2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第九章 磁場基礎(chǔ)課2 磁場對運動電荷的作用課件.ppt

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基礎(chǔ)課2磁場對運動電荷的作用 洛倫茲力 洛倫茲力的方向和大小 1 洛倫茲力 磁場對的作用力叫洛倫茲力 2 洛倫茲力的方向 1 判定方法 左手定則 掌心 磁感線穿入掌心 四指 指向正電荷運動的方向或負電荷運動的 拇指 指向的方向 2 方向特點 F B F v 即F垂直于B和v決定的 知識排查 運動電荷 垂直 反方向 洛倫茲力 平面 3 洛倫茲力的大小 1 v B時 洛倫茲力F 0 或180 2 v B時 洛倫茲力F 90 3 v 0時 洛倫茲力F 0 qvB 0 帶電粒子在勻強磁場中的運動 1 若v B 帶電粒子不受洛倫茲力 在勻強磁場中做運動 2 若v B 帶電粒子僅受洛倫茲力作用 在垂直于磁感線的平面內(nèi)以入射速度v做運動 如下圖 帶電粒子在勻強磁場中 中粒子做運動 中粒子做運動 中粒子做運動 勻速直線 勻速圓周 勻速圓周 勻速直線 勻速圓周 3 半徑和周期公式 v B 答案B 小題速練 1 人教版選修3 1 P98 T1改編 下列各圖中 運動電荷的速度方向 磁感應(yīng)強度方向和電荷的受力方向之間的關(guān)系正確的是 2 人教版選修3 1 P102 T3改編 如圖1所示 一束質(zhì)量 速度和電荷量不全相等的離子 經(jīng)過由正交的勻強電場和勻強磁場組成的速度選擇器后 進入另一個勻強磁場中并分裂為A B兩束 下列說法正確的是 A 組成A束和B束的離子都帶負電B 組成A束和B束的離子質(zhì)量一定不同C A束離子的比荷大于B束離子的比荷D 速度選擇器中的磁場方向垂直于紙面向外答案C 圖1 對洛倫茲力的理解 1 洛倫茲力的特點 1 洛倫茲力的方向總是垂直于運動電荷的速度方向和磁場方向共同確定的平面 所以洛倫茲力只改變速度的方向 不改變速度的大小 即洛倫茲力永不做功 2 當(dāng)電荷運動方向發(fā)生變化時 洛倫茲力的方向也隨之變化 3 用左手定則判斷負電荷在磁場中運動所受的洛倫茲力時 要注意將四指指向電荷運動的反方向 2 洛倫茲力與安培力的聯(lián)系及區(qū)別 1 安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 二者是相同性質(zhì)的力 2 安培力可以做功 而洛倫茲力對運動電荷不做功 1 在北半球 地磁場磁感應(yīng)強度的豎直分量方向向下 以 表示 如果你家中電視機顯像管的位置恰好處于南北方向 那么由南向北射出的電子束在地磁場的作用下將向哪個方向偏轉(zhuǎn) A 不偏轉(zhuǎn)B 向東C 向西D 無法判斷解析根據(jù)左手定則可判斷由南向北運動的電子束所受洛倫茲力方向向東 因此電子束向東偏轉(zhuǎn) 故選項B正確 答案B 圖2 2 多選 帶電油滴以水平速度v0垂直進入磁場 恰做勻速直線運動 如圖3所示 若油滴質(zhì)量為m 磁感應(yīng)強度為B 則下述說法正確的是 圖3 答案AB 3 多選 如圖4所示 a為帶正電的小物塊 b是一不帶電的絕緣物塊 設(shè)a b間無電荷轉(zhuǎn)移 a b疊放于粗糙的水平地面上 地面上方有垂直紙面向里的勻強磁場 現(xiàn)用水平恒力F拉b物塊 使a b一起無相對滑動地向左加速運動 在加速運動階段 A a對b的壓力不變B a對b的壓力變大C a b物塊間的摩擦力變小D a b物塊間的摩擦力不變 圖4 解析a向左加速時受到的豎直向下的洛倫茲力變大 故對b的壓力變大 選項A錯誤 B正確 從a b整體看 由于a受到的洛倫茲力變大 會引起b對地面的壓力變大 滑動摩擦力變大 整體的加速度變小 再隔離a b對a的靜摩擦力Fba提供其加速度 由Fba maa知 a b間的摩擦力變小 選項C正確 D錯誤 答案BC 帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動 1 帶電粒子在勻強磁場中圓周運動分析 1 圓心的確定方法方法一若已知粒子軌跡上的兩點的速度方向 則可根據(jù)洛倫茲力F v 分別確定兩點處洛倫茲力F的方向 其交點即為圓心 如圖5 a 方法二若已知粒子運動軌跡上的兩點和其中某一點的速度方向 則可作出此兩點的連線 即過這兩點的圓弧的弦 的中垂線 中垂線與垂線的交點即為圓心 如圖 b 圖5 2 帶電粒子在不同邊界磁場中的運動 1 直線邊界 進出磁場具有對稱性 如圖6所示 圖6 2 平行邊界 存在臨界條件 如圖7所示 圖7 3 圓形邊界 沿徑向射入必沿徑向射出 如圖8所示 圖8 典例 2017 全國卷 18 如圖9 虛線所示的圓形區(qū)域內(nèi)存在一垂直于紙面的勻強磁場 P為磁場邊界上的一點 大量相同的帶電粒子以相同的速率經(jīng)過P點 在紙面內(nèi)沿不同的方向射入磁場 若粒子射入速率為v1 這些粒子在磁場邊界的出射點分布在六分之一圓周上 若粒子射入速率為v2 相應(yīng)的出射點分布在三分之一圓周上 不計重力及帶電粒子之間的相互作用 則v2 v1為 圖9 答案C 甲乙 帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的分析方法 1 兩個質(zhì)量相同 所帶電荷量相等的帶電粒子a b 以不同的速率沿著AO方向射入圓形勻強磁場區(qū)域 其運動軌跡如圖10所示 若不計粒子的重力 則下列說法正確的是 A a粒子帶正電 b粒子帶負電B a粒子在磁場中所受洛倫茲力較大C b粒子的動能較大D b粒子在磁場中運動時間較長 圖10 答案C 2 如圖11甲所示有界勻強磁場 的寬度與圖乙所示圓形勻強磁場 的半徑相等 一不計重力的粒子從左邊界的M點以一定初速度水平向右垂直射入磁場 從右邊界射出時速度方向偏轉(zhuǎn)了 角 該粒子以同樣的初速度沿半徑方向垂直射入磁場 射出磁場時速度方向偏轉(zhuǎn)了2 角 已知磁場 的磁感應(yīng)強度大小分別為B1 B2 則B1與B2的比值為 A 2cos B sin C cos D tan 圖11 答案C 3 2016 全國卷 18 一圓筒處于磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中 磁場方向與筒的軸平行 筒的橫截面如圖12所示 圖中直徑MN的兩端分別開有小孔 筒繞其中心軸以角速度 順時針轉(zhuǎn)動 在該截面內(nèi) 一帶電粒子從小孔M射入筒內(nèi) 射入時的運動方向與MN成30 角 當(dāng)筒轉(zhuǎn)過90 時 該粒子恰好從小孔N飛出圓筒 不計重力 若粒子在筒內(nèi)未與筒壁發(fā)生碰撞 則帶電粒子的比荷為 圖12 解析畫出粒子的運動軌跡如圖所示 由洛倫茲力提供向心力得 答案A 4 多選 如圖13 一粒子發(fā)射源P位于足夠長絕緣板AB的上方d處 能夠在紙面內(nèi)向各個方向發(fā)射速率為v 比荷為k的帶正電的粒子 空間存在垂直紙面的勻強磁場 不考慮粒子間的相互作用和粒子重力 已知粒子做圓周運動的半徑大小恰好為d 則 圖13 答案BC 由于帶電粒子在磁場中的運動通常都是在有界磁場中的運動 所以常常出現(xiàn)臨界和極值問題 1 臨界問題的分析思路臨界問題分析的是臨界狀態(tài) 臨界狀態(tài)存在不同于其他狀態(tài)的特殊條件 此條件稱為臨界條件 臨界條件是解決臨界問題的突破口 帶電粒子在勻強磁場中運動的臨界極值問題 2 極值問題的分析思路所謂極值問題就是對題中所求的某個物理量最大值或最小值的分析或計算 求解的思路一般有以下兩種 1 根據(jù)題給條件列出函數(shù)關(guān)系式進行分析 討論 2 借助幾何知識確定極值所對應(yīng)的狀態(tài) 然后進行直觀分析 典例 2016 全國卷 18 平面OM和平面ON之間的夾角為30 其橫截面 紙面 如圖14所示 平面OM上方存在勻強磁場 磁感應(yīng)強度大小為B 方向垂直于紙面向外 一帶電粒子的質(zhì)量為m 電荷量為q q 0 粒子沿紙面以大小為v的速度從OM的某點向左上方射入磁場 速度與OM成30 角 已知該粒子在磁場中的運動軌跡與ON只有一個交點 并從OM上另一點射出磁場 不計重力 粒子離開磁場的出射點到兩平面交線O的距離為 圖14 答案D 1 2017 遼寧朝陽三校協(xié)作體聯(lián)考 如圖15所示 半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強磁場 磁感應(yīng)強度大小為B 磁場邊界上A點有一粒子源 源源不斷地向磁場發(fā)射各種方向 均平行于紙面 且速度大小相等的帶正電的粒子 重力不計 已知粒子的比荷為k 速度大小為2kBr 則粒子在磁場中運動的最長時間為 圖15 答案C 2 如圖16所示 在邊長為2a的正三角形區(qū)域內(nèi)存在方向垂直于紙面向里的勻強磁場 一個質(zhì)量為m 電荷量為 q的帶電粒子 重力不計 從AB邊的中心O以速度v進入磁場 粒子進入磁場時的速度方向垂直于磁場且與AB邊的夾角為60 若要使粒子能從AC邊穿出磁場 則勻強磁場的大小B需滿足 圖16 答案B 3 如圖17所示 直角坐標(biāo)系中y軸右側(cè)存在一垂直紙面向里 寬為a的有界勻強磁場 磁感應(yīng)強度為B 右邊界PQ平行于y軸 一粒子 重力不計 從原點O以與x軸正方向成 角的速率v垂直射入磁場 當(dāng)斜向上射入時 粒子恰好垂直PQ射出磁場 當(dāng)斜向下射入時 粒子恰好不從右邊界射出 則粒子的比荷及粒子恰好不從右邊界射出時在磁場中運動的時間分別為 圖17 答案C 4 如圖18所示 兩個同心圓 半徑分別為r和2r 在兩圓之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向里的勻強磁場 磁感應(yīng)強度為B 圓心O處有一放射源 放出粒子的質(zhì)量為m 帶電量為q 假設(shè)粒子速度方向都和紙面平行 1 圖中箭頭表示某一粒子初速度的方向 OA與初速度方向夾角為60 要想使該粒子經(jīng)過磁場后第一次通過A點 則初速度的大小是多少 2 要使粒子不穿出環(huán)形區(qū)域 則粒子的初速度不能超過多少 圖18 解析 1 如圖甲所示 設(shè)粒子在磁場中的軌道半徑為R1 甲乙 2 如圖乙所示 設(shè)粒子軌跡與磁場外邊界相切時 粒子在磁場中的軌道半徑為R2 則由幾何關(guān)系有 2r R2 2 R r2 解決帶電粒子的臨界問題的技巧方法 1 數(shù)學(xué)方法和物理方法的結(jié)合 如利用 矢量圖 邊界條件 等求臨界值 利用 三角函數(shù) 不等式的性質(zhì) 二次方程的判別式 等求極值 2 臨界問題的一般解題流程 3 從關(guān)鍵詞找突破口 許多臨界問題 題干中常用 恰好 最大 至少 不相撞 不脫離 等詞語對臨界狀態(tài)給以暗示 審題時 一定要抓住這些特定的詞語挖掘其隱藏的規(guī)律 找出臨界條件 用極限法帶電粒子在勻強磁場中的運動求瞬時速度 數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng) 題源 人教版選修3 1 P102 T1 電子以1 6 106m s的速度沿著與磁場垂直的方向射入B 2 0 10 4T的勻強磁場中 求電子做勻速圓周運動的軌道半徑和周期 拓展1 2015 全國卷 19 多選 有兩個勻強磁場區(qū)域 和 中的磁感應(yīng)強度是 中的k倍 兩個速率相同的電子分別在兩磁場區(qū)域做圓周運動 與 中運動的電子相比 中的電子 A 運動軌跡的半徑是 中的k倍B 加速度的大小是 中的k倍C 做圓周運動的周期是 中的k倍D 做圓周運動的角速度與 中的相等 解析設(shè)電子的質(zhì)量為m 速率為v 電荷量為q 所以選項A C正確 B D錯誤 答案AC 拓展2 2015 全國卷 14 兩相鄰勻強磁場區(qū)域的磁感應(yīng)強度大小不同 方向平行 一速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直的帶電粒子 不計重力 從較強磁場區(qū)域進入到較弱磁場區(qū)域后 粒子的 A 軌道半徑減小 角速度增大B 軌道半徑減小 角速度減小C 軌道半徑增大 角速度增大D 軌道半徑增大 角速度減小 答案D 拓展3 2017 全國卷 24 如圖19 空間存在方向垂直于紙面 xOy平面 向里的磁場 在x 0區(qū)域 磁感應(yīng)強度的大小為B0 x 0區(qū)域 磁感應(yīng)強度的大小為 B0 常數(shù) 1 一質(zhì)量為m 電荷量為q q 0 的帶電粒子以速度v0從坐標(biāo)原點O沿x軸正向射入磁場 此時開始計時 當(dāng)粒子的速度方向再次沿x軸正向時 求 不計重力 1 粒子運動的時間 2 粒子與O點間的距離 圖19 解析 1 在勻強磁場中 帶電粒子做圓周運動 設(shè)在x 0區(qū)域 圓周半徑為R1 在x 0區(qū)域 圓周半徑為R2 由洛倫茲力公式及牛頓運動定律得 2 由幾何關(guān)系及 式得 所求距離為