2022高考物理二轮专题突破教学案专题5第1课时.docx

专题定位本专题主要是综合应用动力学方法和功能关系解决带电粒子在电场和磁场中的运动问题这局部的题目覆盖的内容多，物理过程多，且情景复杂，综合性强，常作为理综试卷的压轴题高考对本专题考查的重点有以下几个方面：对电场力的性质和能的性质的理解；带电粒子在电场中的加速和偏转问题；带电粒子在磁场中的匀速圆周运动问题；带电粒子在电场和磁场的组合场中的运动问题；带电粒子在电场和磁场的叠加场中的运动问题；带电粒子在电场和磁场中运动的临界问题应考策略针对本专题的特点，应“抓住两条主线、明确两类运动、运用两种方法解决有关问题两条主线是指电场力的性质(物理量电场强度)和能的性质(物理量电势和电势能)；两类运动是指类平抛运动和匀速圆周运动；两种方法是指动力学方法和功能关系第1课时电场与磁场的理解1对电场强度的三个公式的理解(1)E是电场强度的定义式，适用于任何电场电场中某点的场强是确定值，其大小和方向与试探电荷q无关试探电荷q充当“测量工具的作用(2)Ek是真空中点电荷所形成的电场的决定式E由场源电荷Q和场源电荷到某点的距离r决定(3)E是场强与电势差的关系式，只适用于匀强电场，注意：式中d为两点间沿电场方向的距离2电场能的性质(1)电势与电势能：.(2)电势差与电场力做功：UABAB.(3)电场力做功与电势能的变化：WEp.3等势面与电场线的关系(1)电场线总是与等势面垂直，且从高电势的等势面指向低电势的等势面(2)电场线越密的地方，等差等势面也越密(3)沿等势面移动电荷，电场力不做功，沿电场线移动电荷，电场力一定做功4带电粒子在磁场中的受力情况(1)磁场只对运动电荷有力的作用，对静止电荷无力的作用磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力(2)洛伦兹力的大小和方向：其大小为FqvBsin，注意：为v与B的夹角F的方向仍由左手定那么判定，但四指的指向应为正电荷运动的方向或负电荷运动方向的反方向5洛伦兹力做功的特点由于洛伦兹力始终和速度方向垂直，所以洛伦兹力永不做功，但洛伦兹力的分力可以做功1本局部内容的主要研究方法有：(1)理想化模型如点电荷、电场线、等势面；(2)比值定义法电场强度、电势的定义方法是定义物理量的一种重要方法；(3)类比的方法电场和重力场的比较；电场力做功与重力做功的比较；带电粒子在匀强电场中的运动和平抛运动的类比2静电力做功的求解方法：(1)由功的定义式WFlcos来求；(2)利用结论“电场力做功等于电荷电势能增量的负值来求，即WE；(3)利用WABqUAB来求3研究带电粒子在电场中的曲线运动时，采用运动合成与分解的思想方法；带电粒子在组合场中的运动实际是类平抛运动和匀速圆周运动的组合，类平抛运动的末速度就是匀速圆周运动的线速度题型1对电场性质的理解例1(2022·江苏·6)将一电荷量为Q的小球放在不带电的金属球附近，所形成的电场线分布如图1所示，金属球外表的电势处处相等a、b为电场中的两点，那么()图1Aa点的电场强度比b点的大Ba点的电势比b点的高C检验电荷q在a点的电势能比在b点的大D将检验电荷q从a点移到b点的过程中，电场力做负功解析根据题图中电场线的疏密可知a点场强比b点的大，A项正确；由电场线的方向可知a点电势比b点的高，那么B项正确；由电场力做功和电势能变化关系可判断C项错误，D项正确答案ABD以题说法1.在点电荷形成的电场中，通常利用电场线和等势面的两个关系分析电场的性质：一是二者一定处处垂直；二是电场线密的地方，等势面也密，且电场线由电势较高的等势面指向电势较低的等势面2在分析电场性质时，要特别注意应用点电荷形成电场的对称性来分析电场的性质如图2所示，真空中M、N处放置两等量异种电荷，a、b、c为电场中的三点，实线PQ为M、N连线的中垂线，a、b两点关于MN对称，a、c两点关于PQ对称一带正电的试探电荷从a点移动到c点时，试探电荷的电势能增加，那么以下判断正确的选项是()图2Aa点的电势高于c点的电势Ba点的场强与c点的场强完全相同CM点处放置的是正电荷D假设将带正电的试探电荷沿直线由a点移动到b点，那么电场力先做正功，后做负功答案D解析带正电的试探电荷由a点移动到c点，电势能增大，电场力做负功，是逆着电场线运动，因此M处电荷应为负电荷，选项C错误；等量异种点电荷周围电场线的分布如下列图，由于沿着电场线方向电势降低，可知a点电势低于c点电势，选项A错误；a点和c点场强大小相等、方向不同，选项B错误；将带正电的试探电荷沿直线由a点移到b点，电场力先做正功后做负功，选项D正确如图3所示，电场中的一簇电场线关于y轴对称分布，O点是坐标原点，M、N、P、Q是以O为圆心的一个圆周上的四个点，其中M、N在y轴上，Q点在x轴上，那么()图3AM点电势比P点电势高BOM间的电势差等于NO间的电势差C一正电荷在O点的电势能小于在Q点的电势能D将一负电荷从M点移到P点，电场力做正功答案D解析如题图所示的电场为带正电的点电荷形成的电场，所有电场线反向延长的交点即为该点电荷所在的位置，P点离该点电荷的距离比M点更近，所以P点的电势比M点电势高，选项A错误；NO之间的电场线比OM之间的电场线密，所以NO之间的场强大，电势差也大，选项B错误；O点到该点电荷的距离比Q点近，O点电势高，正电荷在电势高的位置电势能大，故正电荷在O点的电势能比在Q点大，选项C错误；P点的电势比M点电势高，将负电荷由电势低的位置移动到电势高的位置电场力做正功，选项D正确题型2电场矢量合成问题例2(2022·新课标·18)如图4，在光滑绝缘水平面上，三个带电小球a、b和c分别位于边长为l的正三角形的三个顶点上；a、b带正电，电荷量均为q，c带负电整个系统置于方向水平的匀强电场中静电力常量为k.假设三个小球均处于静止状态，那么匀强电场场强的大小为()图4A.B.C.D.审题突破a、b对c的静电力的合力方向如何匀强电场场强的方向能确定吗解析因为a、b小球对c的静电力的合力方向垂直于a、b连线向上，又因c带负电，所以匀强电场的场强方向为垂直于a、b连线向上分析a球受力：b对a的排斥力F1、c对a的吸引力F2和匀强电场对a的电场力F3qE.根据受力平衡可知，a受力情况如下列图利用正交分解法：F2cos60°F1kF2sin60°F3qE.解得E.答案B以题说法1.熟练掌握常见电场的电场线和等势面的画法2对于复杂的电场场强、电场力合成时要用平行四边形定那么3电势的上下可以根据“沿电场线方向电势降低或者由离正、负场源电荷的关系来确定如图5所示，真空中同一水平线上固定两等量异种点电荷A、B，其中A带负电、B带正电C、D、O是分布在AB连线的垂线上的三个点，且AO>BO.以下判断正确的选项是()图5AC、D两点的电势相等BC、D两点的电场强度的方向均水平向左C同一带负电的试探电荷在C点的电势能大于在D点的电势能D同一试探电荷在C点受到的电场力比在D点受到的电场力小答案CD解析由等量异种点电荷的电场线和等势面分布可知，O>D>C，选项A错误；在AB连线中垂线上的各点电场强度方向水平向左，EC和ED的方向斜向左上，选项B错误；负电荷在电势低处电势能大，所以EpC>EpD，选项C正确；EC<ED，所以同一试探电荷在C点受到的电场力比在D点受到的电场力小，选项D正确题型3带电粒子在有界磁场中的临界、极值问题例3(18分)如图6所示，在一个直角三角形区域ABC内存在方向垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场，AB、BC、AC为磁场边界，AC边长为3l，A53°.一质量为m、电荷量为q的粒子从AB边上距A点为l的D点垂直于磁场边界AB射入匀强磁场取sin53°0.8，cos53°0.6，求：图6(1)要使粒子从BC边射出磁场区域，粒子速率应满足的条件；(2)粒子能从BC边射出磁场区域，其在磁场中最短的运动时间审题突破粒子速率较小时会从哪个边界射出假设速度很大又会从哪个边界射出粒子能经过C点吗解析(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，那么有qvB(2分)设粒子速率为v1时运动轨迹与BC边相切，如下列图，由几何关系可得R1l，解得R11.5l(3分)那么v1(2分)设粒子速率为v2时运动轨迹与AC边相切，那么切点为C点，由几何关系可得R2BCBD4l(3分)解得v2(2分)因此粒子从BC边射出时速率满足的条件是<v(1分)(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动，其周期为T(2分)由粒子运动轨迹可知，粒子从C点射出磁场所用时间最短，最短时间tT(2分)解得t(1分)答案(1)<v(2)以题说法1.解决带电粒子在磁场中运动的临界问题，关键在于运用动态思维，寻找临界点，确定临界状态，根据粒子的速度方向找出半径方向，同时由磁场边界和题设条件画好轨迹，定好圆心，建立几何关系2粒子射出或不射出磁场的临界状态是粒子运动轨迹与磁场边界相切如图7所示，边界OA与OC之间分布有垂直纸面向里的匀强磁场，边界OA上有一粒子源S.某一时刻，S平行于纸面向各个方向发射出大量带正电的同种粒子(不计粒子的重力及粒子间的相互作用)，所有粒子的初速度大小相同，经过一段时间有大量粒子从边界OC射出磁场AOC60°，从边界OC射出的粒子在磁场中运动的最短时间等于(T为粒子在磁场中运动的周期)，那么从边界OC射出的粒子在磁场中运动的最长时间为()图7A.B.C.TD.T答案B解析由于从OC边界射出的粒子在磁场中运动的最短时间为，其轨迹圆弧的圆心角为60°，那么其弦与SO的夹角为30°，弦的两端与圆心构成等边三角形，轨迹圆半径为rOScos30°OS，又过S点的垂线与OC的交点到垂足S的距离为dOStan60°OS，恰等于轨迹圆的直径，所以，沿SA方向发出的粒子在磁场中做半个圆周运动后从OC边射出，在磁场中运动时间最长，等于，选项B正确8带电粒子在匀强磁场中的多过程运动审题例如(2022·山东·23)(18分)如图8所示，在坐标系xOy的第一、第三象限内存在相同的匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面向里；第四象限内有沿y轴正方向的匀强电场，电场强度大小为E.一带电量为q、质量为m的粒子，自y轴上的P点沿x轴正方向射入第四象限，经x轴上的Q点进入第一象限，随即撤去电场，以后仅保存磁场OPd，OQ2d.不计粒子重力图8(1)求粒子过Q点时速度的大小和方向(2)假设磁感应强度的大小为一确定值B0，粒子将以垂直y轴的方向进入第二象限，求B0.(3)假设磁感应强度的大小为另一确定值，经过一段时间后粒子将再次经过Q点，且速度与第一次过Q点时相同，求该粒子相邻两次经过Q点所用的时间审题模板答题模板(1)设粒子在电场中运动的时间为t0，加速度的大小为a，粒子的初速度为v0，过Q点时速度的大小为v，沿y轴方向分速度的大小为vy，速度与x轴正方向间的夹角为，由牛顿第二定律得qEma(1分)由运动学公式得dat2dv0t0(1分)vyat0(1分)v(1分)tan(1分)联立式得v245°(1分)(2)设粒子做圆周运动的半径为R1，粒子在第一象限的运动轨迹如下列图，O1为圆心，由几何关系可知O1OQ为等腰直角三角形，得R12d(2分)由牛顿第二定律得qvB0m(2分)联立式得B0(1分)(3)设粒子做圆周运动的半径为R2，由几何分析知，粒子运动的轨迹如下列图，O2、O2是粒子做圆周运动的圆心，Q、F、G、H是轨迹与两坐标轴的交点，连接O2、O2，由几何关系知，O2FGO2和O2QHO2均为矩形，进而知FQ、GH均为直径，QFGH也是矩形，又FHGQ，可知QFGH是正方形，QOF为等腰直角三角形可知，粒子在第一、第三象限的轨迹均为半圆，得2R22d(2分)粒子在第二、第四象限的轨迹为长度相等的线段，得FGHQ2R2(1分)设粒子相邻两次经过Q点所用的时间为t，那么有t(2分)联立式得t(2) (2分)答案见解析点睛之笔解决带电粒子在匀强磁场中的多过程运动问题，首先要熟练掌握粒子进出不同边界(比方直线边界、圆形边界等)磁场时圆心、半径确实定方法，以及轨迹的特点，其次要灵活运用圆的几何知识，特别是圆的一些对称性如图9所示，在半径分别为r和2r的同心圆(圆心在O点)所形成的圆环形区域内，存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B.在大圆边界上A点有一粒子源，垂直AO向左发射一质量为m，电荷量为q，速度大小为qBr/m的粒子求：图9(1)假设粒子能进入磁场发生偏转，那么该粒子第一次到达磁场小圆边界时，粒子速度相对于初始方向偏转的角度；(2)假设粒子每次到达磁场大圆边界时都未从磁场中射出，那么至少经过多长时间该粒子能够回到出发点A.答案(1)120° (2)解析(1)如下列图，粒子做匀速圆周运动，设初速度为v0，轨迹半径为Rr如图粒子将沿着AB弧(圆心在O1)运动，交内边界于B点OO1B为等边三角形，那么BO1O60°粒子的轨迹AB弧对应的圆心角为BO1A120°那么速度偏转角为120°(2)粒子从B点进入中间小圆区域沿直线BC运动，又进入磁场区域，经偏转与外边界相切于D点，在磁场中运动的轨迹如下列图，粒子在磁场区域运动的时间：t13×·T2TT每通过一次无磁场区域，粒子在该区域运动的距离l2rcos30°r粒子在无磁场区域运动的总时间t2代入v0，得：t2那么粒子回到A点所用的总时间：tt1t2(限时：45分钟)一、单项选择题1(2022·江苏·3)以下选项中的各圆环大小相同，所带电荷量已在图中标出，且电荷均匀分布，各圆环间彼此绝缘坐标原点O处电场强度最大的是()答案B解析设圆环的电荷在原点O产生的电场强度为E0，根据电场强度叠加原理，在坐标原点O处，A图场强为E0, B图场强为E0，C图场强为E0，D图场强为0，因此此题答案为B.2(2022·安徽·15)图1中a、b、c、d为四根与纸面垂直的长直导线，其横截面位于正方形的四个顶点上，导线中通有大小相同的电流，方向如下列图一带正电的粒子从正方形中心O点沿垂直于纸面的方向向外运动，它所受洛伦兹力的方向是()图1A向上B向下C向左D向右答案B解析据题意，由安培定那么可知，b、d两通电直导线在O点产生的磁场抵消，a、c两通电直导线在O点产生的磁场方向均向左，所以四条通电直导线在O点产生的合磁场方向向左由左手定那么可判断带电粒子所受洛伦兹力的方向向下此题正确选项为B.3如图2所示，abcd为一正方形边界的匀强磁场区域，磁场边界边长为L，三个粒子以相同的速度从a点沿对角线方向射入，粒子1从b点射出，粒子2从c点射出，粒子3从cd边垂直射出，不考虑粒子的重力和粒子间的相互作用根据以上信息，可以确定()图2A粒子1带负电，粒子2不带电，粒子3带正电B粒子1和粒子3的比荷之比为21C粒子1和粒子2在磁场中的运动时间之比为41D粒子3的射出位置与d点相距答案B解析三个粒子运动轨迹如下列图由左手定那么可知，粒子1带正电、粒子2不带电，粒子3带负电，A错误；粒子1从b点射出，由几何关系可知r1，粒子3从cd边垂直射出，由几何关系可知r3L，又r，那么，两粒子的比荷之比与轨迹半径之比成反比，故B正确；粒子1的轨迹圆心角为90°，那么粒子1运动时间为t1·，粒子2做匀速直线运动，时间为t2，那么t1t24，C错误；粒子3的射出位置与d点相距(1)L，D错误4圆形区域内有如图3所示的匀强磁场，一束相同荷质比的带电粒子对准圆心O射入，分别从a、b两点射出，那么从b点射出的粒子()图3A带正电B运动半径较小C速率较小D在磁场中的运动时间较长答案A解析根据题意作出带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨迹，并画出圆心，如下列图，根据左手定那么，两个带电粒子都带正电，选项A正确；根据图象，从b点射出的粒子的运动半径较大，选项B错误；洛伦兹力充当向心力qvBm，r，两个粒子荷质比相同，轨道半径大的粒子速度大，所以b点射出的粒子速度大，选项C错误；根据qvBmr，可得两粒子在磁场中做圆周运动的周期(T)是相同的，从a点射出的粒子的圆心角为钝角，从b点射出的粒子的圆心角为锐角，带电粒子的运动时间为tT，圆心角越大运动时间越长，那么从b点射出的粒子的运动时间短，选项D错误二、多项选择题5P、Q两电荷形成的电场的电场线分布如图4所示，a、b、c、d为电场中的四个点一个离子从a运动到b(不计重力)，轨迹如图中虚线所示那么以下判断正确的选项是()图4A离子带正电Bc点电势高于d点电势C离子在a点时的加速度大于在b点时的加速度D离子在a点时的电势能大于在b点时的电势能答案BC解析根据图中电场线方向可以判断出，P电荷带正电，Q电荷带负电，由做曲线运动的物体受到的合力指向曲线的内侧，可以判断离子从a运动到b，受到的电场力与电场线方向相反，离子带负电，选项A错误；沿着电场线方向电势降低，c点电势高于d点电势，选项B正确；a点的电场线比b点的电场线密，所以离子在a点受到的电场力大于在b点受到的电场力，那么离子在a点的加速度大于在b点的加速度，选项C正确；离子从a点运动到b点，电场力做负功，电势能增大，在a点时的电势能小于在b点时的电势能，选项D错误6如图5所示，P、Q处固定放置两等量异种电荷，b、c、O在P、Q的连线上，e、O为两点电荷连线的中垂线上的点，且abeO，bccO，abbO，aeeO，那么()图5Aa点电势等于b点电势Bb点场强大于e点场强C电子在a点的电势能大于电子在O点的电势能Db、c间电势差大于c、O间电势差答案BD解析等量异种点电荷周围的电场线分布情况如下列图，a点和b点不在同一个等势面上，电势不相等，选项A错误；根据电场线的疏密情况，可得b点的场强大于e点的场强，选项B正确；a点的电势大于零，O点的电势等于零，电子带负电，在高电势处电势能小，选项C错误；b、c间的电场线比c、O间的电场线密，场强大，电势降低得快，所以b、c间的电势差大于c、O间的电势差，选项D正确7(2022·广东·21)如图6，两个初速度大小相同的同种离子a和b，从O点沿垂直磁场方向进入匀强磁场，最后打到屏P上，不计重力，以下说法正确的有()图6Aa、b均带正电Ba在磁场中飞行的时间比b的短Ca在磁场中飞行的路程比b的短Da在P上的落点与O点的距离比b的近答案AD解析此题考查的是“定心判径画轨迹，a、b粒子做圆周运动的半径都为R，画出轨迹如下列图，圆O1、O2分别为b、a的轨迹，a在磁场中转过的圆心角大，由tT和轨迹图可知A、D选项正确三、非选择题8如图7所示，直角坐标平面xOy内有一条直线AC过坐标原点O与x轴成45°夹角，在OA与x轴负半轴之间的区域内存在垂直xOy平面向外的匀强磁场B1，在OC与x轴正半轴之间的区域内存在垂直xOy平面向外的匀强磁场B2.现有一质量为m、带电量为q(q>0)的带电粒子以速度v从位于直线AC上、坐标为(L，L)的P点竖直向下射出，经测量发现，此带电粒子每经过相同的时间T，将会再回到P点，磁感应强度B2.(不计粒子重力)图7(1)请在图中画出带电粒子的运动轨迹，并求出匀强磁场B1与B2的比值；(B1、B2磁场足够大)(2)求出带电粒子相邻两次经过P点的时间间隔T.答案(1)运动轨迹见解析图(2)解析(1)带电粒子从P点匀速运动到Q点，然后做半径为：qvB2mR2L的匀速圆周运动，运动到H点时的速度方向与AC垂直，从H点匀速运动到D点后做匀速圆周运动到P点根据几何知识可知：L，四边形PODO1为棱形，O1为圆心，那么带电粒子在匀强磁场B1中做匀速圆周运动时的半径R1为L，根据qvB1m，得B1B2，即(2)设带电粒子由P到Q、Q到H、H到D、D到P所用的时间分别为t1、t2、t3、t4，那么Tt1t2t3t4t1，t2T1，t3，t4T2Tt1t2t3t49图8是某装置的垂直截面图，虚线A1A2是垂直截面与磁场区边界面的交线，匀强磁场分布在A1A2的右侧区域，磁感应强度B0.4T，方向垂直纸面向外，A1A2与垂直截面上的水平线夹角为45°.在A1A2左侧，固定的薄板和等大的挡板均水平放置，它们与垂直截面交线分别为S1、S2，相距L0.2 m在薄板上P处开一小孔，P与A1A2线上点D的水平距离为L.在小孔处装一个电子快门起初快门开启，一旦有带正电微粒通过小孔，快门立即关闭，此后每隔T3.0×103s开启一次并瞬间关闭从S1S2之间的某一位置水平发射一速度为v0的带正电微粒，它经过磁场区域后入射到P处小孔通过小孔的微粒与挡板发生碰撞而反弹，反弹速度大小是碰前的0.5倍图8(1)经过一次反弹直接从小孔射出的微粒，其初速度v0应为多少(2)求上述微粒从最初水平射入磁场到第二次离开磁场的时间(忽略微粒所受重力影响，碰撞过程无电荷转移微粒的荷质比1.0×103 C/kg.只考虑纸面上带电微粒的运动)答案(1)100 m/s(2)2.8×102s解析(1)如下列图，设带正电微粒在S1S2之间任意点Q以水平速度v0进入磁场，微粒受到的洛伦兹力为F，在磁场中做匀速圆周运动的半径为r，有：Fqv0B得：r欲使微粒能进入小孔，半径r的取值范围为：L<r<2L代入数据得：80 m/s<v0<160 m/s欲使进入小孔的微粒与挡板发生一次相碰返回后能通过小孔，还必须满足条件：nT，其中n1,2,3，由可知，只有n2满足条件，即有：v0100 m/s(2)设微粒在磁场中做圆周运动的周期为T0，从水平进入磁场到第二次离开磁场的总时间为t，设t1、t4分别为带电微粒第一次、第二次在磁场中运动的时间，第一次离开磁场运动到挡板的时间为t2，碰撞后再返回磁场的时间为t3，运动轨迹如图(1)中所示，那么有：T0t1T0t2t3t4T0tt1t2t3t42.8×102s