
1.了解疊加場(chǎng)的特點(diǎn),會(huì)處理帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.2.掌握帶電粒子在交變電、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的解題思路和處理方法.
NEIRONGSUOYIN
題型一 帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
題型二 帶電粒子在交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
1.疊加場(chǎng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)共存,或其中某兩場(chǎng)共存.2.帶電粒子在疊加場(chǎng)中常見(jiàn)的幾種運(yùn)動(dòng)形式
例1 (2020·百師聯(lián)盟4月沖刺卷)如圖1所示,直角坐標(biāo)系xOy所在豎直平面內(nèi)分布著場(chǎng)強(qiáng)大小相等的勻強(qiáng)電場(chǎng),第一、二象限中場(chǎng)強(qiáng)方向沿y軸正方向,第三、四象限中場(chǎng)強(qiáng)方向沿x軸正方向;第一、四象限還分布著垂直于平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).一質(zhì)量為0.02 kg、帶正電的微粒自坐標(biāo)為(0,-0.4 m)的A點(diǎn)出發(fā),與y軸成45°角以2 m/s的速度射入第四象限,并能在第四象限內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng),已知重力加速度g取10 m/s2.求:(1)微粒第一次通過(guò)y軸時(shí)的縱坐標(biāo);
解析 微粒受力及運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析如圖所示:微粒在第四象限內(nèi)沿與y軸成45°角做勻速直線運(yùn)動(dòng),有qE=mg
微粒在第一象限內(nèi),重力與電場(chǎng)力二力平衡,微粒做勻速圓周運(yùn)動(dòng),
由幾何關(guān)系得,微粒在第一象限恰好做了半個(gè)周期的圓周運(yùn)動(dòng),故微粒第一次通過(guò)y軸時(shí)的縱坐標(biāo)為0.4 m.
(2)微粒運(yùn)動(dòng)軌跡與初速度方向所在的直線第一次相交時(shí),所需要的時(shí)間(結(jié)果可用根式表示);
解析 由A到B微粒做勻速直線運(yùn)動(dòng):
由D到E微粒做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng),軌跡交BA延長(zhǎng)線于G點(diǎn)
(3)微粒從射出到第(2)問(wèn)所說(shuō)的時(shí)刻,動(dòng)能的增加量.
解析 只有在第三象限運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,微粒動(dòng)能有變化.
由動(dòng)能定理知,W=ΔEk,解得動(dòng)能的增加量為ΔEk=0.16 J.
1.(帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))(2017·全國(guó)卷Ⅰ·16)如圖2,空間某區(qū)域存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),電場(chǎng)方向豎直向上(與紙面平行),磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里,三個(gè)帶正電的微粒a、b、c電荷量相等,質(zhì)量分別為ma、mb、mc,已知在該區(qū)域內(nèi),a在紙面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),b在紙面內(nèi)向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),c在紙面內(nèi)向左做勻速直線運(yùn)動(dòng).下列選項(xiàng)正確的是A.ma>mb>mc B.mb>ma>mcC.mc>ma>mb D.mc>mb>ma
解析 設(shè)三個(gè)微粒的電荷量均為q,a在紙面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),說(shuō)明洛倫茲力提供向心力,重力與電場(chǎng)力平衡,則mag=qE①b在紙面內(nèi)向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),三力平衡,則mbg=qE+qvB②c在紙面內(nèi)向左做勻速直線運(yùn)動(dòng),三力平衡,則mcg+qvB=qE③比較①②③式得:mb>ma>mc,選項(xiàng)B正確.
2.(帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))如圖3所示,在豎直平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系xOy,其第一象限存在著正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度的方向水平向右,磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向里.一帶電荷量為+q、質(zhì)量為m的微粒從原點(diǎn)出發(fā),沿與x軸正方向的夾角為45°的初速度進(jìn)入復(fù)合場(chǎng)中,正好做直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)微粒運(yùn)動(dòng)到A(l,l)時(shí),電場(chǎng)方向突然變?yōu)樨Q
直向上(不計(jì)電場(chǎng)變化的時(shí)間),粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后,正好垂直于y軸穿出復(fù)合場(chǎng).不計(jì)一切阻力,重力加速度為g,求:(1)電場(chǎng)強(qiáng)度E的大?。?br/>解析 微粒到達(dá)A(l,l)之前做勻速直線運(yùn)動(dòng),對(duì)微粒受力分析如圖甲:
(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??;
電場(chǎng)方向變化后,微粒所受重力與電場(chǎng)力平衡,微粒在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),軌跡如圖乙:
(3)微粒在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間.
解決帶電粒子在交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基本思路
例2 如圖4甲所示,在兩塊水平金屬極板間加有電壓U構(gòu)成偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),一束比荷 =106 C/kg的帶正電的粒子流(重力和粒子間的相互作用不計(jì)),以速度v0=104 m/s沿水平方向從金屬極板正中間射入兩板.粒子經(jīng)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入一具有理想邊界的半圓形變化磁場(chǎng)區(qū)域,O為圓心,區(qū)域直徑AB長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1 m,AB與水平方向成45°角.區(qū)域內(nèi)有按如圖乙所示規(guī)律做周期性變化的磁場(chǎng),已知B0=0.5 T,磁場(chǎng)方向以垂直于紙面向外為正.粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后,恰好從下極板邊緣O點(diǎn)與水平方向成45°角斜向下射入磁場(chǎng).(1)兩金屬極板間的電壓U是多大?答案 見(jiàn)解析
代入數(shù)據(jù)解得U=100 V
(2)若T0=0.5 s,求t=0時(shí)刻射入磁場(chǎng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t和離開(kāi)磁場(chǎng)的位置.
粒子在磁場(chǎng)中經(jīng)過(guò)半周從OB間穿出,粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t= =2π×10-6 s
射出點(diǎn)在OB間離O點(diǎn)2r=0.04 m
(3)要使所有帶電粒子通過(guò)O點(diǎn)后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不再?gòu)腁B兩點(diǎn)間越過(guò),求出磁場(chǎng)的變化周期T0應(yīng)滿足的條件.答案 見(jiàn)解析
粒子最可能從AB間射出,恰好不從AB射出時(shí),如圖,
3.(帶電粒子在交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))(2020·江蘇鎮(zhèn)江市期末)如圖5甲所示,豎直邊界分別為P和Q的區(qū)域?qū)挾葹?L,其內(nèi)部分布著垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和豎直方向上的周期性變化的電場(chǎng),電場(chǎng)隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖乙所示,E>0表示電場(chǎng)方向豎直向上.在t=0時(shí)刻,一帶電荷量為+q、
質(zhì)量為m的帶電微粒從邊界P上的A點(diǎn)處水平射入該區(qū)域,先沿直線運(yùn)動(dòng)到某點(diǎn),再經(jīng)歷一次完整的半徑為L(zhǎng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng),最后沿直線運(yùn)動(dòng)從邊界Q上的B點(diǎn)處離開(kāi)磁場(chǎng),重力加速度為g.求:
解析 由帶電微粒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)可得qE0=mg
(2)微粒剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度v0的大小及磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B;
解析 由帶電微粒做直線運(yùn)動(dòng)可知Bqv0=mg+qE0
(3)電場(chǎng)變化周期T的范圍.
解析 (Ⅰ)如圖a所示,當(dāng)O點(diǎn)為AB中點(diǎn)時(shí),所對(duì)應(yīng)的周期T為最小周期.設(shè)微粒從A運(yùn)動(dòng)至O點(diǎn)處所需要的時(shí)間為t1
設(shè)微粒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期為t2,
(Ⅱ)如圖b所示,當(dāng)圓軌跡與右邊界Q相切時(shí),所對(duì)應(yīng)的周期T為最大周期.
1.(多選)(2020·浙江名校聯(lián)考)質(zhì)量為m、電荷量為q的微粒以速度v與水平方向成θ角從O點(diǎn)進(jìn)入方向如圖1所示的正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)組成的混合場(chǎng)區(qū),該微粒在電場(chǎng)力、洛倫茲力和重力的共同作用下,恰好沿直線運(yùn)動(dòng)到A,下列說(shuō)法中正確的是(重力加速度為g)A.該微粒一定帶負(fù)電荷B.微粒從O到A的運(yùn)動(dòng)可能是勻變速運(yùn)動(dòng)
解析 若微粒帶正電荷,它受豎直向下的重力mg、水平向左的電場(chǎng)力qE和垂直O(jiān)A斜向右下方的洛倫茲力qvB,知微粒不能做直線運(yùn)動(dòng),據(jù)此可知微粒應(yīng)帶負(fù)電荷,它受豎直向下的重力mg、水平向右的電場(chǎng)力qE和垂直O(jiān)A斜向左上方的洛倫茲力qvB,又知微粒恰好沿著直線運(yùn)動(dòng)到A,可知微粒應(yīng)該做勻速直線運(yùn)動(dòng),故A正確,B錯(cuò)誤;
2.(2020·安徽安慶市模擬)如圖2所示,一帶電液滴在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中剛好做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其軌道半徑為R,已知該電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E,方向豎直向下;該磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向里,不計(jì)空氣阻力,設(shè)重力加速度為g,則A.液滴帶正電
C.液滴沿順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)
電場(chǎng)力方向豎直向上,液滴帶負(fù)電,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;由左手定則可判斷液滴沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),選項(xiàng)C正確;
3.(多選)(2020·遼寧沈陽(yáng)市調(diào)研)如圖3所示,空間某處存在豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶負(fù)電的金屬小球從M點(diǎn)水平射入場(chǎng)區(qū),經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn),關(guān)于小球由M到N的運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法正確的是A.小球可能做勻變速運(yùn)動(dòng)B.小球一定做變加速運(yùn)動(dòng)C.小球動(dòng)能可能不變D.小球機(jī)械能守恒
解析 小球從M到N,在豎直方向上發(fā)生了偏轉(zhuǎn),所以在M點(diǎn)受到的豎直向下的洛倫茲力、豎直向下的重力和豎直向上的電場(chǎng)力的合力不為零,且速度方向變化,則洛倫茲力方向變化,所以合力為變力,故不可能做勻變速運(yùn)動(dòng),一定做變加速運(yùn)動(dòng),A錯(cuò)誤,B正確;
若電場(chǎng)力和重力等大反向,則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電場(chǎng)力和重力做功之和為零,而洛倫茲力不做功,所以小球的動(dòng)能可能不變,C正確;沿電場(chǎng)方向有位移,電場(chǎng)力一定做功,故小球的機(jī)械能不守恒,D錯(cuò)誤.
4.(多選)(2019·山東濱州市上學(xué)期期末)如圖4所示,空間存在豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一帶電液滴從靜止開(kāi)始自A點(diǎn)沿曲線ACB運(yùn)動(dòng),到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度為零,C點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn),不計(jì)空氣阻力,則以下說(shuō)法中正確的是A.液滴一定帶正電B.液滴在C點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能最大C.從A到C過(guò)程液滴的電勢(shì)能增大D.從C到B過(guò)程液滴的機(jī)械能增大
解析 從題圖中可以看出,帶電液滴由靜止開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng),說(shuō)明重力和電場(chǎng)力的合力向下,洛倫茲力指向弧線內(nèi)側(cè),根據(jù)左手定則可知,液滴帶負(fù)電,故A錯(cuò)誤;
重力向下,電場(chǎng)力向上,且重力大于電場(chǎng)力,從A到C的過(guò)程中,重力做正功,而電場(chǎng)力做負(fù)功,洛倫茲力不做功,合力做正功,液滴動(dòng)能增大,從C到B的過(guò)程中,重力做負(fù)功,電場(chǎng)力做正功,洛倫茲力不做功,合力做負(fù)功,液滴動(dòng)能減小,所以液滴在C點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能最大,故B正確;從A到C過(guò)程液滴克服電場(chǎng)力做功,電勢(shì)能增大,故C正確;從C到B的過(guò)程中,電場(chǎng)力做正功,洛倫茲力不做功,機(jī)械能增大,故D正確.
5.(2016·天津卷·11)如圖5所示,空間中存在著水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度大小E=5 N/C,同時(shí)存在著水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng),其方向與電場(chǎng)方向垂直,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=0.5 T.有一帶正電的小球,質(zhì)量m=1×10-6 kg,電荷量q=2×10-6 C,正以速度v在圖示的豎直面內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)撤掉磁場(chǎng)(不考慮磁場(chǎng)消失引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象),取g=10 m/s2.求:(1)小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度v的大小和方向;答案 20 m/s 方向與電場(chǎng)方向成60°角斜向上
解析 小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受力如圖甲,
代入數(shù)據(jù)解得v=20 m/s ②
速度v的方向與電場(chǎng)E的方向之間的夾角為θ,
(2)從撤掉磁場(chǎng)到小球再次穿過(guò)P點(diǎn)所在的這條電場(chǎng)線經(jīng)歷的時(shí)間t.
解析 解法一 撤去磁場(chǎng),小球在重力與電場(chǎng)力的合力作用下做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng),如圖乙所示,設(shè)其加速度為a,有
設(shè)撤去磁場(chǎng)后小球在初速度方向上的分位移為x,有x=vt ⑥
解法二 撤去磁場(chǎng)后,由于電場(chǎng)力垂直于豎直方向,它對(duì)豎直方向的分運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響,以P點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),豎直向上為正方向,小球在豎直方向上做勻減速運(yùn)動(dòng),其初速度為vy=vsin θ
若使小球再次穿過(guò)P點(diǎn)所在的電場(chǎng)線,僅需小球在豎直方向上的分位移為零,
6.如圖6所示,在平面直角坐標(biāo)系xOy中,AO是∠x(chóng)Oy的角平分線,x軸上方有水平向左的勻強(qiáng)電場(chǎng),下方有豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),兩電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等.一質(zhì)量為m、電荷量為+q的質(zhì)點(diǎn)從OA上的M點(diǎn)由靜止釋放,質(zhì)點(diǎn)恰能沿AO運(yùn)動(dòng)且通過(guò)O點(diǎn)進(jìn)入x軸下方區(qū)域,經(jīng)偏轉(zhuǎn)后從x軸上的C點(diǎn)進(jìn)入第一象限內(nèi)并擊中AO上的D點(diǎn)(C點(diǎn)、D點(diǎn)圖中均未標(biāo)出).已知LOM=20 m,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B= (T),重力加速度為g=10 m/s2.求:(1)兩勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E的大??;
解析 質(zhì)點(diǎn)在第一象限內(nèi)受重力和水平向左的電場(chǎng)力,沿AO做勻加速直線運(yùn)動(dòng),則有
解析 質(zhì)點(diǎn)在x軸下方時(shí),對(duì)質(zhì)點(diǎn)受力分析可知,質(zhì)點(diǎn)所受重力與電場(chǎng)力平衡,洛倫茲力提供質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,質(zhì)點(diǎn)從C點(diǎn)進(jìn)入第一象限后做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng),其軌跡如圖所示,
(3)質(zhì)點(diǎn)從M點(diǎn)出發(fā)到擊中D點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間t.答案 4.86 s
質(zhì)點(diǎn)從M點(diǎn)出發(fā)到擊中D點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間t=t1+t2+t3=(2.5+ ) s≈4.86 s.
7.(2020·甘肅天水市模擬)如圖7甲所示,在xOy平面內(nèi)存在均勻、大小隨時(shí)間周期性變化的磁場(chǎng)和電場(chǎng),變化規(guī)律分別如圖乙、丙所示(規(guī)定垂直紙面向里為磁感應(yīng)強(qiáng)度的正方向、沿y軸正方向電場(chǎng)強(qiáng)度為正).在t=0時(shí)刻由原點(diǎn)O發(fā)射初速度大小為v0,方向沿y軸正方向的帶負(fù)電粒子.已知v0、t0、B0,粒子的比荷為 ,不計(jì)粒子的重力.求:
(1)t=t0時(shí),粒子的位置坐標(biāo);
(2)若t=5t0時(shí)粒子回到原點(diǎn),0~5t0時(shí)間內(nèi)粒子距x軸的最大距離;
解析 粒子在t=5t0時(shí)回到原點(diǎn),運(yùn)動(dòng)軌跡如圖甲所示.
(3)若粒子能夠回到原點(diǎn),滿足條件的所有E0值.
解析 如圖乙所示,設(shè)帶電粒子在x軸下方做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑為r2′,由幾何關(guān)系可知,要使粒子能夠回到原點(diǎn),則必須滿足n(2r2′-2r1)=2r1(n=1,2,3,…)
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高中物理高考 第10章 專(zhuān)題強(qiáng)化22 帶電粒子在疊加場(chǎng)和交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 2023年高考物理一輪復(fù)習(xí)(新高考新教材) 課件PPT
高中物理高考 2022年高考物理一輪復(fù)習(xí)(新高考版2(粵冀渝湘)適用) 第10章 專(zhuān)題強(qiáng)化22 帶電粒子在疊加場(chǎng)和交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)課件PPT
(新高考)高考物理一輪復(fù)習(xí)課件第10章專(zhuān)題強(qiáng)化22《帶電粒子在疊加場(chǎng)和交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》(含解析)
(新高考)高考物理一輪復(fù)習(xí)課件第10章 專(zhuān)題強(qiáng)化22 帶電粒子在疊加場(chǎng)和交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(含解析)
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