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1、专题复习带电粒子 在电磁场中的运动,庞留根 吕叔湘中学 2007年7月 http:/ Email: ,一、考点剖析 二、知识结构 知识,方法,应用 三、复习精要 2007年理综山东卷25 07届广东省惠阳市综合测试卷三18 2007年天津理综卷25 2007年高考广东卷19 2004年全国卷24 07届南京市综合检测题（二）11 06年12月广州市X科统考卷18 2007年理综全国卷 25 07年1月山东潍坊市期末统考16 2007年高考广东卷20,带电粒子在电磁场中的运动,带电粒子在电场中的运动比物体在重力场中的运动要丰富得多，它与运动学、动力学、功和能、动量等知识联系紧密，加之电场力的大小
2、、方向灵活多变，功和能的转化关系错综复杂，其难度比力学中的运动要大得多。 带电粒子在磁场中的运动涉及的物理情景丰富，解决问题所用的知识综合性强，很适合对能力的考查，是高考热点之一。带电粒子在磁场中的运动有三大特点：与圆周运动的运动学规律紧密联系运动周期与速率大小无关轨道半径与圆心位置的确定与空间约束条件有关，呈现灵活多变的势态。因以上三大特点，很易创造新情景命题，故为高考热点，近十年的高考题中，每年都有，且多数为大计算题。,一、考点剖析：,带电粒子在复合电磁场中的运动：若空间中同时同区域存在重力场、电场、磁场，则使粒子的受力情况复杂起来；若不同时不同区域存在，则使粒子的运动情况或过程复杂起来，
3、相应的运动情景及能量转化更加复杂化，将力学、电磁学知识的转化应用推向高潮。 该考点为高考命题提供了丰富的情景与素材，为体现知识的综合与灵活应用提供了广阔的平台，是高考命题热点之一。,二、知识结构,带电粒子在电磁场中的运 动,在电场中的运动,直线运动：,如用电场加速或减速粒子,偏转：,类平抛运动，一般分解成两个分运动,匀速圆 周运动：,以点电荷为圆心运动或受装置约束,在磁场中的运动,直线运动：,带电粒子的速度与磁场平行时,匀速圆 周运动：,带电粒子的速度与磁场垂直时,在复合场中的运 动,直线运动：,垂直运动方向的力必定平衡,匀速圆 周运动：,重力与电场力一定平衡， 由洛伦兹力提供向心力,一般的曲
4、线运动：,知识 方法 应用,运动电荷的受力情况 仅在电场力作用下 仅在磁场力作用下 在复合场力作用下,电荷的曲线运动情况 类平抛运动 圆周运动 多过程运动,运用的知识和方法 三种场力的知识 运动学公式 运动的合成与分解 三大力学规律 圆的几何知识 边界条件的寻找和隐含条件的挖掘,实际应用 示波器 回旋加速器 质谱仪 显像管,三、复习精要：,1、带电粒子在电场中的运动,(1) 带电粒子的加速,由动能定理 1/2 mv2=qU,(2) 带电粒子的偏转,带电粒子在初速度方向做匀速运动 L=v0t t=L/ v0,带电粒子在电场力方向做匀加速运动F=qE a=qE/m,带电粒子通过电场的侧移,偏向角,
5、(3)处理带电粒子在电场中的运动问题的一般步骤：,分析带电粒子的受力情况，尤其要注意是否要考虑重力、电场力是否是恒力等,分析带电粒子的初始状态及条件，确定粒子是作直线运动还是曲线运动,建立正确的物理模型，进而确定解题方法,利用物理规律或其它解题手段（如图像等）找出物理量间的关系，建立方程组,2、带电粒子在磁场中的运动,带电粒子的速度与磁感应线平行时, 能做匀速直线运动；,当带电粒子以垂直于匀强磁场的方向入射，受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动。当带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛仑兹力充当向心力时，其余各力的合力一定为零.,带电粒子在磁场中的运动常因各种原因形成多解，通常原因有： 带电粒子的电性及
6、磁场方向的不确定性， 粒子运动方向的不确定性及运动的重复性， 临界状态的不唯一性等。,3.带电粒子在复合场中的运动,当带电粒子在电磁场中作多过程运动时,关键是掌握基本运动的特点和寻找过程的边界条件.,当带电粒子做电磁场中运动时，电场力和重力可能做功,而洛仑兹力始终不做功.,带电粒子在复合场中的运动，其本质是力学问题，应按力学的基本思路，运用力学的基本规律研究和解决此类问题。,2007年理综山东卷25,25飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析。如图所示，在真空状态下，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价位的正离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的
7、偏转控制区，到达探测器。已知元电荷电量为e，a、b板间距为d，极板M、N的长度和间距均为L。不计离子重力及进入a板时的初速度。,（1）当a、b间的电压为U1时，在M、N间加上适当的电压U2，使离子到达探测器。请导出离子的全部飞行时间与比荷K（K=ne/m）的关系式。,（1）解：,由动能定理：,n价正离子在a、b间的加速度,在a、b间运动的时间,在MN间运动的时间：t2=L/v,离子到达探测器的时间：,（2）去掉偏转电压U2，在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B，若进入a、b间所有离子质量均为m，要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出，a、b间的加速电压U1至少为多少？,（2）解
8、：,假定n价正离子在磁场中向N板偏转，洛仑兹力充当向心力，设轨迹半径为R，由牛顿第二定律,离子刚好从N板右侧边缘穿出时，由几何关系：,由以上各式得：,当n=1时U1取最小值,题目,07届广东省惠阳市综合测试卷三18,18.如图1所示，一平行板电容器带电量为Q，固定在绝缘底座上，两极板竖直放置，整个装置静止在光滑的水平面上，板间距离为d，一质量为m、带电量为+q的弹丸以一定的初速度从一极板间中点的小孔射入电容器中（弹丸的重力不计，设电容器周围的电场强度为零）设弹丸在电容器中最远运动到P点，弹丸的整个运动的过程中的vt图像如图2所示，根据力学规律和题中（包括图像）所提供的信息，对反映电容器及其系统
9、的有关物理量（例如电容器及底座的总质量），及系统在运动 过程中的守恒量,你能 求得哪些定量的结果？,2页,题目,3页,末页,分析：此题的vt图像蕴味深刻，提供的信息也丰富多彩，由图2可知，在0t1内弹丸在电场力作用下先向左做匀减速直线运动,速度减为零后，再向右做匀加速直线运动，t1后弹丸开始匀速运动，由弹丸0t1的运动情况可知，弹丸速度为零时已到P点；t1后弹丸做匀速直线运动，弹丸不再受电场力,说明弹丸已离开电容器，故可知弹丸离开电容器的速度为v1，纵观图2，0t1内，图像的斜率表示弹丸的加速度， 根据以上信息可解答如下：,2页,题目,3页,末页,解：,（1）由vt图像可得弹丸的加速度,设电场
10、强度为E，由牛顿第二定律得,Eq=ma ,电容器电压 UEd ,电容器电容,由、式得,2页,题目,3页,末页,（2）设电容器最后速度v, 电容器及底座总质量为M，,由电容器、弹丸动量守恒得,mv0Mvmv1 ,由电容器、弹丸能量守恒得,由、式得,vv0v1,根据题意可得，弹丸及电容器的总能量,图2把弹丸的运动过程表现得淋漓尽致，使弹丸的运动情况尽在不言中，而能否准确地从图中捕捉信息，就充分体现学生的洞察能力、分析思维能力。巧用v-t图像，可以使物理问题化繁为简，化难为易。,2页,题目,3页,末页,2007年天津理综卷25,25（22分）离子推进器是新一代航天动力装置，可用于卫星姿态控制和轨道修
11、正。推进剂从图中P处注入，在A处电离出正离子，BC之间加有恒定电压，正离子进入B时的速度忽略不计，经加速后形成电流为I的离子束后喷出。已知推进器获得的推力为F，单位时间内喷出的离子质量为J 。为研究问题方便，假定离子推进器在太空中飞行时不受其他外力，忽略推进器运动速度。 .求加在BC间的电压U ； .为使离子推进器正常运行， 必须在出口D处向正离子束注 入电子，试解释其原因。,解：, 设一个正离子的质量为m ，电荷量为q ，加速后的速度为v ，根据动能定理，有,设离子推进器在t时间内喷出质量为M的正离子，并以其为研究对象，推进器对M的作用力为F，由动量定理，有,Ft= M v ,由牛顿第三定律
12、知F = F ,设加速后离子束的横截面积为S ，单位体积内的离子数为n ，则有,I = n q v S ,J =n m v S ,由、可得,解得,推进器持续喷出正离子束，会使带有负电荷的电子留在其中，由于库仑力作用将严重阻碍正离子的继续喷出。电子积累足够多时，甚至会将喷出的正离子再吸引回来，致使推进器无法正常工作。因此，必须在出口D处发射电子注入到正离子束，以中和正离子，使推进器获得持续推力。,题目,2007年高考广东卷19,19（17分）如图16所示，沿水平方向放置一条平直光滑槽，它垂直穿过开有小孔的两平行薄板，板相距3.5L。槽内有两个质量均为m的小球A和B，球A带电量为+2q，球B带电量
13、为-3q，两球由长为2L的轻杆相连，组成一带电系统。最初A和B分别静止于左板的两侧，离板的距离均为L。若视小球为质点，不计轻杆的质量，在两板间加上与槽平行向右的匀强电场E后（设槽和轻杆由特殊绝缘材料制成，不影响电场的分布），求： （1）球B刚进入电场时，带电系统的速度大小； （2）带电系统从开始运动到 速度第一次为零所需的时间 及球A相对右板的位置。,2页,题目,3页,末页,解:,对带电系统进行分析，假设球A能达到右极板，电场力对系统做功为W1，有：,可见A还能穿过小孔，离开右极板。,假设球B能达到右极板，电场力对系统做功为W2，有：,综上所述，带电系统速度第一次为零时，球A、B应分别在右极板
14、两侧。,带电系统开始运动时,设加速度为a1，由牛顿第二定律:,球B刚进入电场时，带电系统的速度为v1，有：,求得：,2页,题目,3页,末页,设球B从静止到刚进入电场的时间为t1，则：,解得：,球B进入电场后，带电系统的加速度为a2，由牛顿第二定律：,显然，带电系统做匀减速运动。设球A刚达到右极板时的速度为v2，减速所需时间为t2，则有：,求得：,2页,题目,3页,末页,球A离电场后，带电系统继续做减速运动，设加速度为a3，再由牛顿第二定律：,设球A从离开电场到静止所需的时间为t3，运动的位移为x，则有：,求得：,可知,带电系统从静止到速度第一次为零所需的时间为:,球A相对右板的位置为：,2页,
15、题目,3页,末页,24（18分）如图所示，在y0的空间中存在匀强电场，场强沿y轴负方向；在y0的空间中，存在匀强磁场，磁场方向垂直xy平面（纸面）向外。一电量为q、质量为m的带正电的运动粒子，经过y轴上yh处的点P1时速率为v0，方向沿x轴正方向；然后，经过x轴上x2h处的 P2点进入磁场，并经过y轴 上y-2h处的P3点。不计重力。求 （l）电场强度的大小。 （2）粒子到达P2时速度的大小和方向。 （3）磁感应强度的大小。,2004年全国卷24、,解 :,(1) P1到P2做平抛运动：,h=1/2 at2 2h=v0t qE=ma,解得E= mv022qh,(2) vy2=2ah=2qEhm= v02,vy=v0 vx=v0,=45,(3) P2到P3做匀速圆周运动,圆心在P2P3的中点,如图示,由qBv=mv2 /r 得r =mv0qB,由几何关系, B = mv0qh,点评：,1、当带电粒子做匀速圆周运动，洛仑兹力充当向心力时，其余各力的合力一定为零.,2、当带电粒子在电磁场中作多过程运动时,关键是掌握基本运动的特点和寻找过程间的边界关联关系.,3、当带电粒子在电磁场中运动时，重力和电场力可能做功，但洛仑兹力始终不做功。,题目,07届南京市综合检
