《（全国通用版）2019版高考物理大一轮复习 第九章 磁场 第26讲 带电粒子在复合场中的运动学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（全国通用版）2019版高考物理大一轮复习 第九章 磁场 第26讲 带电粒子在复合场中的运动学案（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第第 2626 讲讲 带电粒子在复合带电粒子在复合场中的运动场中的运动考纲要求考情分析命题趋势1.带电粒子在复合场中的运动2质谱仪和回旋加速器等科技应用2017江苏卷，152016全国卷，152016江苏卷，15高考对本专题内容的考查主要是以计算题的形式考查带电粒子在复合场中的运动，以选择题的形式考查涉及复合场的科技应用问题，考查学生分析综合能力、理论联系实际能力.1带电粒子在复合场中的运动(1)复合场与组合场复合场：电场、_磁场_、重力场共存，或其中某两场共存组合场：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)三种场的比较项目名称力的特点功
2、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的_重力势能_2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_(3)带电粒子在复合场中的运动分类静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做_匀速直线运动_.匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小_相等_，方向_相反_时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做_匀速
3、圆周_运动较复杂的曲线运动当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上时，粒子做_非匀_变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成2电场、磁场分区域应用实例(1)质谱仪构造：如图甲所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qUmv2.1 2粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvBm.v2 r由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质
4、量、比荷3r_，m_， _.1 B2mU qqr2B2 2Uq m2U B2r2(2)回旋加速器构造：如图乙所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速由qvB，得Ekm_，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形mv2 rq2B2r2 2m盒半径r决定，与加速电压无关3电场、磁场同区域并存的实例装置原理图规 律速度选择器若qv0BqE，即v0_ _，粒子做_匀E B速直线_运动磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹
5、力偏转，使两极板带电，当qqv0B时，两极板间能达到U d最大电势差U_Bv0d_电磁流量计当qqvB时，有v_，流量U dU BdQSv_dU 4B霍尔效应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_，这种现象称为霍尔效应1判断正误(1)利用回旋加速器可以将带电粒子的速度无限制地增大( )(2)粒子能否通过速度选择器，除与速度有关外，还与粒子的带电正负有关( )4(3)磁流体发电机中，根据左手定则，可以确定正、负粒子的偏转方向，从而确定正、负极或电势高低( )(4)带电粒子在复合场中受洛伦兹力情况下的直线运动一定
6、为匀速直线运动( )(5)质谱仪是一种测量带电粒子质量并分析同位素的仪器( )2(多选)如图所示，一带电小球在一正交电场、磁场区域里做匀速圆周运动，电场方向竖直向下，磁场方向垂直纸面向里，则下列说法正确的是( BCBC )A小球一定带正电B小球一定带负电C小球的绕行方向为顺时针D改变小球的速度大小，小球将不做圆周运动3如图所示，一束粒子(不计重力，初速度可忽略)缓慢通过小孔O1进入极板间电压为U的水平加速电场区域，再通过小孔O2射入相互正交的恒定匀强电场、磁场区域，其中磁场的方向如图所示，磁感应强度大小可根据实际要求调节，收集室的小孔O3与O1、O2在同一条水平线上则收集室收集到的是( B B
7、 )A具有特定质量和特定比荷的粒子B具有特定速度和特定比荷的粒子C具有特定质量和特定速度的粒子D具有特定动能和特定比荷的粒子一 带电粒子在组合场中的运动问题带电粒子在组合场中的运动问题为高考热点，考查学生对带电粒子在先后出现(或交替出现)的电磁场中的运动分析、性质判断及综合计算能力1是否考虑粒子重力的三种情况(1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略，而对于一些宏观物体，如带电小球、液滴、金属块等一般应当考虑其重力5(2)在题目中有明确说明是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单(3)不能直接判断是否要考虑重力的，在进行受力分析与运动
8、分析时，要由分析结果确定是否要考虑重力2带电粒子在组合场中运动，要分段处理，对匀强电场中的匀变速直线运动或类平抛运动，可由牛顿定律及运动学公式求解，对匀强磁场中的匀速圆周运动，要结合几何知识，确定圆心及半径，从而确定磁感应强度和圆心角或时间，确定从电场进入磁场的速度的大小、方向及两场交界处轨迹的几何关系，是解决问题的关键解决带电粒子在组合场中运动问题的思路方法例 1(2017天津卷)平面直角坐标系xOy中，第象限存在垂直于平面向里的匀强磁场，第象限存在沿y轴负方向的匀强电场，如图所示一带负电的粒子从电场中的Q点以速度v0沿x轴正方向开始运动，Q点到y轴的距离为到x轴距离的 2 倍粒子从坐标原点
9、O离开电场进入磁场，最终从x轴上的P点射出磁场，P点到y轴距离与Q点到y轴距离相等不计粒子重力，问：(1)粒子到达O点时速度的大小和方向；(2)电场强度和磁感应强度的大小之比解析 (1)在电场中，粒子做类平抛运动，设Q点到x轴距离为L，到y轴距离为 2L，粒子的加速度为a，运动时间为t，有2Lv0t， Lat2. 1 2设粒子到达O点时沿y轴方向的分速度为vy，vyat. 6设粒子到达O点时速度方向与x轴正方向夹角为，有tan ， vy v0联立式得45， 即粒子到达O点时速度方向与x轴正方向成 45角斜向上设粒子到达O点时速度大小为v，由运动的合成有v， v2 0v2y联立式得vv0. 2(
10、2)设电场强度为E，粒子电荷量为q，质量为m，粒子在电场中受到的电场力为F，由牛顿第二定律可得Fma， 又FqE， 设磁场的磁感应强度大小为B，粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R，所受的洛伦兹力提供向心力，有qvBm， v2 R10由几何关系可知RL， 2联立式得 .10E Bv0 2答案 (1)v0 速度方向与x轴正方向成 45角斜向上2(2)v0 2二 带电粒子在复合场中的运动问题带电粒子在复合场中的运动问题是历年高考命题的热点，覆盖面大，综合性强，难度大，能力要求高，以计算题呈现，有时也有选择题1带电粒子在复合场中无约束情况下的运动主要是以下几种形式复合场组成可能的运动形式磁场、重力场
11、并存若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动若重力和洛伦兹力不平衡，则带电体将做复杂的曲线运动，因F洛不做功，故机械能守恒，由此可求解问题电场、磁场并存(不计若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动7微观粒子的重力)若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电体做复杂的曲线运动，因F洛不做功，可用动能定理求解问题电场、磁场、重力场并存若三力平衡，带电体一定做匀速直线运动若重力与电场力平衡，带电体一定做匀速圆周运动若合力不为零且与速度方向不垂直，带电体将做复杂的曲线运动，因F洛不做功，可用能量守恒定律或动能定理求解问题2分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其受力情况随区域发生变
12、化，则其运动过程由几种不同的运动阶段组成例 2如图所示，空间区域、存在匀强电场和匀强磁场，MN、PQ为磁场区域的理想边界，区域高度为d，区域的高度足够大匀强电场方向竖直向上；、区域磁场的磁感应强度均为B，方向分别垂直纸面向里和向外一个质量为m，电荷量为q的带电小球从磁场上方的O点由静止开始下落，进入电磁场区域后，恰能做匀速圆周运动已知重力加速度为g.(1)试判断小球的电性并求出电场强度E的大小；(2)若带电小球运动一定时间后恰能回到O点，在图中作出小球的运动轨迹；求出释放时距MN的高度h，并求出小球从开始释放到第一次回到O点所经历的时间t；(3)试讨论h取不同值时，小球第一次穿出磁场区域的过程
13、中电场力所做的功W.解析 (1)带电小球进入复合场后，恰能做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，重力与电场力平衡，重力竖直向下，电场力竖直向上，即小球带正电由qEmg得E.mg q(2)带电小球在进入磁场区域前做自由落体运动，由机械能守恒有mghmv2，带电小1 2球在磁场中做匀速圆周运动，设半径为R，依牛顿第二定律有qvBm，由于带电小球在v2 R、两个区域运动过程中q、v、B，m的大小不变，故三段圆周运动的半径相同，以三个圆心为顶点的三角形为等边三角形，边长为 2R，内角为 60，轨迹如图甲所示由几何关8系知R，解得h；小球从开始释放到回到O点所经历的时间由两部分d sin 602q2B2d
14、2 3m2g组成，一部分为无电场、磁场区的运动，时间t12；一部分为电磁场区域的运动，时2h g间t2 ，总时间tt1t22.7 62m qB7m 3qB2h g7m 3qB4 3qBd3mg7m 3qB(3)当带电小球在区域做圆周运动的圆弧与PQ相切时，运动轨迹如图乙所示，有半径Rd，解得对应高度h0.讨论：当hh0时，小球进入磁场区域后由下边界PQ第一次穿出磁场区域进入区域，此过程电场力做功WqEd即Wmgd说明：第(3)问讨论对于当hh0时的临界情况不做要求，即电场力做功W0 或者Wmgd均可以答案 (1)正电，E (2)图见解析 hmg q2q2B2d2 3m2gt (3)h时，Wmg
15、d.4 3Bqd3mg7m 3Bqq2B2d2 2m2gq2B2d2 2m2g1(多选)如图所示，匀强磁场方向垂直纸面向里，匀强电场方向竖直向下，有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域不计重力，则( BDBD )A若电子从右向左飞入，电子也沿直线运动B若电子从右向左飞入，电子将向上偏转C若电子从左向右飞入，电子将向下偏转D若电子从左向右飞入，电子也沿直线运动2(2017北京东城区模拟)如图所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为9A、B两束，下列说法中正确的是( C C )A组成A束和B束的离子都带负电B组成A束和B束的离子质量一定不同CA束离子的比荷大于B束离子的比荷D速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外解析 由左手定则知，A、B离子均带正电，选项 A 错误；两束离子经过同一速度选择器后的速度相同，在偏转磁场中，由R可知，半径大的离子对应的比荷小，但离子的mv qB质量不一定相同，故选项 B 错误，C 正确；速度选择器中的磁场方向应垂直纸面向里，选项 D 错误3(2017辽宁三小调研)(多选)如图所示是
