均为a 在电场中沿水平方向的位移分别为s1和s2 由题给条件和运动学公式得v0 at 0 2 A点距电场上边界的高度 答案 解析 解析设A点距电场上边界的高度为h 小球下落h时在竖直方向的分速度为vy 由运动学公式vy2 2gh M进入电场后做直线运动 由几何关系知 3 该电场的电场强度大小 答案 解析 解析设电场强度的大小为E 小球M进入电场后做直线运动 则 设M N离开电场时的动能分别为Ek1 Ek2 由动能定理得 由已知条件Ek1 1 5Ek2 联立 式得 变式5如图8所示 在E 103V m的竖直匀强电场中 有一光滑半圆形绝缘轨道QPN与一水平绝缘轨道MN在N点平滑相接 半圆形轨道平面与电场线平行 其半径R 40cm N为半圆形轨道最低点 P为QN圆弧的中点 一带负电q 10 4C的小滑块质量m 10g 与水平轨道间的动摩擦因数 0 15 位于N点右侧1 5m的M处 g取10m s2 求 1 要使小滑块恰能运动到半圆形轨道的最高点Q 则小滑块应以多大的初速度v0向左运动 答案 解析 答案7m s 图8 解析设小滑块恰能到达Q点时速度为v 小滑块从开始运动至到达Q点过程中 由动能定理得 联立解得 v0 7m s 2 这样运动的小滑块通过P点时对轨道的压力是多大 答案0 6N 解析设小滑块到达P点时速度为v 则从开始运动至到达P点过程中 由动能定理得 代入数据 解得 FN 0 6N由牛顿第三定律得 小滑块通过P点时对轨道的压力FN FN 0 6N 答案 解析 课时作业 1 2017 河南中原名校第二次联考 如图1所示 在两平行金属板中央有一个静止的电子 不计重力 当两板间的电压分别如图2中甲 乙 丙 丁所示 电子在板间运动 假设不与板相碰 下列说法正确的是 答案 解析 A 电压是甲图时 在0 T时间内 电子的电势能一直减少B 电压是乙图时 在0 时间内 电子的电势能先增加后减少C 电压是丙图时 电子在板间做往复运动D 电压是丁图时 电子在板间做往复运动 图1 图2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析若电压是甲图 0 T时间内 电场力先向左后向右 则电子先向左做匀加速直线运动 后做匀减速直线运动 即电场力先做正功后做负功 电势能先减少后增加 故A错误 电压是乙图时 在0 时间内 电子向右先加速后减速 即电场力先做正功后做负功 电势能先减少后增加 故B错误 电压是丙图时 电子先向左做加速度先增大后减小的加速运动 过了做加速度先增大后减小的减速运动 到T时速度减为0 之后重复前面的运动 故电子一直朝同一方向运动 C错误 电压是丁图时 电子先向左加速 到后向左减速 后向右加速 后向右减速 T时速度减为零 之后重复前面的运动 故电子做往复运动 D正确 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 2 将如图3所示的交变电压加在平行板电容器A B两板上 开始B板电势比A板电势高 这时有一个原来静止的电子正处在两板的中间 它在电场力作用下开始运动 设A B两极板间的距离足够大 下列说法正确的是A 电子一直向着A板运动B 电子一直向着B板运动C 电子先向A板运动 然后返回向B板运动 之后在A B两板间做周期性往复运动D 电子先向B板运动 然后返回向A板运动 之后在A B两板间做周期性往复运动 6 7 8 9 答案 图3 1 2 3 4 5 3 一匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象如图4所示 在该匀强电场中 有一个带负电粒子于t 0时刻由静止释放 若带电粒子只受电场力作用 则下列说法中正确的是 假设带电粒子不与板相碰 A 带电粒子只向一个方向运动B 0 2s内 电场力做功等于0C 4s末带电粒子回到原出发点D 2 5 4s内 电场力做功等于0 6 7 8 9 答案 解析 图4 1 2 3 4 5 解析画出带电粒子速度v随时间t变化的图象如图所示 6 7 8 9 v t图线与时间轴所围 面积 表示位移 可见带电粒子不是只向一个方向运动 4s末带电粒子不能回到原出发点 A C错误 2s末速度不为0 可见0 2s内电场力做的功不等于0 B错误 2 5s末和4s末 速度的大小 方向都相同 则2 5 4s内 电场力做功等于0 所以D正确 1 2 3 4 5 4 如图5所示 在竖直向上的匀强电场中 一根不可伸长的绝缘细绳的一端系着一个带电小球 另一端固定于O点 小球在竖直平面内做匀速圆周运动 最高点为a 最低点为b 不计空气阻力 则下列说法正确的是A 小球带负电B 电场力跟重力平衡C 小球在从a点运动到b点的过程中 电势能减小D 小球在运动过程中机械能守恒 6 7 8 9 答案 解析 图5 1 2 3 4 5 解析由于小球在竖直平面内做匀速圆周运动 所以重力与电场力的合力为0 电场力方向竖直向上 小球带正电 A错 B对 从a b 电场力做负功 电势能增大 C错 由于有电场力做功 机械能不守恒 D错 6 7 8 9 1 2 3 4 5 5 多选 2017 河北唐山一模 如图6所示 竖直平面内有A B两点 两点的水平距离和竖直距离均为H 空间存在水平向右的匀强电场 一质量为m的带电小球从A点以水平速度v0抛出 经一段时间竖直向下通过B点 重力加速度为g 小球在由A到B的运动过程中 下列说法正确的是 6 7 8 9 答案 解析 A 小球带负电B 速度先增大后减小C 机械能一直减小D 任意一小段时间内 电势能的增加量总等于重力势能的减少量 图6 1 2 3 4 5 解析由题可知 小球在竖直方向做自由落体运动 在水平方向做匀减速运动 可知其所受电场力方向向左 与电场方向相反 则小球带负电 电场力一直对小球做负功 小球的电势能增加 机械能减小 A C正确 小球受竖直向下的重力和水平向左的电场力 合力方向指向左下方 又初速度水平向右 末速度竖直向下 由力与速度夹角关系可知 合力对小球先做负功 后做正功 小球的速度先减小后增大 B错误 任意一小段时间内 小球的动能 电势能和重力势能的和保持不变 则电势能的增加量不一定等于重力势能的减少量 D错误 6 7 8 9 6 2017 河南郑州第一次联考 如图7甲所示 在y 0和y 2m之间有沿着x轴方向的匀强电场 MN为电场区域的上边界 在x轴方向范围足够大 电场强度的变化如图乙所示 取x轴正方向为电场正方向 现有一个带负电的粒子 粒子的比荷 1 0 10 2C kg 在t 0时刻以速度v0 5 102m s从O点沿y轴正方向进入电场区域 不计粒子重力作用 求 1 粒子通过电场区域的时间 答案 解析 答案4 10 3s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图7 解析因为粒子初速度方向垂直于匀强电场 在电场中做类平抛运动 所以粒子通过电场区域的时间t 4 10 3s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 粒子离开电场的位置坐标 答案 解析 答案 2 10 5m 2m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 粒子通过电场区域后沿x轴方向的速度大小 答案 解析 答案4 10 3m s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析粒子通过电场区域后沿x轴方向的速度大小为 7 2018 江西宜春调研 如图8所示 O A B C为一粗糙绝缘水平面上的四点 不计空气阻力 一电荷量为 Q的点电荷固定在O点 现有一质量为m 电荷量为 q的小金属块 可视为质点 从A点由静止沿它们的连线向右运动 到B点时速度最大 其大小为vm 小金属块最后停止在C点 已知小金属块与水平面间的动摩擦因数为 A B间距离为L 静电力常量为k 则A 在点电荷 Q形成的电场中 A B两点间的电势差UAB B 在小金属块由A向C运动的过程中 电势能先增大后减小C OB间的距离为D 从B到C的过程中 小金属块的动能全部转化为电势能 答案 解析 图8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小金属块由A点向C点运动的过程中 电场力一直做正功 电势能一直减小 故B错误 1 2 3 4 5 6 7 8 9 从B到C的过程中 小金属块的动能和减少的电势能全部转化为内能 故D错误 8 如图9所示 匀强电场方向与水平线间夹角 30 方向斜向右上方 电场强度为E 质量为m的小球带负电 以初速度v0开始运动 初速度方向与电场方向一致 1 若小球的带电荷量为q 为使小球能做匀速直线运动 应对小球施加的恒力F1的大小和方向各如何 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图9 解析如图甲所示 为使小球做匀速直线运动 必使其合外力为0 设对小球施加的力F1与水平方向夹角为 则F1cos qEcos F1sin mg qEsin 代入数据解得 60 F1 即恒力F1与水平线成60 角斜向右上方 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 若小球的带电荷量为q 为使小球能做直线运动 应对小球施加的最小恒力F2的大小和方向各如何 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析为使小球能做直线运动 则小球所受合力的方向必和运动方向在一条直线上 故要使力F2和mg的合力和电场力在一条直线上 如图乙 当F2取最小值时 F2垂直于F 故F2 mgsin60 方向与水平线成60 角斜向左上方 9 如图10所示 光滑水平轨道与半径为R的光滑竖直半圆轨道在B点平滑连接 在过圆心O的水平界面MN的下方分布有水平向右的匀强电场 现有一质量为m 电荷量为 q的小球从水平轨道上A点由静止释放 小球运动到C点离开圆轨道后 经界面MN上的P点进入电场 P点恰好在A点的正上方 小球可视为质点 小球运动到C点之前电荷量保持不变 经过C点后电荷量立即变为零 已知A B间距离为2R 重力加速度为g 在上述运动过程中 求 1 电场强度E的大小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图10 答案 解析 解析设小球过C点时速度大小为vC 小球从A到C由动能定理知 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小球离开C点后做平抛运动到P点 有 2R vCt 2 小球在圆轨道上运动时的最大速率 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析设小球运动到圆轨道D点时速度最大 设最大速度为v 此时OD与竖直线OB夹角设为 小球从A点运动到D点的过程 根据动能定理知 根据数学知识可知 当 45 时动能最大 由此可得 3 小球对圆轨道的最大压力的大小 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析由 2 中知 由于小球在D点时速度最大且电场力与重力的合力恰好背离半径方向 故小球在D点时对圆轨道的压力最大 设此压力大小为F 由牛顿第三定律可知小球在D点受到的轨道的弹力大小也为F 在D点对小球进行受力分析 并建立如图所示坐标系 由牛顿第二定律知