2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 8.3帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)課時(shí)提升作業(yè) 滬科版選修3-1.doc

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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 8.3帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)課時(shí)提升作業(yè) 滬科版選修3-1 一、選擇題(本題共3小題,每小題7分,共21分。多選題已在題號后標(biāo)出) 1.(多選)(xx浙江高考)在半導(dǎo)體離子注入工藝中,初速度可忽略的磷離子P+和P3+,經(jīng)電壓為U的電場加速后,垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直紙面向里、有一定寬度的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,如圖所示。已知離子P+在磁場中轉(zhuǎn)過θ=30后從磁場右邊界射出。在電場和磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),離子P+和P3+(　　) A.在電場中的加速度之比為1∶1 B.在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為∶1 C.在磁場中轉(zhuǎn)過的角度之比為1∶2 D.離開電場區(qū)域時(shí)的動(dòng)能之比為1∶3 2.(xx西城模擬)如圖是磁流體發(fā)電機(jī)的原理示意圖,金屬板M、N正對著平行放置,且板面垂直于紙面,在兩板之間接有電阻R。在極板間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場。當(dāng)?shù)入x子束(分別帶有等量正、負(fù)電荷的離子束)從左向右進(jìn)入極板時(shí),下列說法中正確的是(　　) A.N板的電勢高于M板的電勢 B.M板的電勢等于N板的電勢 C.R中有由b向a方向的電流 D.R中有由a向b方向的電流 3.如圖所示,在豎直虛線MN和M′N′之間區(qū)域內(nèi)存在著相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,一帶電粒子(不計(jì)重力)以初速度v0由A點(diǎn)進(jìn)入這個(gè)區(qū)域,帶電粒子沿直線運(yùn)動(dòng),并從C點(diǎn)離開場區(qū)。如果撤去磁場,該粒子將從B點(diǎn)離開場區(qū);如果撤去電場,該粒子將從D點(diǎn)離開場區(qū)。則下列判斷正確的是(　　) A.該粒子由B、C、D三點(diǎn)離開場區(qū)時(shí)的動(dòng)能相同 B.該粒子由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B、C、D三點(diǎn)的時(shí)間均不相同 C.勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)E與勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B之比=v0 D.若該粒子帶負(fù)電,則電場方向豎直向下,磁場方向垂直于紙面向外 二、計(jì)算題(本題共2小題,共29分。需寫出規(guī)范的解題步驟) 4.(14分)如圖所示,正三角形ACD是一用絕緣材料制成的固定框架,邊長為L,在框架外是范圍足夠?qū)挼膭驈?qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直于紙面向里,ACD可視為磁場的理想內(nèi)邊界,在框架內(nèi)有一對帶電平行極板M、N,M板的中點(diǎn)K處有一粒子源,能夠產(chǎn)生速度為零、質(zhì)量為m、電量為q的帶正電的粒子,粒子重力不計(jì),帶電粒子經(jīng)兩極板間的電場加速后從CD邊中心的小孔S垂直于CD邊射入磁場,若這些粒子與框架碰撞時(shí)無能量損失,且每一次碰撞時(shí)速度方向均垂直于被碰的邊框,要使粒子在最短的時(shí)間內(nèi)回到小孔S,求： (1)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑,并畫出粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡和繞行方向; (2)兩極板M、N間的電壓; (3)粒子回到小孔S的最短時(shí)間。 5.(15分)(xx蘇州模擬)如圖所示,帶電平行金屬板相距為2R,在兩板間半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,兩板及其左側(cè)邊緣連線均與磁場邊界剛好相切。一質(zhì)子(不計(jì)重力)沿兩板間中心線O1O2從左側(cè)O1點(diǎn)以某一速度射入,沿直線通過圓形磁場區(qū)域,然后恰好從極板邊緣飛出,在極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t0。若僅撤去磁場,質(zhì)子仍從O1點(diǎn)以相同速度射入,經(jīng)時(shí)間打到極板上。 (1)求兩極板間電壓U; (2)求質(zhì)子從極板間飛出時(shí)的速度大小。 強(qiáng)化專練(建議：25分鐘) 強(qiáng)化點(diǎn)1：帶電粒子在組合場中運(yùn)動(dòng) 1.如圖所示,兩導(dǎo)體板水平放置,兩板間的電勢差為U,帶電粒子以某一初速度v0沿平行于兩板的方向從兩板正中間射入,穿過兩板后又垂直于磁場方向射入邊界線豎直的勻強(qiáng)磁場。則粒子射入磁場和射出磁場的M、N兩點(diǎn)間的距離d隨著U和v0的變化而變化的情況為(　　) A.d隨v0的增大而增大,d與U無關(guān) B.d隨v0的增大而增大,d隨U的增大而增大 C.d隨U的增大而增大,d與v0無關(guān) D.d隨v0的增大而增大,d隨U的增大而減小 2.(xx莆田模擬)如圖所示,在直角坐標(biāo)系的第Ⅰ象限0≤x≤4m區(qū)域內(nèi),分布著E=106N/C的勻強(qiáng)電場,方向豎直向上;第Ⅱ象限中的兩個(gè)直角三角形區(qū)域內(nèi),分布著大小均為B=5.010-2T的勻強(qiáng)磁場,方向分別垂直紙面向外和向里,質(zhì)量為m=1.610-27kg、電荷量為q=3.210-19C的帶正電的粒子(重力不計(jì)),從坐標(biāo)點(diǎn)M(-4m,m)處,以v=107m/s的速度平行于x軸向右運(yùn)動(dòng),并先后通過勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場區(qū)域。求： (1)帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)半徑r。 (2)粒子在兩個(gè)磁場區(qū)域及電場區(qū)域偏轉(zhuǎn)所用的總時(shí)間。 (3)在圖中畫出粒子從直線x=-4m到x=4m之間的運(yùn)動(dòng)軌跡,并求出運(yùn)動(dòng)軌跡與y軸和直線x=4m交點(diǎn)的縱坐標(biāo)。 強(qiáng)化點(diǎn)2：帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) 3.(多選)(xx西安模擬)真空中存在豎直向上的勻強(qiáng)電場和水平方向的勻強(qiáng)磁場,一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的物體以速度v在豎直平面內(nèi)做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。假設(shè)t=0時(shí)刻物體在運(yùn)動(dòng)軌跡的最低點(diǎn)且重力勢能為零,電勢能也為零,則下列說法正確的是(　　) A.物體帶正電且逆時(shí)針運(yùn)動(dòng) B.在物體運(yùn)動(dòng)的過程中,機(jī)械能守恒,且機(jī)械能E=mv2 C.在物體運(yùn)動(dòng)的過程中,重力勢能隨時(shí)間變化的關(guān)系為Ep=mgR(1-cost) D.在物體運(yùn)動(dòng)的過程中,電勢能隨時(shí)間變化的關(guān)系為E電=mgR(cost-1) 4.(xx西安模擬)如圖甲所示,豎直擋板MN左側(cè)空間有方向豎直向上的勻強(qiáng)電場和垂直紙面向里的水平勻強(qiáng)磁場,電場和磁場的范圍足夠大,電場強(qiáng)度E=40N/C,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的關(guān)系圖像如圖乙所示,選定磁場垂直紙面向里為正方向。t=0時(shí)刻,一質(zhì)量m=810-4kg、電荷量q=+210-4C的微粒在O點(diǎn)具有豎直向下的速度v=0.12m/s,O′是擋板MN上一點(diǎn),直線OO′與擋板MN垂直,g取10m/s2。求： (1)微粒再次經(jīng)過直線OO′時(shí)與O點(diǎn)的距離; (2)微粒在運(yùn)動(dòng)過程中離開直線OO′的最大高度; (3)水平移動(dòng)擋板,使微粒能垂直射到擋板上,擋板與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足的條件。 答案解析 素能全練 1.【解題指南】解答本題可按以下思路進(jìn)行： (1)正離子在電場中,由于電場力的作用做加速運(yùn)動(dòng); (2)正離子在磁場中,洛倫茲力提供向心力,做圓周運(yùn)動(dòng)。 【解析】選B、C、D。磷離子P+和P3+的質(zhì)量相等,在電場中所受的電場力之比為1∶3,所以加速度之比為1∶3,A項(xiàng)錯(cuò)誤;初速度可忽略的磷離子P+和P3+,經(jīng)電壓為U的電場加速后,由動(dòng)能定理可得,離開電場區(qū)域時(shí)的動(dòng)能之比為它們的帶電量之比,即1∶3,D項(xiàng)正確;在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力提供向心力qvB=m,可得r=,==,B項(xiàng)正確;設(shè)P+在磁場中的運(yùn)動(dòng)半徑為R,由幾何知識可得磁場的寬度為R,而P3+的半徑為R,由幾何知識可得P3+在磁場中轉(zhuǎn)過的角度為60,P+在磁場中轉(zhuǎn)過的角度為30,所以磷離子P+和P3+在磁場中轉(zhuǎn)過的角度之比為1∶2,C項(xiàng)正確。 2.【解析】選D。根據(jù)左手定則可知正離子向上極板偏轉(zhuǎn),負(fù)離子向下極板偏轉(zhuǎn),則M板電勢高于N板電勢。M板相當(dāng)于電源的正極,那么R中有由a向b方向的電流,據(jù)以上分析可知本題正確選項(xiàng)為D。 3.【解析】選C。由Eq=Bv0q可得,=v0,C正確;若電場方向豎直向下,磁場方向垂直于紙面向外,則無論從左側(cè)入射的是正電荷還是負(fù)電荷,電場力與洛倫茲力方向均一致,故D錯(cuò)誤;如果撤去磁場,粒子由B點(diǎn)射出時(shí),電場力對粒子做正功,粒子動(dòng)能比入場時(shí)增大了,A錯(cuò)誤;粒子由C、B射出過程中,水平方向均做勻速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同,但在磁場偏轉(zhuǎn)過程中粒子運(yùn)動(dòng)的速率是v0,運(yùn)動(dòng)時(shí)間增大了,故B錯(cuò)誤。 【加固訓(xùn)練】 某空間存在水平方向的勻強(qiáng)電場(圖中未畫出),同時(shí)存在由A指向B的勻強(qiáng)磁場,帶電小球沿如圖所示的直線斜向下由A點(diǎn)沿直線向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng),則下列說法正確的是(　　) A.小球一定帶正電 B.小球可能做勻速直線運(yùn)動(dòng) C.帶電小球一定做勻加速直線運(yùn)動(dòng) D.運(yùn)動(dòng)過程中,小球的機(jī)械能可能減小 【解析】選C。由于小球重力方向豎直向下,空間存在磁場,且小球沿直線運(yùn)動(dòng)方向斜向下,與磁場方向相同,故不受磁場力作用,電場力必水平向右,但電場具體方向未知,故不能判斷帶電小球的電性,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;重力和電場力的合力不為零,故小球不做勻速直線運(yùn)動(dòng),所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤;因?yàn)橹亓εc電場力的合力方向與運(yùn)動(dòng)方向相同,故小球一定做勻加速直線運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)C正確;運(yùn)動(dòng)過程中由于電場力做正功,故機(jī)械能增加,選項(xiàng)D錯(cuò)。 4.【解析】(1)粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),與邊框垂直碰撞后要重新回到S,由幾何關(guān)系可知,A、C、D三點(diǎn)必為圓軌道的圓心,要使粒子回到S的時(shí)間最短,圓軌道半徑為R=　 (2分) 軌跡如圖所示 　 (2分) (2)粒子經(jīng)電場加速,有qU=mv2　 (2分) 粒子在磁場中運(yùn)動(dòng),有qvB=　 (2分) 由以上三式解得：U=　 (2分) (3)粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T=　 (2分) 粒子回到S的最短時(shí)間為t=3T=　 (2分) 答案：(1)見解析　(2)　(3) 【總結(jié)提升】帶電粒子在組合場中運(yùn)動(dòng)問題的解題技巧 帶電粒子在組合場中的運(yùn)動(dòng),實(shí)際上仍是一個(gè)力學(xué)問題,分析的基本思路： (1)弄清復(fù)合場的組成。 (2)正確分析帶電粒子的受力情況及運(yùn)動(dòng)特征。 (3)畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,靈活選擇對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律列式求解。例如,帶電粒子在電場中加速,一般選擇動(dòng)能定理;類平拋運(yùn)動(dòng)一般要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的分解;圓周運(yùn)動(dòng)一般分析向心力等。 (4)對于臨界問題,注意挖掘隱含條件,關(guān)注特殊詞語,如“恰好”“剛好”“至少”,尋找解題的突破口。 5.【解析】(1)設(shè)質(zhì)子從左側(cè)O1點(diǎn)射入的速度為v0,極板長為L,在復(fù)合場中做勻速直線運(yùn)動(dòng)：q=qv0B　 (2分) 在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng)： L-2R=v0t,R=t2　 (2分) 又L=v0t0　 (1分) 撤去磁場,僅受電場力, 有R=()2　 (2分) 解得t=,L=4R,v0=,U=　 (3分) (2)質(zhì)子從極板間飛出時(shí)沿電場方向分速度大小 vy=t==v0　 (2分) 從極板間飛出時(shí)的速度大小 v==v0=　 (3分) 答案：(1)　(2) 強(qiáng)化專練 1.【解題指南】解答本題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)： (1)弄清帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)角與粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心角的關(guān)系。 (2)寫出d與U、v0的函數(shù)關(guān)系式。 【解析】選A。帶電粒子射出電場時(shí)速度的偏轉(zhuǎn)角為θ,運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,有：cosθ=,又R=,而d=2Rcosθ=2cosθ=,選項(xiàng)A正確。 2.【解析】(1)帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn), 由牛頓運(yùn)動(dòng)定律得qvB=m 所以r= 代入數(shù)據(jù)得r=m (2)帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)周期 T==6.2810-7s 運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t1=T=1.5710-7s 帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 t2==s=2.8310-7s 故粒子在電磁場偏轉(zhuǎn)所用的總時(shí)間 t=t1+t2=4.4010-7s (3)如圖所示 分析知：粒子在方向向外的磁場中恰好沿順時(shí)針運(yùn)動(dòng)了周,下移了(-1)m,由對稱性知粒子在方向向內(nèi)的磁場中恰好沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)了周,又下移了(-1)m,故y1=[-2(-1)]m=(2-)m 粒子水平飛入電場,水平方向有：x2=vt2 豎直方向上滿足：y2=y1+a=2m 答案：(1)m　(2)4.4010-7s　(3)見解析 【加固訓(xùn)練】 如圖所示,有界勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=210-3T;磁場右邊是寬度L=0.2m、場強(qiáng)E=40V/m、方向向左的勻強(qiáng)電場。一帶電粒子電荷量q=-3.210-19C,質(zhì)量m=6.410-27kg,以v=4104m/s的速度沿OO′垂直射入磁場,在磁場中偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入右側(cè)的電場,最后從電場右邊界射出。(不計(jì)重力)求： (1)大致畫出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡; (2)帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑; (3)帶電粒子飛出電場時(shí)的動(dòng)能Ek。 【解析】(1)軌跡如圖 (2)帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),由牛頓運(yùn)動(dòng)定律得 qvB=m R==m=0.4m (3)Ek=EqL+mv2=403.210-190.2J+6.410-27(4104)2J=7.6810-18J。 答案：(1)軌跡見解析圖　(2)0.4m (3)7.6810-18J 3.【解析】選A、C、D。由題意知,題中物體所受的電場力與重力平衡,洛倫茲力提供其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力,故知物體帶正電,洛倫茲力使其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),A對。由于有電場力做功,則機(jī)械能不守恒,B錯(cuò)。重力勢能Ep=mgh=mgR(1-cost),C對。電勢能E電=-qEh=-mgh=-Ep,D對。 【加固訓(xùn)練】 (多選)如圖所示,某空間存在正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場,電場方向水平向右,磁場方向垂直紙面向里,一帶電粒子由a點(diǎn)進(jìn)入電磁場并剛好能沿ab直線向上運(yùn)動(dòng)。下列說法正確的是(　　) A.粒子一定帶負(fù)電 B.粒子動(dòng)能一定減少 C.粒子的電勢能一定增加 D.粒子的機(jī)械能一定增加 【解析】選A、D。對該種粒子進(jìn)行受力分析得：受到豎直向下的重力、水平方向的電場力、垂直于速度方向的洛倫茲力,其中重力和電場力是恒力。粒子沿直線運(yùn)動(dòng),則可以判斷出其受到的洛倫茲力也是恒定的,即該粒子是做勻速直線運(yùn)動(dòng),B錯(cuò)誤。如果該粒子帶正電,則受到向右的電場力和向左下方的洛倫茲力,所以不會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng),故該種粒子一定帶負(fù)電,A正確。該種粒子帶負(fù)電,向左上方運(yùn)動(dòng),電場力做正功,電勢能一定是減少的,C錯(cuò)誤。因?yàn)橹亓菽茉黾?動(dòng)能不變,所以該粒子的機(jī)械能增加,D正確。 4.【解析】(1)由題意可知, 微粒所受的重力G=mg=810-3N 電場力大小F=Eq=810-3N 因此重力與電場力平衡 微粒先在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng), 則qvB=m, 解得R==0.6m 由T=,解得T=10πs 則微粒在5πs內(nèi)轉(zhuǎn)過半個(gè)圓周,再次經(jīng)直線OO′時(shí)與O點(diǎn)的距離：l=2R=1.2m (2)微粒運(yùn)動(dòng)半周后向上勻速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t=5πs,軌跡如圖所示, 位移大小為x=vt=0.6πm=1.88m 因此,微粒離開直線OO′的最大高度 h=x+R=2.48m (3)若微粒能垂直射到擋板上的某點(diǎn)P,當(dāng)P點(diǎn)在直線OO′下方時(shí),由圖像可知,擋板MN與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足 L=(2.4n+0.6)m(n=0,1,2…) 若微粒能垂直射到擋板上的某點(diǎn)P,當(dāng)P點(diǎn)在直線OO′上方時(shí),由圖像可知,擋板MN與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足L=(2.4n+1.8)m(n=0,1,2…) 答案：(1)1.2m　(2)2.48m　(3)見解析