物理（三）-带电粒子在复合场中的运动.ppt

01.会会分分析析速速度度选选择择器器、磁磁流流体体发发电电机机、质质谱谱仪仪、回回旋旋加加速速器等磁场的实际应用问题器等磁场的实际应用问题2.会分析带电粒子在组合场、叠加场中的运动问题会分析带电粒子在组合场、叠加场中的运动问题1.复合场复合场(1)叠叠加加场场：电电场场、_、重重力力场场共共存存或或其其中中某某两两场场共存共存(2)组组合合场场：电电场场与与磁磁场场各各位位于于一一定定的的区区域域内内，并并不不重重叠叠或在同一区域，电场、磁场或在同一区域，电场、磁场_出现出现磁场磁场 交替交替 2.三种场的比较三种场的比较项目项目名称名称力的特点力的特点功和能的特点功和能的特点重力场重力场大小：大小：G_方向：方向：_重力做功与重力做功与_无关重力无关重力做功改变物体的做功改变物体的_静电场静电场大小：大小：F_方向：方向：a.正电荷受力方正电荷受力方向与场强方向向与场强方向_b.负电荷受力方向与场负电荷受力方向与场强方向强方向_电场力做功与电场力做功与_无关无关W_电场力做功改变电场力做功改变_磁场磁场洛伦兹力洛伦兹力F_方向可用方向可用_定则判定则判断断洛伦兹力不做功，不改变带洛伦兹力不做功，不改变带电粒子的电粒子的_mg竖直向下竖直向下路径路径重力势能重力势能qE相同相同相反相反路径路径qU电势能电势能qvB左手左手动能动能3.质谱仪质谱仪(1)构构造造：如如图图所所示示，由由粒粒子子源源、加加速速电电场场、偏偏转转磁磁场场和和照相底片等构成照相底片等构成4.回旋加速器回旋加速器(1)构构造造：如如图图所所示示，D1、D2是是半半圆圆形形金金属属盒盒，D形形盒盒的的缝缝隙处接交流电源，隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中形盒处于匀强磁场中内能内能正极正极 Blv 非磁性材料非磁性材料qE 7.霍尔效应霍尔效应在在匀匀强强磁磁场场中中放放置置一一个个矩矩形形截截面面的的载载流流导导体体，当当_与与电电流流方方向向垂垂直直时时，导导体体在在与与磁磁场场、电电流流方方向向都都垂垂直直的的方方向向上上出出现现了了_，这这种种现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应，所所产产生生的的电电势势差差称称为霍尔电势差，其原理如图所示为霍尔电势差，其原理如图所示磁场方向磁场方向电势差电势差 1.“磁偏转磁偏转”和和“电偏转电偏转”的区别的区别带电粒子在组合场中的运动带电粒子在组合场中的运动电偏转电偏转磁偏转磁偏转偏转条件偏转条件带电粒子以带电粒子以vE进进入匀强电场入匀强电场带电粒子以带电粒子以vB进入匀进入匀强磁场强磁场受力情况受力情况只受恒定的电场力只受恒定的电场力只受大小恒定的洛伦兹力只受大小恒定的洛伦兹力运动轨迹运动轨迹抛物线抛物线圆弧圆弧物理规律物理规律类平抛知识、牛顿类平抛知识、牛顿第二定律第二定律牛顿第二定律、向心力公牛顿第二定律、向心力公式式2.带带电电粒粒子子在在组组合合场场中中的的运运动动问问题题，关关键键是是要要按按顺顺序序对对题题目目给给出出的的运运动动过过程程进进行行分分段段分分析析，把把复复杂杂问问题题分分解解成成一一个个一一个个简简单单、熟熟悉悉的的问问题题来来求求解解，对对于于由由几几个个阶阶段段共共同同组组成成的的运运动动还还应应注注意意衔衔接接处处的的运运动动状状态态.解解决决带带电电粒粒子子在在组组合合场场中中运运动动问问题题的思路方法：的思路方法：(1)电场强度的大小电场强度的大小【答案答案】vB(2)该粒子再次从该粒子再次从O点进入磁场后，运动轨道的半径点进入磁场后，运动轨道的半径(3)该粒子从该粒子从O点出发再次回到点出发再次回到O点所需的时间点所需的时间(1)磁感应强度的大小磁感应强度的大小【答案答案】0.2 T(2)P、M两点间的电势差两点间的电势差【答案答案】250 V(3)粒子从粒子从O点运动到点运动到M点的时间点的时间【答案答案】1.285102 s2.(2015南南京京三三校校联联考考)如如图图所所示示，区区域域中中有有竖竖直直向向上上的的匀匀强强电电场场，电电场场强强度度为为E;区区域域内内有有垂垂直直纸纸面面向向外外的的水水平平匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度为为B；区区域域中中有有垂垂直直纸纸面面向向里里的的水水平平匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度为为2B.一一质质量量为为m、带带电电荷荷量量为为q的的带带负负电电粒粒子子(不不计计重重力力)从从左左边边界界O点点正正上上方方的的M点点以以速速度度v0水水平平射射入入电电场场，经经水水平平分分界界线线OP上上的的A点点与与OP成成60角角射射入入区区域域的的磁磁场场，并并垂垂直竖直边界直竖直边界CD进入进入区域的匀强磁场中求：区域的匀强磁场中求：(1)粒子在粒子在区域匀强磁场中运动的轨道半径区域匀强磁场中运动的轨道半径(2)O、M间的距离间的距离(3)粒粒子子从从第第一一次次进进入入区区域域到到离离开开区区域域所所经经历历的的时时间间t3.1.带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类(1)磁场力、重力并存磁场力、重力并存 若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动 若若重重力力和和洛洛伦伦兹兹力力不不平平衡衡，则则带带电电体体将将做做复复杂杂的的曲曲线线运运动，因动，因F洛洛不做功，故机械能守恒，由此可求解问题不做功，故机械能守恒，由此可求解问题带电粒子在叠加场中的运动带电粒子在叠加场中的运动(2)电场力、磁场力并存电场力、磁场力并存(不计重力的微观粒子不计重力的微观粒子)若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动 若若电电场场力力和和洛洛伦伦兹兹力力不不平平衡衡，则则带带电电体体将将做做复复杂杂的的曲曲线线运动，因运动，因F洛洛不做功，可用动能定理求解问题不做功，可用动能定理求解问题(3)电场力、磁场力、重力并存电场力、磁场力、重力并存 若三力平衡，一定做匀速直线运动若三力平衡，一定做匀速直线运动 若重力与电场力平衡，一定做匀速圆周运动若重力与电场力平衡，一定做匀速圆周运动 若若合合力力不不为为零零且且与与速速度度方方向向不不垂垂直直，将将做做复复杂杂的的曲曲线线运运动，因动，因F洛洛不做功，可用能量守恒或动能定理求解问题不做功，可用能量守恒或动能定理求解问题2.带电粒子在复合场中有约束情况下的运动带电粒子在复合场中有约束情况下的运动带带电电体体在在复复合合场场中中受受轻轻杆杆、轻轻绳绳、圆圆环环、轨轨道道等等约约束束的的情情况况下下，常常见见的的运运动动形形式式有有直直线线运运动动和和圆圆周周运运动动，此此时时解解题题要要通通过过受受力力分分析析明明确确变变力力、恒恒力力做做功功情情况况，并并注注意意洛洛伦伦兹兹力力不不做做功功的的特特点点，运运用用动动能能定定理理、能能量量守守恒恒定定律律结结合合牛牛顿顿运运动动定定律律求求解解问题问题典典题题演演示示2(2016苏苏锡锡常常镇镇二二模模)科科学学工工作作者者常常常常用用介介质质来来显显示示带带电电粒粒子子的的径径迹迹如如图图所所示示，平平面面内内存存在在着着垂垂直直于于纸纸面面向向外外的的匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度B4102T.x轴轴上上方方为为真真空空，x轴轴下下方方充充满满某某种种不不导导电电的的介介质质并并置置于于沿沿x轴轴方方向向的的匀匀强强电电场场中中，粒粒子子在在介介质质中中运运动动时时会会受受到到大大小小为为fkv的的粘粘滞滞阻阻力力y轴轴上上P(0,0.08m)点点存存在在一一个个粒粒子子源源，能能沿沿纸纸面面向向各各个个方方向向发发射射质质量量m1.61025 kg、带带电电荷荷量量q1.61019 C且且速速率率相相同同的的粒粒子子已已知知沿沿x轴轴正正方方向向射射出出的的一一个个粒粒子子，经经过过磁磁场场偏偏转转后后从从x轴轴上上(0.16m,0)点点进进入入介介质质中中，观观察察到到该该粒粒子子在在介介质质中中的的径径迹迹为为直直线线(不不计计重重力力及及粒粒子子间间相相互互作作用用，粒粒子子在在介介质质中中运运动动时时电电荷荷量量不不变变)(1)求该粒子源发射粒子的速率求该粒子源发射粒子的速率【答案答案】8103 m/s(2)求求k的的值值，并并指指出出进进入入介介质质的的其其他他粒粒子子最最终终的的运运动动情情况况(能给出相关参量的请给出参量的值能给出相关参量的请给出参量的值)【答案答案】4.81021 Ns/m运动情况略运动情况略(3)若若撤撤去去介介质质中中的的电电场场，求求进进入入介介质质的的粒粒子子在在介介质质中中运运动的轨迹长度动的轨迹长度l.【答案答案】0.27 m题组训练题组训练21.(2015南南师师附附中中)如如图图所所示示，套套在在足足够够长长的的绝绝缘缘粗粗糙糙直直棒棒上上的的带带正正电电小小球球，其其质质量量为为m，带带电电荷荷量量为为q，小小球球可可在在棒棒上上滑滑动动现现将将此此棒棒竖竖直直放放入入沿沿水水平平方方向向的的且且互互相相垂垂直直的的匀匀强强磁磁场场和和匀匀强强电电场场中中设设小小球球电电荷荷量量不不变变，小小球球由由棒棒的的下下端端以以某某一一速速度上滑的过程中一定有度上滑的过程中一定有()A.小球加速度一直减小小球加速度一直减小B.小球的速度先减小，直到最后匀速小球的速度先减小，直到最后匀速C.杆对小球的弹力一直减小杆对小球的弹力一直减小D.小球受到的洛伦兹力一直减小小球受到的洛伦兹力一直减小D 【解解析析】小小球球上上滑滑的的过过程程中中，在在竖竖直直方方向向上上受受到到竖竖直直向向下下的的重重力力和和摩摩擦擦力力作作用用，所所以以小小球球的的速速度度一一直直减减小小，根根据据公公式式F洛洛qvB，小小球球所所受受洛洛伦伦兹兹力力一一直直减减小小，选选项项B错错误误，选选项项D正正确确；在在水水平平方方向向上上，小小球球共共受受到到水水平平向向右右的的电电场场力力、水水平平向向左左的的洛洛伦伦兹兹力力和和杆杆的的弹弹力力三三个个力力的的作作用用，三三力力的的合合力力为为零零，如如果果刚刚开开始始，小小球球的的初初速速度度较较大大，其其洛洛伦伦兹兹力力大大于于电电场场力力，杆杆对对小小球球的的弹弹力力水水平平向向右右，大大小小FNF洛洛F会会随随着着速速度度的的减减小小而而减减小小，小小球球的的加加速速度度也也一一直直减减小小；如如果果刚刚开开始始小小球球的的初初速速度度较较小小，其其洛洛伦伦兹兹力力小小于于电电场场力力，杆杆对对小小球球的的弹弹力力水水平平向向左左，大大小小FNFF洛洛会会随随着着速速度度的的减减小小而而增增大大，小小球球的的加加速速度度也也一一直直增增大大，可可见见，选项选项A、C错误错误2.(2016南南师师附附中中)如如图图所所示示，在在竖竖直直平平面面内内，水水平平x轴轴的的上上方方和和下下方方分分别别存存在在方方向向垂垂直直纸纸面面向向外外和和方方向向垂垂直直纸纸面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场，其其中中x轴轴上上方方的的匀匀强强磁磁场场磁磁感感应应强强度度大大小小为为B1，并并且且在在第第一一象象限限和和第第二二象象限限有有方方向向相相反反、强强弱弱相相同同的的平平行行于于x轴轴的的匀匀强强电电场场，电电场场强强度度大大小小为为E1.已已知知一一质质量量为为m的的带带电电小小球球从从y轴轴上上的的A(0，L)位位置置斜斜向向下下与与y轴轴负负半半轴轴成成60角角射射入入第第一一象象限限，恰恰能做匀速直线运动能做匀速直线运动(1)判判定定带带电电小小球球的的电电性性，并并求求出出所所带带电电荷荷量量q及及入入射射的的速速度大小度大小(2)为为使使得得带带电电小小球球在在x轴轴下下方方的的磁磁场场中中能能做做匀匀速速圆圆周周运运动动，需需要要在在x轴轴下下方方空空间间加加一一匀匀强强电电场场，试试求求所所加加匀匀强强电电场场的的方方向向和和电场强度的大小电场强度的大小(3)在在满满足足第第(2)问问的的基基础础上上，若若在在x轴轴上上安安装装有有一一绝绝缘缘弹弹性性薄薄板板，并并且且调调节节x轴轴下下方方的的磁磁场场强强弱弱，使使带带电电小小球球恰恰好好与与绝绝缘缘弹弹性性板板碰碰撞撞两两次次后后从从x轴轴上上的的某某一一位位置置返返回回到到x轴轴的的上上方方，(带带电电小小球球与与弹弹性性板板碰碰撞撞时时，既既无无电电荷荷转转移移，也也无无能能量量损损失失，并并且且入入射射方方向向和和反反射射方方向向与与弹弹性性板板的的夹夹角角相相同同)然然后后恰恰能能匀匀速速直直线线运运动动至至y轴轴上上的的A(0，L)位位置置，则则弹弹性性板板至至少少多多长长？求求带带电电小小球球从从A位位置出发返回至置出发返回至A位置过程中所经历的时间位置过程中所经历的时间(3)要要想想让让小小球球恰恰好好与与弹弹性性板板发发生生两两次次碰碰撞撞，并并且且碰碰撞撞后后返返回回x轴轴上上方方空空间间匀匀速速运运动动到到A点点，则则其其轨轨迹迹应应该该如如图图所所示示，且且由几何关系可知由几何关系可知甲甲 乙乙(1)求带电粒子运动到求带电粒子运动到C点的纵坐标值点的纵坐标值h及电场强度及电场强度E1.【答案答案】0.8 m0.2 N/C(2)x轴轴上上有有一一点点D，ODOC，若若带带电电粒粒子子在在通通过过C点点后后的的运运动动过过程程中中不不再再越越过过y轴轴，要要使使其其恰恰能能沿沿x轴轴正正方方向向通通过过D点点，求磁感应强度求磁感应强度B0及其磁场的变化周期及其磁场的变化周期T0.(3)要要使使带带电电粒粒子子通通过过C点点后后的的运运动动过过程程中中不不再再越越过过y轴轴，求交变磁场磁感应强度求交变磁场磁感应强度B0和变化周期和变化周期T0的乘积应满足的关系的乘积应满足的关系不不论论是是速速度度选选择择器器、回回旋旋加加速速器器、还还是是质质谱谱仪仪、电电磁磁流流量量计计，其其实实质质都都是是带带电电粒粒子子在在电电磁磁场场中中的的应应用用实实例例，解解题题这这类类问问题思路主要有：题思路主要有：(1)力力和和运运动动的的关关系系根根据据带带电电体体所所受受的的力力，运运用用牛牛顿顿第第二定律并结合运动学规律求解二定律并结合运动学规律求解(2)功功能能关关系系根根据据场场力力及及其其他他外外力力对对带带电电粒粒子子做做功功引引起起的的能能量量变变化化或或全全过过程程中中的的功功能能关关系系解解决决问问题题，这这条条线线索索不不但但适适用于均匀场，也适用于非均匀场用于均匀场，也适用于非均匀场带电粒子在复合场中的实际应用带电粒子在复合场中的实际应用(1)求离子在磁场中运动的速度求离子在磁场中运动的速度v的大小的大小(2)求求a、b两处的电势差两处的电势差U.(3)实实际际工工作作时时，磁磁感感应应强强度度可可能能会会与与设设计计值值B有有一一定定偏偏差差，若若进进入入加加速速器器的的离离子子总总数数为为N，则则磁磁感感应应强强度度为为0.9B时时有有多多少少离离子能打在荧光屏上？子能打在荧光屏上？BC BC(1)求原本打在求原本打在MN中点中点P的离子质量的离子质量m.(2)为为使使原原本本打打在在P的的离离子子能能打打在在QN区区域域，求求加加速速电电压压U的的调节范围调节范围(3)为为了了在在QN区区域域将将原原本本打打在在MQ区区域域的的所所有有离离子子检检测测完完整整，求求需需要要调调节节U的的最最少少次次数数(取取lg20.301，lg30.477，lg50.699)【答案答案】3微模型微模型9 带电粒子在周期性变化的电磁场中运动的问题带电粒子在周期性变化的电磁场中运动的问题解解决决这这类类问问题题首首先先要要注注意意交交变变电电场场和和交交变变磁磁场场的的特特点点，弄弄清清在在各各个个过过程程中中受受到到哪哪些些力力的的作作用用，带带电电粒粒子子在在周周期期性性变变化化的的电电场场和和磁磁场场中中各各处处于于何何种种状状态态、做做什什么么运运动动，确确定定带带电电粒粒子子的的运运动动过过程程，然然后后选选择择物物理理原原理理和和规规律律按按运运动动过过程程列列式式求求解解解解题步骤图如下：题步骤图如下：(1)tt0时，求粒子的位置坐标时，求粒子的位置坐标(2)若若t5t0时时粒粒子子回回到到原原点点，求求05t0时时间间内内粒粒子子距距x轴轴的的最大距离最大距离(3)若粒子能够回到原点，求满足条件的所有若粒子能够回到原点，求满足条件的所有E0值值【思维轨迹思维轨迹】甲甲 乙乙(1)t0时时刻刻粒粒子子的的速速度度大大小小v1，及及对对应应的的位位置置坐坐标标(x1，y1)(2)为为使使粒粒子子第第一一次次运运动动到到y轴轴时时速速度度沿沿x方方向向，B0与与E0应满足的关系应满足的关系(3)t4nt0(n为正整数为正整数)时刻粒子所在位置的横坐标时刻粒子所在位置的横坐标x.甲甲 乙乙