考點(diǎn)一 帶電粒子在交變電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
處理帶電粒子在交變電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí),先畫出粒子在電場(chǎng)方向的v-t圖像,結(jié)合圖像去分析粒子的運(yùn)動(dòng)情況,在v-t圖像中,圖線與t軸所圍面積表示沿電場(chǎng)方向粒子的位移.帶電粒子在交變電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)常見的v-t圖像如圖所示.
例1 (多選)(2022·天津市模擬)如圖甲所示,真空中水平放置兩塊長(zhǎng)度為2d的平行金屬板P、Q,兩板間距為d,兩板間加上如圖乙所示最大值為U0的周期性變化的電壓,在兩板左側(cè)緊靠P板處有一粒子源A,自t=0時(shí)刻開始連續(xù)釋放初速度大小為v0、方向平行于金屬板的相同帶電粒子,t=0時(shí)刻釋放的粒子恰好從Q板右側(cè)邊緣離開電場(chǎng),已知電場(chǎng)變化周期T=eq \f(2d,v0),粒子質(zhì)量為m,不計(jì)粒子重力及相互間的作用力,則( )
A.在t=0時(shí)刻進(jìn)入的粒子離開電場(chǎng)時(shí)速度大小仍為v0
B.粒子的電荷量為eq \f(mv02,2U0)
C.在t=eq \f(1,8)T時(shí)刻進(jìn)入的粒子離開電場(chǎng)時(shí)電勢(shì)能減少了eq \f(1,8)mv02
D.在t=eq \f(1,4)T時(shí)刻進(jìn)入的粒子剛好從P板右側(cè)邊緣離開電場(chǎng)
答案 AD
解析 粒子進(jìn)入電場(chǎng)后,在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng),則t=0時(shí)刻進(jìn)入電場(chǎng)的粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=eq \f(2d,v0),此時(shí)間正好是交變電場(chǎng)的一個(gè)周期;粒子在豎直方向先做加速運(yùn)動(dòng)后做減速運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)一個(gè)周期,粒子在豎直方向速度為零,故粒子離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小等于水平速度v0,選項(xiàng)A正確.在豎直方向,粒子在eq \f(T,2)時(shí)間內(nèi)的位移為eq \f(d,2),則eq \f(d,2)=eq \f(U0q,2dm)(eq \f(d,v0))2,可得q=eq \f(mv02,U0),選項(xiàng)B錯(cuò)誤.在t=eq \f(T,8)時(shí)刻進(jìn)入電場(chǎng)的粒子,離開電場(chǎng)時(shí)在豎直方向上的位移為y=2×eq \f(1,2)a(eq \f(3,8)T)2-2×eq \f(1,2)a(eq \f(T,8))2=eq \f(d,2),故靜電力做功為W=eq \f(U0q,d)·eq \f(d,2)=eq \f(1,2)U0q=eq \f(1,2)mv02,即電勢(shì)能減少了eq \f(1,2)mv02,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.在 t=eq \f(T,4)時(shí)刻進(jìn)入的粒子,在豎直方向先向下做加速運(yùn)動(dòng)eq \f(T,4),然后向下做減速運(yùn)動(dòng)eq \f(T,4),再向上加速eq \f(T,4),向上減速eq \f(T,4),由對(duì)稱性可知,此時(shí)豎直方向的位移為零,故粒子從P板右側(cè)邊緣離開電場(chǎng),選項(xiàng)D正確.
考點(diǎn)二 帶電粒子在交變電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
1.此類問(wèn)題是場(chǎng)在時(shí)間上的組合,電場(chǎng)或磁場(chǎng)往往具有周期性,粒子的運(yùn)動(dòng)也往往具有周期性.這種情況下要仔細(xì)分析帶電粒子的受力情況和運(yùn)動(dòng)過(guò)程,弄清楚帶電粒子在每一時(shí)間段內(nèi)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中各處于什么狀態(tài),做什么運(yùn)動(dòng),畫出一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,選擇合適的規(guī)律進(jìn)行解題.
2.解題思路
例2 如圖(a)所示的xOy平面處于變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間做周期性變化的圖像如圖(b)所示,y軸正方向?yàn)镋的正方向,垂直于紙面向里為B的正方向.t=0時(shí)刻,帶負(fù)電粒子P(重力不計(jì))由原點(diǎn)O以速度v0沿y軸正方向射出,它恰能沿一定軌道做周期性運(yùn)動(dòng).v0、E0和t0為已知量,圖(b)中eq \f(E0,B0)=eq \f(8v0,π2),在0~t0時(shí)間內(nèi)粒子P第一次離x軸最遠(yuǎn)時(shí)的坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2v0t0,π),\f(2v0t0,π))).求:
(1)粒子P的比荷;
(2)t=2t0時(shí)刻粒子P的位置;
(3)帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中距離原點(diǎn)O的最遠(yuǎn)距離L.
答案 (1)eq \f(4v0,πE0t0) (2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2+π,π)v0t0,0)) (3)eq \f(4+2π,π)v0t0
解析 (1)0~t0時(shí)間內(nèi)粒子P在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)粒子所在位置的縱、橫坐標(biāo)相等時(shí),粒子在磁場(chǎng)中恰好經(jīng)過(guò)eq \f(1,4)圓周,所以粒子P第一次離x軸的最遠(yuǎn)距離等于軌道半徑R,即R=eq \f(2v0t0,π)
又qv0B=meq \f(v02,R)
代入eq \f(E0,B0)=eq \f(8v0,π2)解得eq \f(q,m)=eq \f(4v0,πE0t0)
(2)設(shè)粒子P在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期為T,則
T=eq \f(2πR,v0),則可得T=4t0
即粒子P做eq \f(1,4)圓周運(yùn)動(dòng)后磁場(chǎng)變?yōu)殡妶?chǎng),粒子以速度v0垂直電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)后做類平拋運(yùn)動(dòng),設(shè)t0~2t0時(shí)間內(nèi)水平位移和豎直位移分別為x1、y1,則x1=v0t0=eq \f(πR,2)
y1=eq \f(1,2)at02
其中加速度a=eq \f(qE0,m)
解得y1=eq \f(2v0t0,π)=R
因此t=2t0時(shí)刻粒子P的位置坐標(biāo)為(eq \f(2+π,π)v0t0,0),如圖中的b點(diǎn)所示.
(3)分析知,粒子P在2t0~3t0時(shí)間內(nèi),靜電力產(chǎn)生的加速度方向沿y軸正方向,由對(duì)稱關(guān)系知,在3t0時(shí)刻速度方向?yàn)閤軸正方向,位移
x2=x1=v0t0
在3t0~5t0時(shí)間內(nèi)粒子P沿逆時(shí)針?lè)较蜃霭霃綖镽的勻速圓周運(yùn)動(dòng),往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,
由圖可知,帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中距原點(diǎn)O的最遠(yuǎn)距離L即O、d間的距離L=2R+2x1
解得L=eq \f(4+2π,π)v0t0
(2022·湖南岳陽(yáng)市二模)如圖甲所示,在xOy平面的第一象限內(nèi)存在周期性變化的磁場(chǎng),規(guī)定磁場(chǎng)垂直紙面向里的方向?yàn)檎?,磁感?yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示.質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子,在t=0時(shí)刻沿x軸正方向從坐標(biāo)原點(diǎn)O射入磁場(chǎng).圖乙中T0為未知量,不計(jì)粒子的重力(sin 37°=0.6,cs 37°=0.8).
(1)若粒子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度為v0,求0~eq \f(2,5)T0時(shí)間內(nèi)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑;
(2)若粒子恰好不能從y軸射出磁場(chǎng),求磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的周期T0;
(3)若使粒子能從坐標(biāo)為(d,eq \r(3)d)的D點(diǎn)平行于x軸射出,求射入磁場(chǎng)時(shí)速度大?。?br>答案 (1)eq \f(mv0,3qB0) (2)eq \f(143πm,216B0q) (3)eq \f(4\r(3)B0qd,5nm)(n=1,2,3,…)
解析 (1)根據(jù)洛倫茲力提供向心力有qv0·3B0=meq \f(v02,r1),解得r1=eq \f(mv0,3qB0)
(2)要使粒子恰好不從y軸射出,軌跡如圖所示,
在前eq \f(2,5)T0內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)半徑為r1=eq \f(mv0,3qB0)
在后eq \f(3,5)T0內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)半徑為r2=eq \f(mv0,2qB0)
由幾何關(guān)系知sin θ=eq \f(r2,r1+r2)=0.6
解得θ=37°
在0~eq \f(2,5)T0時(shí)間內(nèi)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T=eq \f(2πm,3qB0)
則eq \f(180°-37°,360°)T=eq \f(2,5)T0
解得T0=eq \f(143πm,216B0q)
(3)要想使粒子經(jīng)過(guò)D點(diǎn)且平行x軸射出,則粒子只能從nT0時(shí)刻經(jīng)過(guò)D點(diǎn),其中n=1,2,3,…,則可能的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示
設(shè)粒子射入磁場(chǎng)的速度大小為v,
由(2)可得r2=eq \f(3,2)r1
由幾何關(guān)系可知
n(2r1cs 30°+2r2cs 30°)=2d
又qv·3B0=meq \f(v2,r1)
解得v=eq \f(4\r(3)B0qd,5nm)(n=1,2,3,…).
專題強(qiáng)化練
1.(多選)如圖甲所示,長(zhǎng)為L(zhǎng)的兩塊正對(duì)金屬板A、B水平放置,兩板接上如圖乙所示隨時(shí)間變化的交流電壓UAB,電子流沿中心線OO′從O點(diǎn)以初速度v0=eq \f(L,T)射入板間,電子都不會(huì)碰到極板.已知兩金屬板間距為d,且電子的質(zhì)量為m、電荷量為e.下列說(shuō)法正確的是( )
A.兩板間距d>Teq \r(\f(eU0,2m))
B.電子在t=0時(shí)刻從O點(diǎn)射入時(shí)一定從中心線離開電場(chǎng)
C.電子在t=eq \f(T,4)時(shí)刻從O點(diǎn)射入時(shí)一定從中心線離開電場(chǎng)
D.電子無(wú)論在哪一時(shí)刻從O點(diǎn)射入,離開板間電場(chǎng)時(shí)的速率一定是v0
答案 ACD
解析 任何一個(gè)電子離開電場(chǎng)所用的時(shí)間均為eq \f(L,v0)=T,當(dāng)電子在t=keq \f(T,2)(k=0,1,2,…)時(shí)刻從O點(diǎn)射入,射出電場(chǎng)時(shí)電子離開中心線的距離最大為h=2×eq \f(1,2)·eq \f(eU0,md)·(eq \f(T,2))2,hTeq \r(\f(eU0,2m)),A正確;電子在t=0時(shí)刻從O點(diǎn)射入時(shí),電子離開電場(chǎng)時(shí)與中心線間的距離最大,不會(huì)從中心線離開電場(chǎng),B錯(cuò)誤;電子在t=eq \f(T,4)時(shí)刻從O點(diǎn)射入后,在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖,根據(jù)對(duì)稱性可知電子從中心線離開電場(chǎng),C正確;設(shè)電子從t=eq \f(T,2)-Δt時(shí)刻從O點(diǎn)射入電場(chǎng),則沿電場(chǎng)方向的分速度vy=aΔt-aΔt-(eq \f(T,2)-Δt)a+a(eq \f(T,2)-Δt)=0,離開電場(chǎng)時(shí)只有沿中心線方向上的速度,大小為v0,D正確.
2.(2022·山東省高三檢測(cè))如圖甲所示,粒子源能源源不斷地產(chǎn)生一種比荷為eq \f(q,m)的帶正電粒子,帶電粒子從粒子源飛出時(shí)的速度可忽略不計(jì).帶電粒子離開粒子源后進(jìn)入一電壓為U0的加速電場(chǎng),之后進(jìn)入長(zhǎng)為L(zhǎng)、兩板間距離為d=eq \f(\r(3),3)L的平行金屬板,金屬板間有一偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),帶電粒子從兩板正中間射入并恰好從下極板的邊緣射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),然后進(jìn)入邊界為MN、PQ的均勻交變磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)寬度也為L(zhǎng),邊界PQ為一感應(yīng)擋板,交變磁場(chǎng)的變化規(guī)律如圖乙所示,規(guī)定垂直紙面向里為磁場(chǎng)的正方向.在t=0時(shí)刻進(jìn)入磁場(chǎng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為交變磁場(chǎng)的一個(gè)周期,并且射出磁場(chǎng)時(shí)垂直打在擋板PQ上.(不計(jì)粒子的重力及粒子間的相互作用,電場(chǎng)、磁場(chǎng)的邊界均為理想邊界)求:
(1)帶電粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的速度大??;
(2)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度;
(3)交變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.
答案 (1)eq \r(\f(2qU0,m)) (2)eq \f(2\r(3)U0,3L),方向豎直向下 (3)eq \f(1,L)eq \r(\f(6mU0,q))
解析 (1)由動(dòng)能定理有qU0=eq \f(1,2)mv02
可得v0=eq \r(\f(2qU0,m))
(2)設(shè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E,粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng),有
a=eq \f(qE,m)
L=v0t
eq \f(d,2)=eq \f(1,2)at2
且d=eq \f(\r(3),3)L
聯(lián)立可得E=eq \f(2\r(3)U0,3L)
方向豎直向下
(3)設(shè)粒子離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的速度為v,與水平方向夾角為α,則有
tan α=eq \f(at,v0)=eq \f(d,L)
可得α=30°
有v=eq \f(v0,cs α)
可得v=eq \f(2,3)eq \r(\f(6qU0,m))
若粒子在t=0時(shí)刻進(jìn)入磁場(chǎng),由題意可得粒子進(jìn)入磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖所示,
粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),結(jié)合題圖乙,由幾何關(guān)系可得
∠OO1C=60°
∠CO2D=30°
則有eq \f(L-r,r)=sin 30°
可得r=eq \f(2L,3)
由牛頓第二定律有qvB=eq \f(mv2,r)
則可得B=eq \f(1,L)eq \r(\f(6mU0,q)).
3.(2022·天津市市區(qū)重點(diǎn)中學(xué)一模)如圖甲所示,邊界為L(zhǎng)1、L2,寬度為d的豎直狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi),存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和豎直方向的電場(chǎng)(圖中未畫出).電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度做周期性變化的規(guī)律如圖乙所示,E>0表示電場(chǎng)方向豎直向上.t=0時(shí),一帶正電、質(zhì)量為m的微粒從左邊界L1上的N1點(diǎn)以水平速度v射入該區(qū)域,沿直線運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)后,做一次完整的圓周運(yùn)動(dòng),再沿直線運(yùn)動(dòng)到右邊界L2上的N2點(diǎn).Q為線段N1N2的中點(diǎn),重力加速度為g,上述d、m、v、g和圖像中的E0均為已知量.
(1)求微粒所帶電荷量q和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大?。?br>(2)求電場(chǎng)變化的周期T;
(3)改變寬度d,使微粒仍能按上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)相應(yīng)寬度的區(qū)域,求T的最小值.
答案 (1)eq \f(mg,E0) eq \f(2E0,v) (2)eq \f(d,2v)+eq \f(πv,g) (3)eq \f(?2π+1?v,2g)
解析 (1)根據(jù)題意,微粒做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),洛倫茲力提供向心力,重力與靜電力平衡,則
mg=qE0
開始時(shí)微粒水平向右做直線運(yùn)動(dòng),則豎直方向所受合力為0,則
mg+qE0=qvB
聯(lián)立得q=eq \f(mg,E0)
B=eq \f(2E0,v)
(2)設(shè)微粒從N1運(yùn)動(dòng)到Q的時(shí)間為t1,做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為t2,則
eq \f(d,2)=vt1
qvB=meq \f(v2,R)
2πR=vt2
聯(lián)立解得t1=eq \f(d,2v)
t2=eq \f(πv,g)
電場(chǎng)變化的周期T=t1+t2=eq \f(d,2v)+eq \f(πv,g)
(3)若微粒能完成題述的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,
則要求d≥2R
由(1)(2)中的式子聯(lián)立解得R=eq \f(v2,2g)
所以當(dāng)d=2R時(shí),微粒在N1Q段直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短,
設(shè)N1Q段直線運(yùn)動(dòng)的最短時(shí)間為t1min,得
t1min=eq \f(v,2g),
因t2不變,T的最小值
Tmin=t1min+t2=eq \f(?2π+1?v,2g).
4.如圖甲所示的xOy平面內(nèi)存在大小隨時(shí)間周期性變化的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)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軸負(fù)方向?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度的正方向).在t=0時(shí)刻由原點(diǎn)O發(fā)射一個(gè)初速度大小為v0、方向沿y軸正方向的帶正電粒子,粒子的比荷eq \f(q,m)=eq \f(π,B0t0),v0、B0、E0、t0均為已知量,不計(jì)粒子受到的重力.
(1)求在0~t0內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑;
(2)求t=2t0時(shí),粒子的位置坐標(biāo);
(3)若粒子在t=25t0時(shí)首次回到坐標(biāo)原點(diǎn),求電場(chǎng)強(qiáng)度E0與磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的大小關(guān)系.
答案 (1)eq \f(v0t0,π)
(2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2v0t0,π),-v0t0-\f(πE0t0,2B0)))
(3)E0=eq \f(v0,6π)B0
解析 (1)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),洛倫茲力提供向心力,
則有qv0B0=eq \f(mv02,r),又eq \f(q,m)=eq \f(π,B0t0)
聯(lián)立解得r=eq \f(v0t0,π)
(2)若粒子在磁場(chǎng)中做完整的圓周運(yùn)動(dòng),
則其周期T=eq \f(2πr,v0)
解得T=2t0
則在0~t0時(shí)間內(nèi),粒子在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)半周,
t=t0時(shí)粒子位置的橫坐標(biāo)
x=-2r=-eq \f(2v0t0,π)
在t0~2t0時(shí)間內(nèi),粒子在電場(chǎng)中沿y軸負(fù)方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
y=-v0t0-eq \f(qE0,2m)t02
解得y=-v0t0-eq \f(πE0t0,2B0)
故t=2t0時(shí),粒子的位置坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2v0t0,π),-v0t0-\f(πE0t0,2B0)))
(3)如圖所示,帶電粒子在x軸上方做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r1=r=eq \f(v0t0,π)
當(dāng)t=2t0時(shí),粒子的速度大小為v=v0+eq \f(qE0,m)t0
2t0~3t0時(shí)間內(nèi),粒子在x軸下方做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r2=eq \f(mv,qB0)=eq \f(m,qB0)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(v0+\f(qE0,m)t0))
由幾何關(guān)系可知,要使粒子經(jīng)過(guò)原點(diǎn),則必須滿足n(2r2-2r1)=2r1(n=1,2,3,…)
當(dāng)t=25t0時(shí),n=6,解得E0=eq \f(v0,6π)B0.

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2023版高考物理步步高大二輪復(fù)習(xí)講義第一篇 專題三 高考新動(dòng)向2 帶電粒子在立體空間的運(yùn)動(dòng)【解析版】:

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