
知識(shí)框架
一、洛倫茲力
1.洛倫茲力:磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷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——磁感線垂直穿入掌心;
四指——指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向;
拇指——指向洛倫茲力的方向.
(2)方向特點(diǎn):F⊥B,F(xiàn)⊥v,即F垂直于B和v決定的平面(注意:洛倫茲力不做功).
3.洛倫茲力的大小
(1)v∥B時(shí),洛倫茲力F=0.(θ=0°或180°)
(2)v⊥B時(shí),洛倫茲力F=qvB.(θ=90°)
(3)v=0時(shí),洛倫茲力F=0.
二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
1.若v∥B,帶電粒子不受洛倫茲力,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng).
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做勻速圓周運(yùn)動(dòng).
核心素養(yǎng)
1.x-t圖象的理解
核心素養(yǎng)一 洛倫茲力和電場(chǎng)力的比較
1.洛倫茲力方向的特點(diǎn)
(1)洛倫茲力的方向與電荷運(yùn)動(dòng)的方向和磁場(chǎng)方向都垂直,即洛倫茲力的方向總是垂直于運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向和磁場(chǎng)方向共同確定的平面.
(2)當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí),洛倫茲力的方向也隨之變化.
2.洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較
典例精講
1.如圖,a是豎直平面P上的一點(diǎn),P前有一條形磁鐵垂直于P,且S極朝向a點(diǎn),P后一電子在偏轉(zhuǎn)線圈和條形磁鐵的磁場(chǎng)的共同作用下,在水平面內(nèi)向右彎曲經(jīng)過(guò)a點(diǎn).在電子經(jīng)過(guò)a點(diǎn)的瞬間,條形磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)該電子的作用力的方向( )
A.向上 B.向下
C.向左 D.向右
解析:條形磁鐵的磁感線在a點(diǎn)垂直P向外,電子在條形磁鐵的磁場(chǎng)中向右運(yùn)動(dòng),由左手定則可得電子所受洛倫茲力的方向向上,A正確.
答案:A
2.一個(gè)重力不計(jì)的帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng).則下列能表示運(yùn)動(dòng)周期T與半徑R之間的關(guān)系圖象的是( )
解析:帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),qvB=meq \f(v2,R)?R=eq \f(mv,qB),由圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律,T=eq \f(2πR,v)=eq \f(2πm,qB),可見(jiàn)粒子運(yùn)動(dòng)周期與半徑無(wú)關(guān),故D項(xiàng)正確.
答案:D
過(guò)關(guān)訓(xùn)練
一、單選題
1.在赤道處,將一小球向東水平拋出,落地點(diǎn)為a;給小球帶上電荷后,仍以原來(lái)的速度拋出,考慮地磁場(chǎng)的影響,下列說(shuō)法正確的是( )
A.無(wú)論小球帶何種電荷,小球仍會(huì)落在a點(diǎn)
B.無(wú)論小球帶何種電荷,小球下落時(shí)間都會(huì)延長(zhǎng)
C.若小球帶負(fù)電荷,小球會(huì)落在更遠(yuǎn)的b點(diǎn)
D.若小球帶正電荷,小球會(huì)落在更遠(yuǎn)的b點(diǎn)
2.如圖所示,一個(gè)粗糙且足夠長(zhǎng)的斜面體靜止于水平面上,并處于方向垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,質(zhì)量為m、帶電荷量為+Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑,在滑塊下滑的過(guò)程中,斜面體靜止不動(dòng).下列判斷正確的是( )
A.滑塊受到的摩擦力逐漸增大B.滑塊沿斜面向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
C.滑塊最終要離開(kāi)斜面D.滑塊最終可能靜止于斜面上
3.在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,α粒子(He)和質(zhì)子(H)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),若它們的動(dòng)量大小相等,則α粒子和質(zhì)子( )
A.運(yùn)動(dòng)半徑之比是2∶1B.運(yùn)動(dòng)周期之比是2∶1
C.運(yùn)動(dòng)速度大小之比是4∶1D.受到的洛倫茲力大小之比是2∶1
4.如圖,長(zhǎng)為l的絕緣輕繩上端固定于O點(diǎn),下端系一質(zhì)量為m的帶負(fù)電小球,在小球運(yùn)動(dòng)的豎直平面內(nèi)有垂直該平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).某時(shí)刻給小球一垂直于磁場(chǎng)、水平向右的初速度,小球能做完整的圓周運(yùn)動(dòng).不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g.則
A.小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
B.小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程機(jī)械能不守恒
C.小球在最高點(diǎn)的最小速度
D.最低點(diǎn)與最高點(diǎn)的繩子拉力差值大于6mg
5.在探究射線性質(zhì)的過(guò)程中,讓質(zhì)量為m1、帶電量2e的α粒子和質(zhì)量為m2、帶電量e的β粒子,分別垂直于磁場(chǎng)方向射入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,發(fā)現(xiàn)兩種粒子沿半徑相同的圓軌道運(yùn)動(dòng).則α粒子與β粒子的動(dòng)能之比是
A.B.C.D.
6.如圖,在坐標(biāo)系的第一和第二象限內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為和B、方向均垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng).一質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子垂直于x軸射入第二象限,隨后垂直于y軸進(jìn)入第一象限,最后經(jīng)過(guò)x軸離開(kāi)第一象限.粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為
A.B.C.D.
7.圖中a、b、c、d為四根與紙面垂直的長(zhǎng)直導(dǎo)線,其橫截面位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上,導(dǎo)線中通有大小相同的電流,方向如圖所示.一帶正電的粒子從正方形中心O點(diǎn)沿垂直于紙面的方向向外運(yùn)動(dòng),它所受洛倫茲力的方向是( )
A.向上B.向下C.向左D.向右
二、多選題
8.如圖所示,在水平勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,有一豎直足夠長(zhǎng)固定絕緣桿MN,小球P套在桿上,已知P的質(zhì)量為m、電荷量為+q,電場(chǎng)強(qiáng)度為E,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,P與桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,重力加速度為g.小球由靜止開(kāi)始下滑直到穩(wěn)定的過(guò)程中( )
A.小球的加速度一直減小
B.小球的機(jī)械能和電勢(shì)能的總和保持不變
C.下滑加速度為最大加速度一半時(shí)的速度可能是v=
D.下滑加速度為最大加速度一半時(shí)的速度可能是v=
9.兩個(gè)質(zhì)子以不同速率在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),軌跡如圖所示,兩圓周相切于A點(diǎn),過(guò)A點(diǎn)做一直線與兩圓周交于B點(diǎn)和C點(diǎn).若兩圓周半徑r1:r2=1:2,下列說(shuō)法正確的有
A.兩質(zhì)子速率v1:v2=1:2
B.兩質(zhì)子周期T1:T2=1:2
C.兩質(zhì)子由A點(diǎn)出發(fā)第一次到達(dá)B點(diǎn)和C點(diǎn)經(jīng)歷的時(shí)間t1:t2=1:2
D.兩質(zhì)子在B點(diǎn)和C點(diǎn)處速度方向相同
10.如圖所示,粗糙木板MN豎直固定在方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.t=0時(shí),一個(gè)質(zhì)量為m、電量為q的帶正電物塊沿MN以某一初速度豎直向下滑動(dòng),則物塊運(yùn)動(dòng)的v-t圖象可能是
A.B.
C.D.
11.帶電小球以一定的初速度v0豎直向上拋出,能夠達(dá)到的最大高度為h1;若加上水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng),且保持初速度仍為v0,小球上升的最大高度為h2;若加上水平方向的勻強(qiáng)電場(chǎng),且保持初速度仍為v0,小球上升的最大高度為h3,若加上豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng),且保持初速度仍為v0,小球上升的最大高度為h4,如圖所示.不計(jì)空氣,則( )
A.一定有h1=h3B.一定有h1<h4
C.h2與h4無(wú)法比較D.h1與h2無(wú)法比較
12.如圖所示,ABC為豎直平面內(nèi)的光滑絕緣軌道,其中AB為傾斜直軌道,BC為與AB相切的圓形軌道,并且圓形軌道處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,質(zhì)量相同的甲、乙、丙三個(gè)小球中,甲球帶正電、乙球帶負(fù)電、丙球不帶電.現(xiàn)將三個(gè)小球在軌道AB上分別從不同高度處由靜止釋放,都恰好通過(guò)圓形軌道的最高點(diǎn),則( )
A.經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)時(shí),三個(gè)小球的速度相等
B.經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)時(shí),甲球的速度最小
C.甲球的釋放位置比乙球的高
D.運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三個(gè)小球的機(jī)械能均保持不變
1.如圖所示,在真空中坐標(biāo)xOy平面的x>0區(qū)域內(nèi),有磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0×10-2 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向與xOy平面垂直,在x軸上的P(10,0)點(diǎn),有一放射源,在xOy平面內(nèi)向各個(gè)方向發(fā)射速率v=1.0×104 m/s的帶正電的粒子,粒子的質(zhì)量為m=1.6×10-25 kg,電荷量為q=1.6×10-18 C.求帶電粒子能打到y(tǒng)軸上的范圍.
2.在如圖所示的平面直角坐標(biāo)系xOy中,有一個(gè)圓形區(qū)域的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫出),磁場(chǎng)方向垂直于xOy平面,O點(diǎn)為該圓形區(qū)域邊界上的一點(diǎn).現(xiàn)有一質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的帶電粒子(不計(jì)重力)從O點(diǎn)以初速度v0沿x軸正方向進(jìn)入磁場(chǎng),已知粒子經(jīng)過(guò)y軸上P點(diǎn)時(shí)速度方向與y軸正方向夾角為θ=30°,OP=L,求:
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向;
(2)該圓形磁場(chǎng)區(qū)域的最小面積.
考題預(yù)測(cè) 參考答案
1解析:帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),由牛頓第二定律得qvB=meq \f(v2,R),解得R=eq \f(mv,qB)=0.1 m=10 cm. 如圖所示,當(dāng)帶電粒子打到y(tǒng)軸上方的A點(diǎn)與P連線正好為其圓軌跡的直徑時(shí),A點(diǎn)即為粒子能打到y(tǒng)軸上方的最高點(diǎn).因OP=10 cm,
AP=2R=20 cm,
則OA=eq \r(AP2-OP2)=10eq \r(3) cm;
當(dāng)帶電粒子的圓軌跡正好與y軸下方相切于B點(diǎn)時(shí),若圓心再向左偏,則粒子就會(huì)從縱軸離開(kāi)磁場(chǎng),所以B點(diǎn)即為粒子能打到y(tǒng)軸下方的最低點(diǎn),易得OB=R=10 cm.綜上所述,帶電粒子能打到y(tǒng)軸上的范圍為-10~10eq \r(3) cm.
答案:-10~10eq \r(3) cm
2解析:(1)由左手定則得磁場(chǎng)方向垂直xOy平面向里.粒子在磁場(chǎng)中做弧長(zhǎng)為eq \f(1,3)圓周的勻速圓周運(yùn)動(dòng),如圖所示,粒子在Q點(diǎn)飛出磁場(chǎng).設(shè)其軌跡圓心為O′,半徑為R.
由幾何關(guān)系有(L-R)sin 30°=R
所以R=eq \f(1,3)L
由牛頓第二定律有qv0B=meq \f(v02,R)
故R=eq \f(mv0,qB)
由以上各式得磁感應(yīng)強(qiáng)度B=eq \f(3mv0,qL)
(2)設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域的最小面積為S,由幾何關(guān)系得
直徑OQ=eq \r(3)R=eq \f(\r(3),3)L
所以S=π(eq \f(OQ,2))2=eq \f(π,12)L2
答案:(1)eq \f(3mv0,qL) 垂直xOy平面向里 (2)eq \f(π,12)L2
過(guò)關(guān)訓(xùn)練 參考答案
1.D
【詳解】
若小球帶負(fù)電荷,根據(jù)左手定則知道小球受斜向左向下方的洛倫茲力,這樣小球偏折更厲害,會(huì)落在a的左側(cè)
若小球帶正電荷,根據(jù)左手定則知道小球受斜向右上方的洛倫茲力,這樣小球會(huì)飛的更遠(yuǎn),落在更遠(yuǎn)的b點(diǎn)
故應(yīng)該選D
2.C
【詳解】
滑塊受重力、支持力、垂直于斜面向上的洛倫茲力和沿斜面向上的摩擦力四個(gè)力的作用,初始時(shí)刻洛倫茲力為0,滑塊在重力和摩擦力的作用下沿斜面向下運(yùn)動(dòng),隨著速度v的增大,洛倫茲力qvB增大,滑塊受到的彈力減小,引起摩擦力減小,滑塊沿斜面向下加速度大小變大,當(dāng)時(shí),滑塊開(kāi)始離開(kāi)斜面.綜上所述,故C正確,ABD錯(cuò)誤;
故選C.
3.B
【詳解】
設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,粒子的質(zhì)量為m,電荷量為q,運(yùn)動(dòng)半徑為r,周期為T,速度大小為v,受到的洛倫茲力大小為f。根據(jù)牛頓第二定律有
①
解得
②
根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律有
③
根據(jù)動(dòng)量的定義式有
④
根據(jù)洛倫茲力公式有
⑤
α粒子和質(zhì)子的質(zhì)量之比為
⑥
電荷量之比為
⑦
聯(lián)立②③④⑤⑥⑦解得運(yùn)動(dòng)半徑之比為
⑧
周期之比為
⑨
運(yùn)動(dòng)速度大小之比為
⑩
受到的洛倫茲力大小之比為
?
故ACD錯(cuò)誤,B正確。
故選B。
4.D
【詳解】
A.小球受重力、繩子的拉力以及沿繩子向外的洛倫茲力,則小球做非勻速圓周運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)A錯(cuò)誤;
B.小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程,只有重力做功,則機(jī)械能守恒,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;
C.在最高的最小速度滿足
則
選項(xiàng)C錯(cuò)誤;
D.在最高點(diǎn)時(shí)
從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)
在最低點(diǎn)
聯(lián)立解得
選項(xiàng)D正確;
故選D.
5.D
【詳解】
粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),洛倫茲力提供向心力,根據(jù)牛頓第二定律,有:,動(dòng)能為:,聯(lián)立可得:,粒子是氦核,粒子是電子,故粒子和粒子的電量之比為,故粒子和粒子的動(dòng)能之比為:,故D正確,ABC錯(cuò)誤.
6.B
【詳解】
運(yùn)動(dòng)軌跡如圖:
即運(yùn)動(dòng)由兩部分組成,第一部分是個(gè)周期,第二部分是個(gè)周期, 粒子在第二象限運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為90°,則運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為;粒子在第一象限轉(zhuǎn)過(guò)的角度為60°,則運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為;則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為:,故B正確,ACD錯(cuò)誤..
7.B
【詳解】
試題分析:帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力,磁場(chǎng)為4根長(zhǎng)直導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的合磁場(chǎng),根據(jù)右手定則,a在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)樗较蜃?,b在O點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)方向?yàn)樨Q直向上,c在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)樗较蜃?,d在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向豎直向下,所以合場(chǎng)方向水平向左.根據(jù)左手定則,帶正電粒子在合磁場(chǎng)中洛倫茲力方向向下.故選B.
考點(diǎn):洛倫茲力方向判定(左手定則)和直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的判定(右手螺旋定則).
8.CD
【詳解】
A.當(dāng)小球下落穩(wěn)定時(shí)所受電場(chǎng)力向左,重力向下,洛倫茲力向右,摩擦力向上,一開(kāi)始洛倫茲力較小,彈力向右,隨著速度逐漸增大,洛倫茲力增大,彈力減小,摩擦力減小,加速度增大,A錯(cuò);
B.由能量守恒可知機(jī)械能和電勢(shì)能的減小量等于動(dòng)能、摩擦生熱之和,所以機(jī)械能和電勢(shì)能總和是減小的,B錯(cuò);
CD.當(dāng)洛倫茲力等于電場(chǎng)力時(shí)加速度最大為g,當(dāng)加速度為g/2時(shí)受力分析有:
f=qvB
可求得
當(dāng)洛倫茲力較大時(shí)應(yīng)有
可求得
CD對(duì);
故選CD。
9.AD
【分析】
根據(jù)半徑關(guān)系根據(jù)可判斷速度關(guān)系;同種粒子在相同磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期相同;結(jié)合幾何關(guān)系可知兩粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角相同,從而判斷時(shí)間關(guān)系和速度方向關(guān)系.
【詳解】
根據(jù)解得,可知兩質(zhì)子速率v1:v2= r1:r2=1:2,選項(xiàng)A正確;根據(jù)可知兩質(zhì)子周期相同,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;由幾何關(guān)系可知,兩粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角相同,根據(jù)可知,兩質(zhì)子由A點(diǎn)出發(fā)第一次到達(dá)B點(diǎn)和C點(diǎn)經(jīng)歷的時(shí)間相同,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;因兩粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度方向相同,在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角相同,可知兩質(zhì)子在B點(diǎn)和C點(diǎn)處速度方向相同,選項(xiàng)D正確;故選AD.
【點(diǎn)睛】
帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,關(guān)鍵是理解記憶兩個(gè)基本公式,即半徑公式和周期公式,充分利用幾何關(guān)系找到圓心角和半徑關(guān)系等等.
10.ACD
【分析】
對(duì)滑塊受力分析,分析開(kāi)始時(shí)重力mg與摩擦力的大小關(guān)系來(lái)確定滑塊的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),根據(jù)速度的變化分析加速度的變化.
【詳解】
設(shè)初速度為v0,則若滿足mg=f=μN(yùn),因N=Bqv0,則mg=μBqv0,則滑塊向下做勻速運(yùn)動(dòng),則選項(xiàng)A正確;若mg>μBqv0,則滑塊開(kāi)始有向下的加速度,由可知,隨速度增加,加速度減小,即滑塊做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),最后達(dá)到勻速狀態(tài),則選項(xiàng)D正確;若mg
這是一份高考物理一輪復(fù)習(xí)第10章第2節(jié)磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用課時(shí)學(xué)案,共28頁(yè)。學(xué)案主要包含了洛倫茲力的大小和方向,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份新高考物理一輪復(fù)習(xí)學(xué)案 9.2 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用(含解析),共14頁(yè)。學(xué)案主要包含了洛倫茲力,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份(新高考)高考物理一輪復(fù)習(xí)學(xué)案8.3《電學(xué)實(shí)驗(yàn)》(含解析),共16頁(yè)。學(xué)案主要包含了實(shí)驗(yàn)題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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