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1、word专题八带电粒子在复合场中的运动考纲解读 1.能分析计算带电粒子在复合场中的运动.2.能够解决速度选择器、磁流体发电机、质谱仪等磁场的实际应用问题1带电粒子在复合场中的直线运动某空间存在水平方向的匀强电场(图中未画出)，带电小球沿如图1所示的直线斜向下由A点沿直线向B点运动，此空间同时存在由A指向B的匀强磁场，如此如下说法正确的答案是()A小球一定带正电图1B小球可能做匀速直线运动C带电小球一定做匀加速直线运动D运动过程中，小球的机械能增大答案CD解析由于重力方向竖直向下，空间存在磁场，且直线运动方向斜向下，与磁场方向一样，故不受洛伦兹力作用，电场力必水平向右，但电场具体方向未知，故不能
2、判断带电小球的电性，选项A错误；重力和电场力的合力不为零，故不可能做匀速直线运动，所以选项B错误；因为重力与电场力的合力方向与运动方向一样，故小球一定做匀加速直线运动，选项C正确；运动过程中由于电场力做正功，故机械能增大，选项D正确2带电粒子在复合场中的匀速圆周运动如图2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，如此如下说法正确的答案是()A小球一定带正电图2B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答案BC解析小球做匀速圆周运动，重力必与电场力平衡，如此电场力方向竖直向上，结合电场方向可知小球一定带负
3、电，A错误，B正确；洛伦兹力充当向心力，由曲线运动轨迹的弯曲方向结合左手定如此可得绕行方向为顺时针方向，C正确，D错误考点梳理一、复合场1复合场的分类(1)叠加场：电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存(2)组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠或相邻或在同一区域，电场、磁场交替出现2三种场的比拟项目名称力的特点功和能的特点重力场大小：Gmg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静电场大小：FqE一样相反电场力做功与路径无关WqU电场力做功改变电势能磁场洛伦兹力FqvB方向可用左手定如此判断洛伦兹力不做功，不改变带电粒子的动能二、带电粒子在复合场中的运动形式1静止
4、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2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圆周运动3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直线上，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4分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的组合场区域，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3质谱仪原理的理解如图3所示是质谱仪的工作原理示意图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器速度选择器内相互正交的匀强
5、磁场和匀强电场的强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场如下表述正确的答案是()A质谱仪是分析同位素的重要工具图3B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小答案ABC解析粒子在题图中的电场中加速，说明粒子带正电，其通过速度选择器时，电场力与洛伦兹力平衡，如此洛伦兹力方向应水平向左，由左手定如此知，磁场的方向应垂直纸面向外，选项B正确；由EqBqv可知，vE/B，选项C正确；粒子打在胶片上的位置到狭缝的距离即为其做匀速圆周运动的直径D，可
6、见D越小，如此粒子的比荷越大，D不同，如此粒子的比荷不同，因此利用该装置可以分析同位素，A正确，D错误4盘旋加速器原理的理解劳伦斯和利文斯设计出盘旋加速器，工作原理示意图如图4所示置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.假如A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响如此如下说法正确的是()图4A质子被加速后的最大速度不可能超过2RfB质子离开盘旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比
7、为1D不改变磁感应强度B和交流电频率f，该盘旋加速器的最大动能不变答案AC解析粒子被加速后的最大速度受到D形盒半径R的制约，因v2Rf，故A正确；粒子离开盘旋加速器的最大动能Ekmmv2m42R2f22m2R2f2，与加速电压U无关，B错误；根据R，Uqmv，2Uqmv，得质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1，C正确；因盘旋加速器的最大动能Ekm2m2R2f2与m、R、f均有关，D错误规律总结带电粒子在复合场中运动的应用实例1质谱仪(1)构造：如图5所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成图5(2)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.粒
8、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.由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷r，m，.2盘旋加速器(1)构造：如图6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(2)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形盒图6半径r决定，与加速电压无关特别提醒这两个实例都应用了带电粒子在电场中加速、在磁场中偏转(匀速圆周运动)的原理3速度选择
9、器(如图7所示)(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qEqvB，即v.图74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(2)根据左手定如此，如图8中的B是发电机正极(3)磁流体发电机两极板间的距离为L，等离子体速度为v，磁场的磁感应强度为B，如此由qEqqvB得两极板间能达到的最大电势图8差UBLv.5电磁流量计工作原理：如图9所示，圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)，在洛伦兹力的作用下横向
10、偏转，a、b间出现电势差，形成电场，当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就图9保持稳定，即：qvBqEq，所以v，因此液体流量QSv.考点一带电粒子在叠加场中的运动1带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类(1)磁场力、重力并存假如重力和洛伦兹力平衡，如此带电体做匀速直线运动假如重力和洛伦兹力不平衡，如此带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒，由此可求解问题(2)电场力、磁场力并存(不计重力的微观粒子)假如电场力和洛伦兹力平衡，如此带电体做匀速直线运动假如电场力和洛伦兹力不平衡，如此带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用动能定理求解问题(3)
11、电场力、磁场力、重力并存假如三力平衡，一定做匀速直线运动假如重力与电场力平衡，一定做匀速圆周运动假如合力不为零且与速度方向不垂直，将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用能量守恒或动能定理求解问题2带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动带电体在复合场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下，常见的运动形式有直线运动和圆周运动，此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况，并注意洛伦兹力不做功的特点，运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果例1如图10所示，带电平行金属板相距为2R，在两板间有垂直纸面向里、磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域 ，与两板与左侧边缘线相切一个带正电的粒子(不计
12、重力)沿两板间中心线O1O2从左侧边缘O1点以某一速度射入，恰沿直线通过圆形磁场区域，并从极板边缘飞出，在极板间运动时间为t0.假如撤去磁场，质子仍从O1点以一样速度射入，如此经时间打到极板上图10(1)求两极板间电压U；(2)假如两极板不带电，保持磁场不变，该粒子仍沿中心线O1O2从O1点射入，欲使粒子从两板左侧间飞出，射入的速度应满足什么条件？解析(1)设粒子从左侧O1点射入的速度为v0，极板长为L，粒子在初速度方向上做匀速直线运动L(L2R)t0，解得L4R粒子在电场中做类平抛运动：L2Rv0aRa()2在复合场中做匀速运动：qqv0B联立各式解得v0，U(2)设粒子在磁场中做圆周运动的
13、轨迹如下列图，设其轨道半径为r，粒子恰好从上极板左边缘飞出时速度的偏转角为，由几何关系可知：45，rrR因为R()2，所以根据牛顿第二定律有qvBm，解得v所以，粒子在两板左侧间飞出的条件为0v答案(1)(2)0v技巧点拨带电粒子(带电体)在叠加场中运动的分析方法1弄清叠加场的组成2进展受力分析3确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合4画出粒子运动轨迹，灵活选择不同的运动规律(1)当带电粒子在叠加场中做匀速直线运动时，根据受力平衡列方程求解(2)当带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动时，应用牛顿定律结合圆周运动规律求解(3)当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解
14、(4)对于临界问题，注意挖掘隐含条件5记住三点：(1)受力分析是根底；(2)运动过程分析是关键；(3)根据不同的运动过程与物理模型，选择适宜的定理列方程求解突破训练1如图11所示，空间存在着垂直纸面向外的水平匀强磁场，磁感应强度为B，在y轴两侧分别有方向相反的匀强电场，电场强度均为E，在两个电场的交界处左侧，有一带正电的液滴a在电场力和重力作用下静止，现从场中某点由静止释放一个带负电的液滴b，当它的运动方向变为水平方向时恰与a相撞，撞后两液滴合为一体，速度减小到原来的一半，并沿x轴正方向做匀速直线运动，已图11知液滴b与a的质量相等，b所带电荷量是a所带电荷量的2倍，且相撞前a、b间的静电力忽略不计(1)求两液滴相撞后共同运动的速度大小；(2)求液滴b开始下落时距液滴a的高度h.答案(1)(2)解析液滴在匀强磁场、匀强电场中运动，同时受到洛伦兹力、电场力和重力作用(1)设液滴a质量为m、电荷量为q，如此液滴b质量为m、电荷量为2q，液滴a平衡时有qEmga、b相撞合为一体时，质量为2m，电荷量为q，速度为v，由题意知处于平衡状态，重力为2mg，方向竖直向下，电场力为qE，方向竖直向上，洛伦兹力方向也竖直向上，因此满足q
