新教材2023_2024學(xué)年高中物理第1章安培力與洛倫茲力專題提升3帶電粒子在復(fù)合場中的運動課件新人教版選擇性必修第二冊-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

第一章專題提升三　帶電粒子在復(fù)合場中的運動重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一　帶電粒子在組合場中的運動1.組合場:電場與磁場各位于一定的區(qū)域內(nèi),并不重疊,一般為兩場相鄰或在同一區(qū)域電場、磁場交替出現(xiàn)。2.通常按時間的先后順序分成若干個小過程,在每一運動過程中從粒子的受力性質(zhì)、受力方向和速度方向的關(guān)系入手,分析粒子在電場中做什么運動,在磁場中做什么運動。電場中常有兩種運動方式:加速或偏轉(zhuǎn);而勻強磁場中,帶電粒子常做勻速圓周運動。3.組合場中電場和磁場是各自獨立的,計算時可以單獨使用帶電粒子在電場或磁場中的運動公式列式處理。4.建立粒子在不同場中運動間的聯(lián)系:確定粒子從一種場進入另一種場的位置、速度是關(guān)鍵。交界點速度相等 5.帶電粒子在電場和磁場的組合場中運動,實際上是將粒子在電場中的加速與偏轉(zhuǎn),跟在磁場中偏轉(zhuǎn)兩種運動有效組合在一起,有效區(qū)別電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn),尋找兩種運動的聯(lián)系和幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。當(dāng)帶電粒子連續(xù)通過幾個不同的場區(qū)時,粒子的受力情況和運動情況也發(fā)生相應(yīng)的變化,其運動過程則由幾種不同的運動階段組成。6.四種常見的運動模型(1)帶電粒子先在電場中做勻加速直線運動,然后垂直進入磁場做圓周運動,如圖所示。(2)帶電粒子先在電場中做類平拋運動,然后垂直進入磁場做圓周運動,如圖所示。(3)帶電粒子先在磁場中做圓周運動,然后垂直進入電場做類平拋運動,如圖所示。(4)帶電粒子先在磁場Ⅰ中做圓周運動,然后垂直進入磁場Ⅱ做圓周運動,如圖所示?！纠?】如圖所示,在直角坐標(biāo)系xOy的第一象限中分布著沿y軸負(fù)方向的勻強電場,在第四象限中分布著方向垂直于紙面向里的勻強磁場。一個質(zhì)量為m、電荷量為+q的微粒,在點A(0,3)以初速度v0=120 m/s平行x軸正方向射入電場區(qū)域,然后從電場進入磁場,又從磁場進入電場,并且先后只通過x軸上的點P(6,0)和點Q(8,0)各一次。已知該微粒的比荷為 =100 C/kg,微粒重力不計,求:(1)微粒從A到P所經(jīng)歷的時間和加速度的大小。(2)微粒到達(dá)P點時速度方向與x軸正方向的夾角,并畫出帶電微粒在電場和磁場中由A至Q的運動軌跡。(3)電場強度E和磁感應(yīng)強度B的大小。答案 (1)0.05 s　2.4×103 m/s2(2)45°　見解析圖(3)24 N/C　1.2 T解析 (1)微粒從平行x軸正方向射入電場區(qū)域,由A到P做類平拋運動,微粒在x軸正方向做勻速直線運動,軌跡如圖所示。 (3)由qE=ma,得E=24 N/C設(shè)微粒從P點進入磁場以速度v做勻速圓周運動方法技巧　“五步”突破帶電粒子在組合場中的運動問題 1.(2023山東聊城二中期末)在圖示區(qū)域中,y軸右方有一勻強磁場,磁感應(yīng)強度的大小為B,方向垂直紙面向里,y軸左方有勻強電場區(qū)域,該勻強電場的電場強度大小為E,方向與y軸夾角為45°斜向右上方。有一質(zhì)子以速度v0由x軸上的P點沿x軸正方向射入磁場,質(zhì)子在磁場中運動一段時間后從Q點進入y軸左方的勻強電場區(qū)域中,在Q點質(zhì)子速度方向與y軸負(fù)方向夾角為45°,已知質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為q,不計質(zhì)子的重力,磁場區(qū)域和電場區(qū)域足夠大。求:(1)Q點的坐標(biāo);(2)質(zhì)子從P點出發(fā)到第三次穿越y(tǒng)軸時的運動時間;(3)質(zhì)子第四次穿越y(tǒng)軸時速度的大小。解析 (1)質(zhì)子的運動軌跡如圖所示質(zhì)子在電場中先做減速運動,速度減為零后反向做加速運動,速度增加到v0在電場中運動時,由牛頓第二定律得qE=ma探究點二　帶電粒子在疊加場中的運動1.疊加場“疊加場”是指在某區(qū)域同時存在電場和磁場,同時存在磁場和重力場,同時存在電場和重力場,同時存在電場、磁場和重力場的情況,也叫“復(fù)合場”。2.基本思路(1)弄清疊加場的組成。(2)進行受力分析。(3)確定帶電粒子的運動狀態(tài),注意運動情況和受力情況的結(jié)合。(4)畫出粒子運動軌跡,靈活選擇不同的運動規(guī)律。①當(dāng)做勻速直線運動時,根據(jù)受力平衡列方程求解。②當(dāng)做勻速圓周運動時,一定是電場力和重力平衡,洛倫茲力提供向心力,應(yīng)用平衡條件和牛頓運動定律分別列方程求解。③當(dāng)帶電粒子做復(fù)雜曲線運動時,一般用動能定理或能量守恒定律求解?！纠?】 (多選)一個帶電微粒在如圖所示的正交勻強電場和勻強磁場中的豎直平面內(nèi)做勻速圓周運動,重力不可忽略,已知圓的半徑為r,電場強度的大小為E,磁感應(yīng)強度的大小為B,重力加速度為g,則(　　)A.該微粒帶正電B.帶電微粒沿逆時針旋轉(zhuǎn)C.帶電微粒沿順時針旋轉(zhuǎn)BD解析帶電微粒在重力場、勻強電場和勻強磁場中做勻速圓周運動,可知,帶電微粒受到的重力和靜電力是一對平衡力,重力豎直向下,所以靜電力豎直向上,與電場方向相反,故可知帶電微粒帶負(fù)電荷,A錯誤;磁場方向向外,洛倫茲力的方向始終指向圓心,由左手定則可判斷微粒的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針(四指所指的方向與帶負(fù)電的微粒的運動方向相反),B正確,C錯誤;由微粒做勻速圓周運動,得知靜電力和重力大小相等,即mg=qE,帶電微粒在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動的半徑為方法技巧　“三步”解決疊加場問題 2.在地面附近有一個范圍足夠大的相互正交的勻強電場和勻強磁場。勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,方向垂直紙面向外,一質(zhì)量為m、電荷量為-q的帶電微粒在此區(qū)域恰好做速度大小為v的勻速圓周運動。重力加速度為g。(1)求此區(qū)域內(nèi)電場強度的大小和方向。(2)若某時刻微粒運動到場中距地面高度為h的P點,速度方向與水平方向成45°角,如圖所示,則該微粒至少需要經(jīng)過多長時間運動到距地面最高點?最高點距地面多高?(2)如圖所示,當(dāng)微粒第一次運動到最高點時,由幾何關(guān)系可知α=135° 學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)123451.(帶電粒子在疊加場中的運動)如圖甲所示,一個質(zhì)量為m、電荷量為q的圓環(huán),可在水平放置的足夠長的粗糙細(xì)桿上滑動,細(xì)桿處于勻強磁場中,不計空氣阻力,現(xiàn)給圓環(huán)向右的初速度v0,在以后的運動過程中的速度圖像如圖乙所示。則關(guān)于圓環(huán)所帶的電性、勻強磁場的磁感應(yīng)強度B和圓環(huán)克服摩擦力所做的功W,以下正確的是(重力加速度為g)(　　)B13452123452.(帶電粒子在疊加場中的運動)(多選)如圖所示,某空間存在正交的勻強磁場和勻強電場,電場方向水平向右,磁場方向垂直紙面向里,一帶電微粒從a點進入場區(qū)并剛好能沿ab直線向上運動,不可忽略重力,下列說法正確的是(　　)A.微粒一定帶負(fù)電B.微粒的動能一定減少C.微粒的電勢能一定增加D.微粒的機械能一定增加AD12345解析微粒進入場區(qū)后沿直線ab運動,則微粒受到的合力或者為零,或者合力方向在ab直線上(垂直于運動方向的合力仍為零)。若微粒所受合力不為零,則必然做變速運動,由于速度的變化會導(dǎo)致洛倫茲力變化,則微粒在垂直于運動方向上的合力不再為零,微粒就不能沿直線運動,因此微粒所受合力只能為零而做勻速直線運動;若微粒帶正電,則受力分析如圖甲所示,合力不可能為零,故微粒一定帶負(fù)電,受力分析如圖乙所示,故A正確,B錯誤;靜電力做正功,微粒電勢能減少,機械能增加,故C錯誤,D正確。13453.(帶電粒子在疊加場中的運動)如圖所示,質(zhì)量為m=1 kg、電荷量為q=5×10-2 C的帶正電的小滑塊,從半徑為R=0.4 m的光滑絕緣圓弧軌道上由靜止自A端滑下。整個裝置處在方向互相垂直的勻強電場與勻強磁場中。已知E=100 V/m,方向水平向右,B=1 T,方向垂直紙面向里,g取10 m/s2。求:(1)滑塊到達(dá)C點時的速度。(2)在C點時滑塊所受洛倫茲力。(3)在C點時滑塊對軌道的壓力。21345答案 (1)2 m/s,方向水平向左(2)0.1 N,方向豎直向下(3)20.1 N,方向豎直向下解析以滑塊為研究對象,自軌道上A點滑到C點的過程中,受重力mg,方向豎直向下;靜電力qE,方向水平向右;洛倫茲力F洛=qvB,方向始終垂直于速度方向。(1)滑塊從A到C的過程中洛倫茲力不做功,由動能定理得21345(2)根據(jù)洛倫茲力公式得F=qvCB=5×10-2×2×1 N=0.1 N方向豎直向下。由牛頓第三定律可知,滑塊對軌道的壓力為20.1 N,方向豎直向下。 213454.(帶電粒子在組合場中的運動)(2021全國甲卷)如圖所示,長度均為l的兩塊擋板豎直相對放置,間距也為l,兩擋板上邊緣P和M處于同一水平線上,在該水平線的上方區(qū)域有方向豎直向下的勻強電場,電場強度大小為E;兩擋板間有垂直紙面向外、磁感應(yīng)強度大小可調(diào)節(jié)的勻強磁場。一質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子自電場中某處以大小為v0的速度水平向右發(fā)射,恰好從P點處射入磁場,從兩擋板下邊緣Q和N之間射出磁場,運動過程中粒子未與擋板碰撞。已知粒子射入磁場時的速度方向與PQ的夾角為60°,不計重力。(1)求粒子發(fā)射位置到P點的距離。(2)求磁感應(yīng)強度大小的取值范圍。(3)若粒子正好從QN的中點射出磁場,求粒子在磁場中的軌跡與擋板MN的最近距離。21345解析 (1)帶電粒子做類平拋運動,速度方向如圖甲所示甲 21345又豎直速度vy=at水平位移x=v0t21345(2)從P點處射入磁場,從兩擋板下邊緣Q射出磁場,此時半徑最小,磁感應(yīng)強度最大,如圖乙所示乙 21345從P點處射入磁場,從兩擋板下邊緣N射出磁場,此時半徑最大,磁感應(yīng)強度最小,如圖丙所示丙 21345丁 213455.(帶電粒子在組合場中的運動)如圖所示,在平面直角坐標(biāo)系xOy內(nèi),第Ⅱ、Ⅲ象限內(nèi)存在沿y軸正方向的勻強電場,第Ⅰ、Ⅳ象限內(nèi)存在半徑為l的圓形勻強磁場,磁場圓心在M(l,0)點,磁場方向垂直于坐標(biāo)平面向外。一帶正電的粒子從第Ⅲ象限中的Q(-2l,-l)點以速度v0沿x軸正方向射出,恰好從坐標(biāo)原點O進入磁場,從P(2l,0)點射出磁場。不計粒子重力,求:(1)帶電粒子進入磁場時的速度大小和方向;(2)電場強度與磁感應(yīng)強度大小之比;(3)粒子在磁場與電場中運動時間之比。21345解析 (1)設(shè)粒子的質(zhì)量和所帶電荷量分別為m和q,粒子在電場中運動時,由平拋運動規(guī)律及牛頓運動定律得2l=v0t1qE=ma則粒子到達(dá)O點時沿+y方向的分速度為vy=at1=v021345即帶電粒子進入磁場時的速度方向與x軸成45°角斜向上 213452