2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第九章 磁場(chǎng)能力課 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)課件.ppt
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能力課帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 熱考點(diǎn) 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析 命題角度1質(zhì)譜儀的原理和分析1 作用測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器 2 原理 如圖1所示 圖1 圖2 答案D 命題角度2回旋加速器的原理和分析 4 回旋加速器的解題思路 1 帶電粒子在縫隙的電場(chǎng)中加速 交變電流的周期與磁場(chǎng)周期相等 每經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)一次 粒子加速一次 2 帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn) 半徑不斷增大 周期不變 最大動(dòng)能與D形盒的半徑有關(guān) 例2 2017 常州模擬 回旋加速器是加速帶電粒子的裝置 其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒 兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng) 使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速 兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 如圖3所示 設(shè)D形盒半徑為R 若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí) 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 高頻交流電頻率為f 則下列說(shuō)法正確的是 A 質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2 fRB 質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小有關(guān)C 高頻電源只能使用矩形交變電流 不能使用正弦式交變電流D 不改變B和f 該回旋加速器也能用于加速 粒子 圖3 答案A 命題角度3霍爾效應(yīng)的原理和分析1 定義 高為h 寬為d的金屬導(dǎo)體 自由電荷是電子 置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中 當(dāng)電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí) 在金屬導(dǎo)體的上表面A和下表面A 之間產(chǎn)生電勢(shì)差 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 此電壓稱為霍爾電壓 2 電勢(shì)高低的判斷 如圖4 金屬導(dǎo)體中的電流I向右時(shí) 根據(jù)左手定則可得 下表面A 的電勢(shì)高 圖4 圖5 答案D 命題角度4速度選擇器 磁流體發(fā)電機(jī) 例4 在如圖6所示的平行板器件中 電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直 一帶電粒子 重力不計(jì) 從左端以速度v沿虛線射入后做直線運(yùn)動(dòng) 則該粒子 圖6 答案B 變式訓(xùn)練 多選 目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī) 如圖7所示表示它的發(fā)電原理 將一束等離子體 即高溫下電離的氣體 含有大量帶正電和負(fù)電的粒子 而從整體來(lái)說(shuō)呈中性 沿圖中所示方向噴射入磁場(chǎng) 磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A B 這時(shí)金屬板上就聚集了電荷 在磁極配置如圖中所示的情況下 下列說(shuō)法正確的是 圖7 A A板帶正電B 有電流從b經(jīng)用電器流向aC 金屬板A B間的電場(chǎng)方向向下D 等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力解析由左手定則 A板帶負(fù)電 則電流從b經(jīng)用電器流向a 金屬板間的電場(chǎng)方向向上 故選項(xiàng)B D正確 答案BD 解決實(shí)際問(wèn)題的一般過(guò)程 常考點(diǎn) 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 命題角度1帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 實(shí)際上是幾個(gè)典型運(yùn)動(dòng)過(guò)程的組合 如 電場(chǎng)中的加速直線運(yùn)動(dòng) 類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng) 磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 因此解決此類(lèi)問(wèn)題要分段處理 找出各段之間的銜接點(diǎn)和相關(guān)物理量 例5 2017 天津理綜 11 平面直角坐標(biāo)系xOy中 第 象限存在垂直于平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 第 象限存在沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng) 如圖8所示 一帶負(fù)電的粒子從電場(chǎng)中的Q點(diǎn)以速度v0沿x軸正方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng) Q點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離為到x軸距離的2倍 粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)O離開(kāi)電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng) 最終從x軸上的P點(diǎn)射出磁場(chǎng) P點(diǎn)到y(tǒng)軸距離與Q點(diǎn)到y(tǒng)軸距離相等 不計(jì)粒子重力 問(wèn) 1 粒子到達(dá)O點(diǎn)時(shí)速度的大小和方向 2 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小之比 圖8 解析 1 在電場(chǎng)中 粒子做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng) 設(shè)Q點(diǎn)到x軸距離為L(zhǎng) 到y(tǒng)軸距離為2L 粒子的加速度為a 運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t 有 設(shè)粒子到達(dá)O點(diǎn)時(shí)沿y軸方向的分速度為vyvy at 2 設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E 粒子電荷量為q 質(zhì)量為m 粒子在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力為F 由牛頓第二定律可得F ma 又F qE 設(shè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R 所受的洛倫茲力提供向心力 有 5步 突破帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 命題角度2帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1 磁場(chǎng)力 重力并存 1 若重力和洛倫茲力平衡 則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng) 2 若重力和洛倫茲力不平衡 則帶電體將做復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng) 因洛倫茲力不做功 故機(jī)械能守恒 2 電場(chǎng)力 磁場(chǎng)力并存 不計(jì)重力 1 若電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡 則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng) 2 若電場(chǎng)力和洛倫茲力不平衡 則帶電體做復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng) 可用動(dòng)能定理求解 3 電場(chǎng)力 磁場(chǎng)力 重力并存 1 若三力平衡 帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng) 2 若重力與電場(chǎng)力平衡 帶電體做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 3 若合力不為零 帶電體可能做復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng) 可用能量守恒定律或動(dòng)能定理求解 例6 2018 廣東惠州一調(diào) 平面OM和水平面ON之間的夾角為30 其橫截面如圖9所示 平面OM和水平面ON之間同時(shí)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 方向垂直于紙面向外 勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向豎直向上 一帶電小球的質(zhì)量為m 帶電荷量為q 帶電小球沿紙面以大小為v0的速度從OM的某點(diǎn)沿左上方射入磁場(chǎng) 速度方向與OM成30 角 帶電小球進(jìn)入磁場(chǎng)后恰好做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 已知帶電小球在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡與ON恰好相切 且?guī)щ娦∏蚰軓腛M上另一點(diǎn)P射出磁場(chǎng) P未畫(huà)出 1 判斷帶電小球帶何種電荷 所加電場(chǎng)強(qiáng)度E為多大 2 帶電小球離開(kāi)磁場(chǎng)的出射點(diǎn)P到兩平面交點(diǎn)O的距離s為多大 3 帶電小球離開(kāi)磁場(chǎng)后繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 能打在左側(cè)豎直的光屏OO 上 求打在光屏上的點(diǎn)到O點(diǎn)的距離 圖9 解析 1 根據(jù)題意知 小球受到的電場(chǎng)力與重力平衡 小球所受的合力等于洛倫茲力 則帶電小球帶正電荷 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析方法 命題角度3帶電粒子在交變電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1 帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)的最小半徑 2 帶電粒子射出電場(chǎng)時(shí)的最大速度 3 帶電粒子打在屏幕上的范圍 圖10 審題指導(dǎo) 第一步 抓關(guān)鍵點(diǎn) 第二步 找突破口 1 要求圓周運(yùn)動(dòng)的最小半徑 由帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式可知 應(yīng)先求最小速度 后列方程求解 2 要求粒子射出電場(chǎng)時(shí)的最大速度 應(yīng)先根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律求出帶電粒子能從極板間飛出所應(yīng)加的板間電壓的范圍 后結(jié)合動(dòng)能定理列方程求解 3 要求粒子打在屏幕上的范圍 應(yīng)先綜合分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡 后結(jié)合幾何知識(shí)列方程求解 解析 1 t 0時(shí)刻射入電場(chǎng)的帶電粒子不被加速 進(jìn)入磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑最小 其運(yùn)動(dòng)的徑跡如圖中曲線 所示 代入數(shù)據(jù) 解得U1 100V在電壓低于100V時(shí) 帶電粒子才能從兩板間射出電場(chǎng) 電壓高于100V時(shí) 帶電粒子打在極板上 不能從兩板間射出 帶電粒子剛好從極板邊緣射出電場(chǎng)時(shí) 速度最大 3 由第 1 問(wèn)計(jì)算可知 t 0時(shí)刻射入電場(chǎng)的粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑rmin d 0 2m 徑跡恰與屏幕相切 設(shè)切點(diǎn)為E E為帶電粒子打在屏幕上的最高點(diǎn) 帶電粒子射出電場(chǎng)時(shí)的速度最大時(shí) 在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑最大 打在屏幕上的位置最低 設(shè)帶電粒子以最大速度射出電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為rmax 打在屏幕上的位置為F 運(yùn)動(dòng)徑跡如圖中曲線 所示 由數(shù)學(xué)知識(shí)可得運(yùn)動(dòng)徑跡的圓心必落在屏幕上 如圖中Q點(diǎn)所示 并且Q點(diǎn)必與M板在同一水平線上 則 帶電粒子打在屏幕上的最低點(diǎn)為F 則 即帶電粒子打在屏幕上O 上方0 2m到O 下方0 18m的范圍內(nèi) 答案 1 0 2m 2 1 414 105m s 3 O 上方0 2m到O 下方0 18m的范圍內(nèi) 解決帶電粒子在交變電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基本思路 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)例拓展 題源一 人教版選修3 1 P100 例題 一個(gè)質(zhì)量為m 電荷量為q的粒子 從容器A下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng) 其初速度幾乎為0 然后經(jīng)過(guò)S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 最后打到照相底片D上 圖3 6 4 圖3 6 4 1 求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率 2 求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 拓展1 2016 全國(guó)卷 15 現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子 其示意圖如圖11所示 其中加速電壓恒定 質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速 經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng) 若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速 為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng) 需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍 此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為 A 11B 12C 121D 144 圖11 解析設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量和電荷量分別為m1 q1 一價(jià)正離子的質(zhì)量和電荷量為m2 q2 對(duì)于任意粒子 在加速電場(chǎng)中 由動(dòng)能定理得 答案D 拓展2 2017 江蘇單科 15 一臺(tái)質(zhì)譜儀的工作原理如圖12所示 大量的甲 乙兩種離子飄入電壓為U0的加速電場(chǎng) 其初速度幾乎為0 經(jīng)加速后 通過(guò)寬為L(zhǎng)的狹縫MN沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 最后打到照相底片上 已知甲 乙兩種離子的電荷量均為 q 質(zhì)量分別為2m和m 圖12中虛線為經(jīng)過(guò)狹縫左 右邊界M N的甲種離子的運(yùn)動(dòng)軌跡 不考慮離子間的相互作用 圖12 1 求甲種離子打在底片上的位置到N點(diǎn)的最小距離x 2 在圖中用斜線標(biāo)出磁場(chǎng)中甲種離子經(jīng)過(guò)的區(qū)域 并求該區(qū)域最窄處的寬度d 3 若考慮加速電壓有波動(dòng) 在 U0 U 到 U0 U 之間變化 要使甲 乙兩種離子在底片上沒(méi)有重疊 求狹縫寬度L滿足的條件 解析 1 設(shè)甲種離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑為r1 3 設(shè)乙種離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑為r2 解題關(guān)鍵幾何關(guān)系的應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 要用到幾何關(guān)系 主要是通過(guò)作輔助線構(gòu)建直角三角形等 利用三角函數(shù) 勾股定理求解 或是通過(guò)作垂線段 切線及對(duì)稱性等求解 圖3 5 8速度選擇器 拓展1如圖13所示 在兩水平極板間存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 電場(chǎng)方向豎直向下 磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里 一帶電粒子以某一速度沿水平直線通過(guò)兩極板 若不計(jì)重力 下列四個(gè)物理量中哪一個(gè)改變時(shí) 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)改變 A 粒子速度的大小B 粒子所帶電荷量C 電場(chǎng)強(qiáng)度D 磁感應(yīng)強(qiáng)度 圖13 解析由題意知 粒子受到電場(chǎng)力和洛倫茲力 做勻速直線運(yùn)動(dòng) 則有qvB qE 即有vB E 改變粒子速度的大小 則洛倫茲力隨之改變 洛倫茲力與電場(chǎng)力不再平衡 粒子的軌跡將發(fā)生改變 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 由vB E知粒子的電荷量改變時(shí) 洛倫茲力與電場(chǎng)力大小同時(shí)改變 兩個(gè)力仍然平衡 故粒子的軌跡不發(fā)生改變 故選項(xiàng)B正確 改變電場(chǎng)強(qiáng)度 電場(chǎng)力將改變 洛倫茲力與電場(chǎng)力不再平衡 粒子的軌跡將發(fā)生改變 故選項(xiàng)C錯(cuò)誤 改變磁感應(yīng)強(qiáng)度 洛倫茲力將改變 洛倫茲力與電場(chǎng)力不再平衡 粒子的軌跡將發(fā)生改變 故選項(xiàng)D錯(cuò)誤 答案B 拓展2 多選 質(zhì)量為m 電荷量為q的微粒以速度v與水平方向成 角從O點(diǎn)進(jìn)入方向如圖14所示的正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)組成的混合場(chǎng)區(qū) 該微粒在電場(chǎng)力 洛倫茲力和重力的共同作用下 恰好沿直線運(yùn)動(dòng)到A 下列說(shuō)法正確的是 圖14 答案AC 拓展3 多選 如圖15所示 一帶電小球在一正交電場(chǎng) 磁場(chǎng)區(qū)域里做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 電場(chǎng)方向豎直向下 磁場(chǎng)方向垂直紙面向里 則下列說(shuō)法正確的是 A 小球一定帶正電B 小球一定帶負(fù)電C 小球的繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針D 改變小球的速度大小 小球?qū)⒉蛔鰣A周運(yùn)動(dòng) 圖15 解析由于小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 有qE mg 電場(chǎng)力方向豎直向上 所以小球一定帶負(fù)電 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 B正確 洛倫茲力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 由左手定則可判定小球繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針 故選項(xiàng)C正確 改變小球速度大小 小球仍做圓周運(yùn)動(dòng) 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 答案BC 拓展4 2017 全國(guó)卷 16 如圖16 空間某區(qū)域存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 電場(chǎng)方向豎直向上 與紙面平行 磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里 三個(gè)帶正電的微粒a b c電荷量相等 質(zhì)量分別為ma mb mc 已知在該區(qū)域內(nèi) a在紙面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) b在紙面內(nèi)向右做勻速直線運(yùn)動(dòng) c在紙面內(nèi)向左做勻速直線運(yùn)動(dòng) 下列選項(xiàng)正確的是 A ma mb mcB mb ma mcC mc ma mbD mc mb ma 圖16 解析由題意知 三個(gè)帶電微粒受力情況 mag qE mbg qE Bqv mcg Bqv qE 所以mb ma mc 故選項(xiàng)B正確 A C D錯(cuò)誤 答案B 復(fù)合場(chǎng)中粒子的特殊運(yùn)動(dòng)帶電粒子在重力場(chǎng) 勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí) 若做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 重力必與電場(chǎng)力平衡 洛倫茲力提供向心力 若做直線運(yùn)動(dòng) 必是勻速直線運(yùn)動(dòng) 合力為零- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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