2023高考物理二轮专题复习与测试第一部分专题三第12讲带电粒子在复合场中的运动课件

这是一份2023高考物理二轮专题复习与测试第一部分专题三第12讲带电粒子在复合场中的运动课件，共60页。PPT课件主要包含了知识归纳素养奠基，专题三电场和磁场，各类场的特征．，细研命题点提升素养，叠加场应用．，续上表，答案B等内容，欢迎下载使用。
第12讲　带电粒子在复合场中的运动
命题点一　电磁场技术的应用电磁科技仪器原理介绍1．质谱仪：研究物质同位素的装置．
2．回旋加速器：电场加速、磁场偏转．
(2020·全国卷Ⅱ改编)如图甲所示的CT扫描机，其部分工作原理如图乙所示：M、N之间是加速电场，虚线框内存在垂直纸面的匀强磁场．电子从静止开始经加速电场后，垂直进入偏转磁场，最后打在靶上的P点．已知加速电压为U，磁场的宽度为d，电子的质量为m、电荷量为e，电子离开磁场时的速度偏转角为θ.求：
(1)电子离开电场时的速度大小；(2)磁感应强度的大小和方向．
图甲是离子注入系统，它是一种对半导体进行掺杂的方法，可以改变半导体材料的成份和性质．图乙是它的简化示意图，由离子源、加速器、质量分析器、磁偏转室和注入靶组成．初速度近似为0的正离子从离子源飘入加速器，加速后的成为高能离子，离子沿质量分析器的中轴线运动并从F点射出，然后垂直磁偏转室的边界从P点进入，离子在磁偏转室中速度方向偏转90°后垂直边界从Q点射出，最后垂直打到注入靶上．已知质量分析器的C、D两极板电势差为U，板长为L，板间距离为d；磁偏转室的圆心为O，O与P之间的距离为L，内部匀强磁场的磁感应强度为B；正离子的质量为m、电荷量为q，不考虑离子的重力及离子间的相互作用．
(1)求加速器A、B两极板的电势差U1和质量分析器内磁场的磁感应强度B1；(2)若每秒打到注入靶的离子数为n，其中90%的离子进入注入靶中，10%的离子被反向弹回，弹回的速度大小为原来的一半，求注入靶受到的作用力大小；
(3)假设质量分析器两极板间电势差发生极小的波动，则离子在质量分析器中不再沿直线运动，但可近似看作是匀变速曲线运动．要使这些离子经磁偏转室后仍能全部会聚到一点，求P点与F点之间的距离．
(3)离子在质量分析器内运动看作匀变速曲线运动，即做类平抛，则所有离子均可视为从极板轴线的中点M射出，会聚点N应与M点关于磁偏转器的角平分线对称，如图所示
1．如图所示为质谱仪的工作原理图，在容器A中存在若干种电荷量q相同而质量m不同的带电粒子，它们可从容器A下方经过窄缝S1和S2之间的电场加速后射入速度选择器，速度选择器中的电场E和磁场B都垂直于离子速度v，且E也垂直于B.通过速度选择器的粒子接着进入均匀磁场B0中，沿着半圆周运动后到达照相底片上形成谱线．若测出谱线A到入口S0的距离为x，则下列能正确反映x与m之间函数关系的是(　　)
A　　　　　　　　　　 BC D
2．如图，距离为d的两平行金属板P、Q之间有一匀强磁场，磁感应强度大小为B1，一束速度大小为v的等离子体垂直于磁场喷入板间，相距为L的两光滑平行金属导轨固定在与导轨平面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小为B2，导轨平面与水平面夹角为θ，两导轨分别与P、Q相连，质量为m、电阻为R的金属棒ab垂直导轨放置，恰好静止，重力加速度为g，不计导轨电阻、板间电阻和等离子体中的粒子重力，下列说法正确的是(　　)
3．武汉病毒研究所是我国防护等级最高的P4实验室，在该实验室中有一种污水流量计，其原理可以简化为如图乙所示模型：废液内含有大量正负离子，从直径为d的圆柱形容器右侧流入，左侧流出，流量值Q等于单位时间通过横截面的液体的体积．空间有垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，下列说法正确的是(　　)
A．只需要测量磁感应强度B、直径d及MN两点电压U，就能够推算污水的流量B．只需要测量磁感应强度B及MN两点电压U，就能够推算污水的流速C．当磁感应强度B增大时，污水流速将增大D．当污水中离子浓度升高时，MN两点电压将增大
4．利用霍尔元件可以进行微小位移的测量，如图甲所示，将固定有霍尔元件的物体置于两块磁性强弱相同、同极相对放置的磁体缝隙中，建立如图乙所示的空间坐标系，保持沿x方向通过霍尔元件的电流I不变，当物体沿z轴方向移动时，由于不同位置处磁感应强度B不同，霍尔元件将在y轴方向的上、下表面间产生不同的霍尔电压UH，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，UH为0，将该点作为位移的零点，在小范围内，磁感应强度B的大小和坐标z成正比，这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表，下列说法中正确的是(　　)
A．该仪表只能测量位移的大小，无法确定位移的方向B．该仪表的刻度线是均匀的C．若霍尔元件中导电的载流子为电子，则Δz＜0时，下表面电势高D．电流I越大，霍尔电压UH越小
的刻度线是均匀的，选项B正确；C项，若霍尔元件中导电的载流子为电子，则当Δz＜0时，磁场方向向右，则由左手定则可知，电子偏向下表面，即下表面电势低，选项C错误；D项，根据UH＝Bvd，结合电流的决定式I＝neSv可知，当n、e、S三者确定时，I越大，v越大，霍尔电压越高，故D错误；故选B.
命题点二　带电粒子在复合场中的运动一、电场与磁场的组合组合场中的两种典型偏转．
二、带电粒子在叠加场中的运动带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动．带电粒子在叠加场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道约束的情况下，常见的运动形式有直线运动和圆周运动，分析时应注意：(1)分析带电粒子所受各力，尤其是洛伦兹力的变化情况，分阶段明确物体的运动情况．(2)根据物体各阶段的运动特点，选择合适的规律求解．①匀速直线运动阶段：应用平衡条件求解．②匀加速直线运动阶段：应用牛顿第二定律结合运动学公式求解．③变加速直线运动阶段：应用动能定理、能量守恒定律求解．
(2022·全国甲卷)空间存在着匀强磁场和匀强电场，磁场的方向垂直于纸面(xOy平面)向里，电场的方向沿y轴正方向．一带正电的粒子在电场和磁场的作用下，从坐标原点O由静止开始运动．下列四幅图中，可能正确描述该粒子运动轨迹的是(　　)
解析：在xOy平面内电场的方向沿y轴正方向，故在坐标原点O静止的带正电粒子在电场力作用下会向y轴正方向运动．磁场方向垂直于纸面向里，根据左手定则，可判断出向y轴正方向运动的粒子同时受到沿x轴负方向的洛伦兹力，故带电粒子向x轴负方向偏转．A、C错误；运动的过程中在电场力对带电粒子做功，粒子速度大小发生变化，粒子所受的洛伦兹力方向始终与速度方向垂直．由于匀强电场方向是沿y轴正方向，故x轴为匀强电场的等势面，从开始到带电粒子偏转再次运动到x轴时，电场力做功为0，洛伦兹力不做功，故带电粒子再次回到x轴时的速度为0，随后受电场力作用再次进入第二象限重复向左偏转，故B正确，D错误．故选B.
(1)求粒子经过小孔O时的速度大小；(2)求粒子在磁场中相邻两次经过小孔O时运动的时间及磁场B的大小；(3)若在Ⅱ区中＋x方向增加一个附加匀强磁场，可使粒子经过小孔O后恰好不能进入到Ⅲ区、并直接从Ⅱ区前表面(＋x方向一侧)P点飞出，求P点坐标为(xP，yP，zP)．
(1)求D点的位置坐标及电荷进入磁场区域Ⅰ时的速度大小v；(2)若将区域Ⅱ内的磁场换成沿－x轴方向的匀强电场，该粒子仍从A点以原速度进入磁场区域Ⅰ，并最终仍能垂直x轴离开，求匀强电场的场强E.
(2)设粒子在电场中的运动时间为t，加速度大小为a，
2．工业上常用磁偏转电子蒸发源实现镀膜工艺，是利用高能电子束轰击膜材使其熔化蒸发实现蒸镀，因电子束的运行轨迹呈“e”形，又被称作“e”形枪．其工作原理可简化为如图所示：灯丝在电源加热后逸出电子(初速度不计)，进入高压加速电场区域，之后从M点沿水平向右方向进入匀强磁场区域，经磁场向上偏转后轰击坩埚(图中凹形区域)中的膜材使其熔化蒸发．已知电子的质量为m、电量为－e，图中AO＝MO＝d，BO＝2d，坩埚深度可忽略不计．
(1)当加速电压为U时，电子在磁场中恰好偏转270°后垂直击中坩埚右边缘A点，求磁场的磁感应强度B的大小；(2)保持(1)问中的磁感应强度不变，改变加速电压，电子束轰击坩埚中的B点，求此时加速电压U1.
(1)粒子加速器的电势差为多少；(2)若该粒子进入电场区域后恰好经过N(N为整数)个周期后到达平面MNPQ，求该粒子经过平面MNPQ时的位置；(3)若粒子经过磁场区域后，从QGHM平面内射出，求该磁场的磁感应强度的范围．
4．中国芯片研发水平在崛起．在芯片制造过程中，离子注入是其中一道重要工序．如图所示是离子注入工作原理示意图，离子经加速后沿水平方向进入速度选择器，然后通过磁分析器，选择出特定比荷的离子，经偏转系统后注入到处在水平面内的晶圆(硅片)．速度选择器、磁分析器和偏转系统中的匀强磁场的磁感应强度大小均为B，方向均垂直纸面向外；速度选择器和偏转系统中的匀强电场场强大小均为E，方向分别为竖直向上和垂直纸面向外．磁分析器截面是内外半径分别为R1和R2的四分之一圆环，其两端中心位置M和N处各有一个小孔；偏转系统中电场和磁场的分布区域是同一边长为L的正方体，其底面与晶圆所在水平面平行，间距也为L.当偏转系统不加电场及磁场时，离子恰好由上表面中心竖直进入系统，并竖直注入到晶圆上的O点(即图中坐标原
点，x轴垂直纸面向外)．整个系统置于真空中，不计离子重力，打在晶圆上的离子，经过电场和磁场偏转的角度都很小，粒子能从底面穿出偏转系统．当α很小时，有sin α≈tan α≈α，cs α≈1－ α2.求：
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v和磁分析器选择出来离子的比荷；(2)若偏转系统仅加电场时离子注入晶圆的位置，用坐标(x，y)表示；(3)若偏转系统同时加上电场和磁场时离子注入晶圆的位置，用坐标(x，y)表示.