高中物理高考 专题三 第三讲　带电粒子在复合场中的运动—2021届高考物理二轮总复习课件

这是一份高中物理高考 专题三 第三讲　带电粒子在复合场中的运动—2021届高考物理二轮总复习课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，体系构建真题感悟，网络构建，高考真题，高频考点能力突破，类题演练，情境设计微专题3等内容，欢迎下载使用。
1.(2017全国Ⅰ卷)如图,空间某区域存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向上(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里。三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等,质量分别为ma、mb、mc。已知在该区域内,a在纸面内做匀速圆周运动,b在纸面内向右做匀速直线运动,c在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是(　　)A.ma>mb>mcB.mb>ma>mcC.mc>ma>mbD.mc>mb>ma
情境剖析 本题属于综合性题目,以“带电粒子在叠加场中运动”为素材创设学习探索类情境。素养能力 本题考查带电粒子在叠加场中运动的动力学分析,较好地考查了考生的模型建构和科学推理等素养,对考生的模型建构能力、逻辑推理能力和分析综合能力有一定要求。
2.(2016全国Ⅰ卷)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子,其示意图如图所示,其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为(　　)A.11B.12C.121D.144
情境剖析 本题属于综合性、应用性题目,以“质谱仪”为素材创设生产科技类情境。素养能力 本题通过质谱仪考查带电粒子在组合场中的运动,较好地考查了考生的模型建构和科学推理等素养,对考生的模型建构能力、逻辑推理能力和信息加工能力有一定要求。
3.(2019全国Ⅲ卷)如图,在坐标系的第一和第二象限内存在磁感应强度大小分别为 B和B、方向均垂直于纸面向外的匀强磁场。一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子垂直于x轴射入第二象限,随后垂直于y轴进入第一象限,最后经过x轴离开第一象限。粒子在磁场中运动的时间为(　　)
情境剖析 本题属于应用性、创新性题目,以“带电粒子在不同磁场形成的组合场中运动”为素材创设学习探索类情境。素养能力 本题考查带电粒子在不同匀强磁场中的运动,较好地考查了考生的科学推理、科学论证等素养,对考生的理解能力、逻辑推理能力和分析综合能力有一定要求。
4.(2020山东卷)某型号质谱仪的工作原理如图甲所示。M、N为竖直放置的两金属板,两板间电压为U,Q板为记录板,分界面P将N、Q间区域分为宽度均为d的Ⅰ、Ⅱ两部分,M、N、P、Q所在平面相互平行,
a、b为M、N上两正对的小孔。以a、b所在直线为z轴,向右为正方向,取z轴与Q板的交点O为坐标原点,以平行于Q板水平向里为x轴正方向,竖直向上为y轴正方向,建立空间直角坐标系Oxyz。区域Ⅰ、Ⅱ内分别充满沿x轴正方向的匀强磁场和匀强电场,磁感应强度大小、电场强度大小分别为B和E。一质量为m,电荷量为+q的粒子,从a孔飘入电场(初速度视为零),经b孔进入磁场,过P面上的c点(图中未画出)进入电场,最终打到记录板Q上。不计粒子重力。
情境剖析 本题属于应用性、综合性、创新性题目,以“带电粒子在组合场中的运动”为素材创设学习探索类情境。素养能力 本题考查带电粒子在电场中加速和在磁场中圆周运动的规律,较好地考查了考生的科学推理、科学论证等素养,对考生的理解能力、逻辑推理能力和分析综合能力有一定要求。
带电粒子在组合场中的运动(L)
【典例1】(2018全国Ⅱ卷)一足够长的条状区域内存在匀强电场和匀强磁场,其在xOy平面内的截面如图所示:中间是磁场区域,其边界与y轴垂直,宽度为l,磁感应强度的大小为B,方向垂直于xOy平面;磁场的上、下两侧为电场区域,宽度均为l',电场强度的大小均为E,方向均沿x轴正方向;M、 N为条状区域边界上
的两点,它们的连线与y轴平行,一带正电的粒子以某一速度从M点沿y轴正方向射入电场,经过一段时间后恰好以从M点入射的速度从N点沿y轴正方向射出。不计重力。(1)定性画出该粒子在电磁场中运动的轨迹;(2)求该粒子从M点入射时速度的大小;(3)若该粒子进入磁场时的速度方向恰好与x轴正方向的夹角为 ,求该粒子的比荷及其从M点运动到N点的时间。
解析 (1)粒子运动的轨迹如图(a)所示。(粒子在电场中的轨迹为抛物线,在磁场中为圆弧,上下对称)
(2)粒子从电场下边界入射后在电场中做类平抛运动。设粒子从M点射入时速度的大小为v0,在下侧电场中运动的时间为t,加速度的大小为a;粒子进入磁场的速度大小为v,方向与电场方向的夹角为θ(见图(b)),速度沿电场方向的分量为v1,根据牛顿第二定律有
qE=ma①式中q和m分别为粒子的电荷量和质量。由运动学公式有v1=at②l'=v0t③v1=vcs θ④
破题粒子在电场中做类平抛运动,然后进入磁场做圆周运动,再次进入电场做类平抛运动,结合相应的计算即可画出轨迹图;在电场中要分两个方向处理问题,一个方向做匀速运动,一个方向做匀加速运动;在磁场中的运动关键是找到圆心,求出半径,结合向心力公式求解。
规律总结 带电粒子在组合场中运动的处理方法1.明性质:要清楚场的性质、方向、强弱、范围等。2.定运动:带电粒子依次通过不同场区时,由受力情况确定粒子在不同区域的运动情况。3.画轨迹:正确地画出粒子的运动轨迹图。4.用规律:根据区域和运动规律的不同,将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段,对不同的阶段选取不同的规律处理。5.找关系:要明确带电粒子通过不同场区的交界处时速度大小和方向的关系,上一个区域的末速度往往是下一个区域的初速度。
1.(多选)(2020山东高三下学期枣庄一中、高密一中、莱西一中在线联考)如图所示,在x轴上方第一象限内存在垂直纸面向里的匀强磁场,x轴下方存在沿y轴正方向的匀强电场。a、b两个重力不计的带电粒子分别从电场中的同一点P由静止释放后,经电场加速从M点射入磁场并在磁场中发生偏转。最后从y轴离开磁场时,速度大小分别为v1和v2,v1的方向与y轴垂直,v2的方向与y轴正方向成60°角。a、b两粒子在磁场中运动的时间分别记为t1和t2,则以下选项正确的是(　　)A.v1∶v2=2∶1B.v1∶v2=1∶2C.t1∶t2=3∶2D.t1∶t2=3∶8
2.(2018全国Ⅲ卷)如图,从离子源产生的甲、乙两种离子,由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动,自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里,磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1,并在磁场边界的N点射出;乙种离子在MN的中点射出;MN长为l。不计重力影响和离子间的相互作用。求:(1)磁场的磁感应强度大小;(2)甲、乙两种离子的比荷之比。
规律方法　“两分析、一应用”巧解复合场问题1.受力分析,关注几场叠加。(1)磁场、重力场并存,受重力和洛伦兹力;(2)电场、重力场并存,受重力和电场力;(3)电场、磁场并存(不计重力的微观粒子),受电场力和洛伦兹力;(4)电场、磁场、重力场并存,受电场力、洛伦兹力和重力。2.运动分析,建构典型的运动模型。带电物体受力平衡,做匀速直线运动;带电物体受力恒定,做匀变速运动;带电物体受力大小恒定且方向指向圆心,做匀速圆周运动;带电物体受力方向变化复杂,做曲线运动等。
3.选用规律,两种观点解题。(1)带电物体做匀速直线运动,则用平衡条件求解(即二力或三力平衡);(2)带电物体做匀速圆周运动,应用向心力公式或匀速圆周运动的规律求解;(3)带电物体做匀变速直线或曲线运动,应用牛顿运动定律和运动学公式求解;(4)带电物体做复杂的曲线运动,应用能量守恒定律或动能定理求解。
【典例2】(2017全国Ⅰ卷)真空中存在电场强度大小为E1的匀强电场,一带电油滴在该电场中竖直向上做匀速直线运动,速度大小为v0。在油滴处于位置A时,将电场强度的大小突然增大到某值,但保持其方向不变。持续一段时间t1后,又突然将电场反向,但保持其大小不变;再持续同样一段时间后,油滴运动到B点。重力加速度大小为g。(1)求油滴运动到B点时的速度;(2)求增大后的电场强度的大小;为保证后来的电场强度比原来的大,试给出相应的t1和v0应满足的条件。已知不存在电场时,油滴以初速度v0做竖直上抛运动的最大高度恰好等于B、A两点间距离的两倍。
解析 (1)设油滴质量和电荷量分别为m和q,油滴速度方向向上为正。油滴在电场强度大小为E1的匀强电场中做匀速直线运动,故匀强电场方向向上。在t=0时,电场强度突然从E1增加至E2时,油滴做竖直向上的匀加速运动,加速度方向向上,大小a1满足qE2-mg=ma1 ①油滴在时刻t1的速度为v1=v0+a1t1②电场强度在时刻t1突然反向,油滴做匀变速运动,加速度方向向下,大小a2满足qE2+mg=ma2③油滴在时刻t2=2t1的速度为v2=v1-a2t1④由①②③④式得v2=v0-2gt1⑤
破题油滴先是竖直向上做匀速直线运动,增大电场强度后开始竖直向上做匀加速直线运动,改变电场强度方向后开始向上做匀减速直线运动。由于油滴向上加速和减速的加速度大小关系不定,故油滴到达B点时可能在上升过程中,也可能在下降过程中,但是求电场反向后油滴位移不受影响,可按竖直上抛运动的全程法来处理,只不过求出油滴加速和减速阶段的位移后,来表示B、A两点之间的距离时,必须讨论B点在A点上方还是下方两种情况。
3.(多选)(2020河北邯郸高三下学期二轮复习模拟)如图甲所示,绝缘轻质细绳一端固定在方向相互垂直的匀强电场和匀强磁场中的O点,另一端连接带正电的小球,小球电荷量q=6×10-7 C,
在图示坐标中,电场方向沿竖直方向,坐标原点O的电势为零。当小球以2 m/s的速率绕O点在竖直平面内做匀速圆周运动时,细绳上的拉力刚好为零。在小球从最低点运动到最高点的过程中,轨迹上每点的电势φ随纵坐标y的变化关系如图乙所示,重力加速度g取10 m/s2。则下列判断正确的是(　　)A.匀强电场的电场强度大小为3.2×106 V/mB.小球重力势能增加最多的过程中,电势能减少了2.4 JC.小球做顺时针方向的匀速圆周运动D.小球所受的洛伦兹力的大小为3 N
4.如图所示,质量为m,带电荷量为+q的液滴,以速度v沿与水平方向成θ=45°角斜向上进入正交的足够大匀强电场和匀强磁场叠加区域,电场强度方向水平向右,磁场方向垂直纸面向里,液滴在场区做匀速直线运动,重力加速度为g。
(1)求电场强度E和磁感应强度B的大小。(2)当液滴运动到某一点A时,电场方向突然变为竖直向上,大小不改变,不考虑因电场变化而产生的磁场的影响,求此时液滴加速度的大小。(3)在满足(2)的前提下,求液滴从A点到达与A点位于同一水平线上的P点(图中未画出)所用的时间。
规律方法　1.变化的电场或磁场往往具有周期性,粒子的运动也往往具有周期性。这种情况下要仔细分析带电粒子的运动过程、受力情况,弄清楚带电粒子在变化的电场、磁场中各处于什么状态,做什么运动,画出一个周期内的运动轨迹的草图。2.粒子运动的周期一般与电场或磁场变化的周期有一定联系,可把两种周期的关系作为解题的突破口。
【典例3】如图甲所示,虚线MN的左侧空间中存在竖直向上的匀强电场(上、下及左侧无边界)。一个质量为m、电荷量为q的带正电小球(视为质点),以大小为v0的水平初速度沿PQ向右做直线运动。若小球刚经过D点时(t=0),在电场所在空间叠加如图乙所示随时间周期性变化、垂直纸面向里的匀强磁场,使得小球再次通过D点时的速度方向与PQ连线成60°角。已知D、Q间的距离为( +1)L,t0小于小球在磁场中做圆周运动的周期,重力加速度大小为g。
(1)求电场强度E的大小; (2)求t0与t1的比值;(3)小球过D点后将做周期性运动,当小球运动的周期最大时,求此时磁感应强度的大小B0及运动的最大周期Tm。
(3)当小球运动的周期最大时,其运动轨迹应与MN相切,小球运动一个周期的轨迹如图(b)所示,
破题本题电场为匀强电场,磁场按周期性变化。这种情况下要仔细分析带电粒子的运动过程、受力情况,弄清楚带电粒子在变化的电场、磁场中各处于什么状态,做什么运动,画出一个周期内的运动径迹的草图。
素养点拨 解决带电粒子在交变电磁场中的运动问题的基本思路
5.(2020山东青岛模拟)如图甲,足够大的平行板MN、PQ水平放置,MN板上方空间存在叠加的匀强磁场和匀强电场,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小为B0,电场方向与水平方向成30°角斜向左上方(图中未画出),电场强度大小E0= 。
有一质量为m、电荷量为q的带正电小球,在该电磁场中沿直线运动,并能通过MN板上的小孔进入平行板间。小球通过小孔时记为t=0时刻,给两板间加上如图乙所示的电场E和磁场B,电场强度大小为E0,方向竖直向上;磁感应强度大小为B0,方向垂直纸面向外,重力加速度为g。(坐标系中
(1)求小球刚进入平行板时的速度大小v0;(2)求t2时刻小球的速度大小v1。
解析 (1)带正电的小球能在电磁场中沿直线运动,可知一定是匀速直线运动,受力平衡,则电场力F电=qE0=mg,方向斜向左上方与水平方向成30°角,重力mg竖直向下,可知电场力与重力夹角为120°,其合力大小为mg,则满足qv0B0=mg
6.(2020山东济宁高三下学期5月模拟)如图甲所示,平行金属板M、N相距为d,两板上所加交变电压UMN如图乙所示(U0未知),紧邻两板右侧建有xOy坐标系,两板中线与x轴共线。现有大量质量为m、电荷量为-e的电子以初速度v0平行于两板沿中线持续不断地射入两板间。已知t=0时刻进入两板间的电子穿过两板间的电场的时间等于所加交变电压的周期T,出射速度大小为2v0,且所有电子都能穿出两板,忽略电场的边缘效应及重力的影响。
(1)求U0的大小;(2)求t= 时刻进入电场的电子打在y轴上的坐标。
电磁场与现代科技的应用实例
【案例探究1】(2020北京朝阳区高三期末)质谱仪是分析同位素的重要工具,其原理简图如图所示。容器A中有电荷量均为+q、质量不同的两种粒子,它们从小孔S1不断飘入电压为U的加速电场(不计粒子的初速度),并沿直线从小孔S2(S1与S2连线与磁场边界垂
直)进入磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b两条“质谱线”。已知打在a处粒子的质量为m。不计粒子重力及粒子间的相互作用。(1)求打在a处的粒子刚进入磁场时的速率v;(2)求S2距a处的距离xa;(3)若S2距b处的距离为xb,且xb= xa,求打在b处粒子的质量mb(用m表示)。
如图所示,交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等,粒子经电场加速,经磁场回旋,由 ,可见同种粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定,与加速电压无关。
【案例探究2】(多选)(2020广东广州、深圳学调联盟高三第二次调研)回旋加速器的工作原理如图所示,置于近似真空中的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以忽略不计,磁感应强度为B的匀强
磁场与盒面垂直,A处粒子源产生质量为m、电荷量为+q的粒子,在加速电压为U的加速电场中被加速,所加磁场的磁感应强度、加速电场的频率可调,磁场的磁感应强度最大值为Bm,加速电场频率的最大值为fm。则下列说法正确的是(　　)A.粒子获得的最大动能与加速电压无关
3.速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计和霍尔元件一般以单个带电粒子为研究对象,在洛伦兹力和电场力平衡时做匀速直线运动达到稳定状态,从而求出相应的物理量,区别见下表。
【案例探究3】(多选)(2020湖南衡阳高三模拟)全国都在打响碧水蓝天保卫战,某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计,测量管由绝缘材料制成,水平放置,其长为L、直径为D,左右两端开口,匀强磁场方向竖直向上,在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极,污水充满管口从左向右流经测量
管时,a、c两端电压为U,显示仪器显示污水流量为Q(单位时间内排出的污水体积)。则下列说法不正确的是(　　)A.a侧电势比c侧电势低B.若污水中正离子较多,则a侧电势比c侧电势高;若污水中负离子较多,则a侧电势比c侧电势低C.污水流量Q与L成正比D.污水流量Q与U成正比,与L无关
归纳总结解决电磁场科学技术问题的一般过程
1.(多选)(2020湖北襄阳高三下学期线上测试)如图所示,H1、H2是同种金属材料(自由电荷为电子)、上下表面为正方形的两个霍尔元件,H1的边长和厚度均为H2
边长和厚度的2倍。将两个霍尔元件放置在同一匀强磁场B中,磁场方向垂直于两元件正方形表面。在两元件上加相同的电压,形成图示方向的电流,M、N两端形成霍尔电压,下列说法正确的是(　　)A.H1中的电流强度是H2中电流强度的2倍B.H1、H2上M端电势高于N端电势C.H1中产生的霍尔电压是H2中产生的霍尔电压的2倍D.H1中产生的霍尔电压等于H2中产生的霍尔电压
2.(2020山东济宁高三6月模拟)电子感应加速器是利用感生电场加速电子的装置,基本原理如图所示。图中上半部分为侧视图,S、N为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一环形真空室,图中下半部分为真空室的俯视图。电磁铁线圈中电流发生变化时,产生的感生电场可以使电子在真空室中加速运动。已知电子的带电荷量为e=1.6×10-19 C,质量为m=9.1×10-31 kg,初速度为零,在变化的磁场作用下运动轨迹半径恒为R=0.455 m,电子轨迹所在处的感生电场的电场强度大小恒为E=9.1 V/m,方向沿轨迹切线方向,电子重力不计。求:
(1)经时间t=5×10-3 s电子获得的动能Ek(结果保留两位有效数字);(2)t=5×10-3 s时刻电子所在位置的磁感应强度B的大小。
答案 (1)2.9×10-11 J (2)0.1 T解析 (1)电子一直受到沿切线方向的电场力而不断加速。由牛顿第二定律得eE=ma由运动学规律知v=at由动能表达式知Ek= mv2解得Ek=2.9×10-11 J(2)电子一直受到指向圆心的洛伦兹力而不断改变速度的方向。解得B=0.1 T
3.容器A中装有大量的质量、电荷量不同但均带正电的粒子,粒子从容器下方的小孔S1不断飘入加速电场(初速度可视为零)做直线运动,通过小孔S2后从两平行板中央沿垂直电场方向射入偏转电场。粒子通过平行板后沿垂直磁场方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场区域,最后打在感光片上,如图所示。已知加速电场中S1、S2间的加速电压为U,偏转电场极板长为L,
两板间距也为L,板间电场强度E= ,方向水平向左(忽略板外的电场),平行板f的下端与磁场边界ab相交于点P,在边界ab上实线处固定放置感光片。测得从容器A中逸出的所有粒子均打在感光片P、Q之间,且Q距P的长度为3L,不考虑粒子所受重力与粒子间的相互作用,求:(1)粒子射入磁场时,其速度方向与边界ab间的夹角;(2)射到感光片Q处的粒子的比荷(电荷量q与质量m之比);(3)粒子在磁场中运动的最短时间。