高考物理一輪總復(fù)習(xí) 專題八 第3講 帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)課件 新人教版.ppt

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第3講帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) 一 復(fù)合場與組合場1 復(fù)合場 共存 或其中 某兩種場共存區(qū)域 電場 磁場 重力場 2 組合場 與 各位于一定的區(qū)域內(nèi) 并不重疊 或在同一區(qū)域內(nèi) 電場 磁場分時(shí)間段或分區(qū)域交替 出現(xiàn) 電場 磁場 3 重力考慮與否分三種情況 很小 忽略 1 對(duì)于微觀粒子 如電子 質(zhì)子 離子等一般不做特殊交代就可以不計(jì)其重力 因?yàn)槠渲亓σ话闱闆r下與電場力或磁場力相比 可以 而對(duì)于一些實(shí)際物體 如帶電小球 液滴 金屬塊等不做特殊交代時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮其重力 2 在題目中有明確交代的是否要考慮重力的 這種情況比較正規(guī) 也比較簡單 3 對(duì)未知的帶電粒子其重力是否可忽略又沒有明確時(shí) 可采用假設(shè)法判斷 假設(shè)重力計(jì)或者不計(jì) 結(jié)合題給條件得出的結(jié)論若與題意相符則假設(shè)正確 否則假設(shè)錯(cuò)誤 二 帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例1 質(zhì)譜儀 1 用途 測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素 2 原理 如圖8 3 1所示 先用電場加速 再進(jìn)入磁場偏 圖8 3 1 2 回旋加速器 1 用途 產(chǎn)生大量高能量帶電粒子 2 原理 如圖8 3 2所示 電場用來對(duì)粒子加速 磁場用來使粒子回旋從而能反復(fù)加速 回旋加速器中所加交變電壓的頻率f與帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的頻率相等 回旋加速器最 度一定的情況下 回旋加速器的半徑R越大 粒子的能量就越大 圖8 3 2 3 速度選擇器 如圖8 3 3所示 圖8 3 3 1 平行板中電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相垂直 這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來 所以叫做速度選擇器 2 帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是qE qvB 即v 與粒子的電性 電荷量和質(zhì)量無關(guān) 4 磁流體發(fā)電機(jī) 1 磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù) 它可以把內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為 電能 正 2 根據(jù)左手定則 如圖8 3 4所示的B板是發(fā)電機(jī) 極 圖8 3 4 3 磁流體發(fā)電機(jī)兩極板間的距離為l 等離子體速度為v 磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 則兩極板間能達(dá)到的最大電勢差U Blv 5 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)的構(gòu)造和原理 如圖8 3 5所示 一圓形 也可是其他形狀 導(dǎo)管的直徑為d 用非磁性材料制成 其中有可以導(dǎo)電的液體在管內(nèi)流動(dòng) 導(dǎo)電液體中的自由電荷 正 負(fù)離子 在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn) 使a b間出現(xiàn)電勢差 當(dāng)自由電荷所受到的電場力與洛倫茲力平衡時(shí) a b間的電勢差就保持穩(wěn)定 圖8 3 5 考點(diǎn)1 帶電粒子在組合場中的運(yùn)動(dòng) 重點(diǎn)歸納1 在勻強(qiáng)電場 勻強(qiáng)磁場中可能的運(yùn)動(dòng)性質(zhì) 2 電偏轉(zhuǎn) 和 磁偏轉(zhuǎn) 的比較 續(xù)表 典例剖析 例1 2015年廣東惠州一調(diào) 如圖8 3 6所示 一電子 其重力不計(jì) 質(zhì)量為m 電荷量為e 由靜止開始 經(jīng)加速電場加速后 水平向右從兩板正中間射入偏轉(zhuǎn)電場 偏轉(zhuǎn)電場由兩塊水平平行放置的長為l 相距為d的導(dǎo)體板組成 當(dāng)兩板不帶電時(shí) 電子通過兩板之間的時(shí)間為t0 當(dāng)在兩板間加電壓為U0時(shí) 電子可射出偏轉(zhuǎn)電場 并射入垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場 最后打在磁場右側(cè)豎直放置的熒光屏上 磁場的水平寬度為s 豎直高度足夠大 求 1 加速電場的電壓 2 電子在離開偏轉(zhuǎn)電場時(shí)的側(cè)向位移 3 要使電子能垂直打在熒光屏上 勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 為多大 圖8 3 6 思維點(diǎn)撥 1 根據(jù)粒子在偏轉(zhuǎn)電場中水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng) 求出水平速度 通過動(dòng)能定理求出加速電場的電壓 2 根據(jù)電子在偏轉(zhuǎn)電場中水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng) 豎直方向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng) 抓住等時(shí)性 結(jié)合牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出側(cè)向位移 3 結(jié)合粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 通過洛倫茲力提供向心力求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 3 設(shè)電子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時(shí)的偏向角為 要使電子垂直打在熒光屏上 則電子在磁場中運(yùn)動(dòng)半徑應(yīng)為 備考策略 粒子垂直電場方向進(jìn)入電場做類平拋運(yùn)動(dòng) 首先對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解 在兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)上求出分位移和分速度 然后再合成來解決問題 切換 到偏轉(zhuǎn)磁場時(shí) 運(yùn)動(dòng)的軌跡 性質(zhì)等發(fā)生變化 自然地 我們又把目光轉(zhuǎn)向粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 可以根據(jù)進(jìn)出磁場的速度方向確定軌跡圓心 根據(jù)幾何關(guān)系求出軌道半徑和運(yùn)動(dòng)時(shí)間 兩場區(qū) 切換 時(shí) 抓住邊界 切換 點(diǎn)的速度方向是解題的關(guān)鍵所在 考點(diǎn)練透 1 2014年大綱卷 如圖8 3 7所示 在第一象限存在勻強(qiáng)磁場 磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面 xOy平面 向外 在第四象限存在勻強(qiáng)電場 方向沿x軸負(fù)向 在y軸正半軸上某點(diǎn)以與x軸正向平行 大小為v0的速度發(fā)射出一帶正電荷的粒子 該粒子在 d 0 點(diǎn)沿垂直于x軸的方向進(jìn)入電場 不計(jì)重力 若該粒子離開電場時(shí)速度方向與y軸負(fù)方向的夾角為 求 圖8 3 7 1 電場強(qiáng)度大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的比值 2 該粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 解 1 如圖D48所示 粒子進(jìn)入磁場后做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B 粒子質(zhì)量與所帶電荷量分別為m和q 圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R0 由洛倫茲力公式及牛頓第二定律得 圖D48 由題給條件和幾何關(guān)系可知R0 d 設(shè)電場強(qiáng)度大小為E 粒子進(jìn)入電場后沿x軸負(fù)方向的加速度大小為ax 在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t 離開電場時(shí)沿x軸負(fù)方向的 速度大小為vx 由牛頓第二定律及運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得Eq max vx axt由于粒子在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng) 如圖 有 聯(lián)立 式得 圖8 3 8 圖D49 代入數(shù)據(jù)得U 60V故加速電壓的最小值為60V 考點(diǎn)2 帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) 重點(diǎn)歸納1 三種場力的特點(diǎn) 2 常用結(jié)論 1 帶電粒子在三個(gè)場共同作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 必然是 電場力和重力平衡 而洛倫茲力充當(dāng)向心力 2 帶電粒子在三個(gè)場共同作用下做直線運(yùn)動(dòng) 重力和電場力是恒力 它們的合力也是恒力 當(dāng)帶電粒子的速度平行于磁場時(shí) 不受洛倫茲力 因此可能做勻速運(yùn)動(dòng)也可能做勻變速運(yùn)動(dòng) 當(dāng)帶電粒子的速度垂直于磁場時(shí) 一定做勻速運(yùn)動(dòng) 典例剖析 例2 2016年吉林長春外國語學(xué)校質(zhì)檢 如圖8 3 9所示 直角坐標(biāo)系xOy位于豎直平面內(nèi) 在第四象限存在勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 方向垂直xOy平面向里 電場線平行于y軸 一質(zhì)量為m 電荷量大小為q的帶負(fù)電的小球 從y軸上的A點(diǎn)水平向右拋出 經(jīng)x軸上的M點(diǎn)進(jìn)入電場和磁場 恰能做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 最后從y軸上的N點(diǎn)沿垂直于y軸的方向離開電場和磁場 ON之間的距離為L 小球過M點(diǎn)時(shí)速度方向與x軸正方向夾角為 不計(jì)空氣阻力 重力加速度為g 求 圖8 3 9 1 電場強(qiáng)度E的大小和方向 2 小球從A點(diǎn)拋出時(shí)初速度v0的大小 3 A點(diǎn)到x軸的高度h 思維點(diǎn)撥 由題意可知 由A點(diǎn)到M點(diǎn)小球做平拋運(yùn)動(dòng) 進(jìn)入復(fù)合場后 小球所受重力和電場力平衡 洛倫茲力為小球做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力 解 1 小球在電場 磁場中恰好做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 其所受 豎直向下 電場力的方向應(yīng)豎直向上 由于小球帶負(fù)電 則電場強(qiáng)度方向豎直向下 2 小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 如圖8 3 10所示 設(shè)半徑為R 由幾何關(guān)系得圖8 3 10 由速度的合成與分解知v0 vcos 由 式解得 小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供 設(shè)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速率為v 則有 備考策略 處理這類綜合題 應(yīng)把握以下幾點(diǎn) 1 熟悉電場力 磁場力大小的計(jì)算和方向的判別 2 熟悉帶電粒子在勻強(qiáng)電場 勻強(qiáng)磁場中的基本運(yùn)動(dòng) 如加速 偏轉(zhuǎn) 勻速圓周運(yùn)動(dòng)等 3 通過詳細(xì)地分析帶電體運(yùn)動(dòng)的全部物理過程 找出與此過程相應(yīng)的受力情況及物理規(guī)律 遇到臨界情況或極值情況 則要全力找出出現(xiàn)此情況的條件 4 在 力學(xué)問題 中 主要應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式 動(dòng)能定理 動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律等規(guī)律來處理 考點(diǎn)練透 3 2014年福建卷 如圖8 3 11所示 某一新型發(fā)電裝置的發(fā)電管是橫截面為矩形的水平管道 管道的長為L 寬為d 高為h 上下兩面是絕緣板 前后兩側(cè)面M N是電阻可忽略的導(dǎo)體板 兩導(dǎo)體板與開關(guān)S和定值電阻R相連 整個(gè)管道置于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 方向沿z軸正方向的勻強(qiáng)磁場中 管道內(nèi)始終充滿電阻率為 的導(dǎo)電液體 有大量的正 負(fù)離子 且開關(guān)閉合前后 液體在管道進(jìn) 出口兩端壓強(qiáng)差的作用下 均以恒定 速率v0沿x軸正向流動(dòng) 液體所受的摩擦阻力不變 圖8 3 11 1 求開關(guān)閉合前 M N兩板間的電勢差大小U0 2 求開關(guān)閉合前后 管道兩端壓強(qiáng)差的變化 p 3 調(diào)整矩形管道的寬和高 但保持其他量和矩形管道的橫截面積S dh不變 求電阻R可獲得的最大功率Pm及相應(yīng)的寬 解 1 設(shè)帶電離子所帶的電荷量為q 當(dāng)其所受的洛倫茲力與電場力平衡時(shí) U0保持恒定 有