人教版高三物理一轮复习 第9章第4课时 带电粒子在复合场中的运动课件 鲁科.ppt

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1、磁磁场场带电粒子在复合场带电粒子在复合场中的运动中的运动第九章2021/8/9 星期一1带电粒子在复合场中的运动带电粒子在复合场中的运动(1)这这里里所所说说的的复复合合场场是是指指电电场场、磁磁场场、重重力力场场并并存存.或或其其中中某某两两种种场场并并存存的的场场，带带电电粒粒子子在在这这些些复复合合场场中中运运动动时时.必必须须同同时时考考虑虑电电场场力力、洛洛伦伦兹兹力力和和重重力力的的作作用用或或其其中中某某两两种种力力的的作作用用.因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要.(2)当当带带电电粒粒子子在在复复合合场场中中所所受受的的合合外外力力

2、为为零时，粒子将做零时，粒子将做或或.匀速直线运动匀速直线运动静止静止2021/8/9 星期一2(3)当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做运动.(4)当带电粒子所受的合外力充当向心力时.粒子将做运动.(5)当带电粒子所受的合外力的大小、方向均不断变化时，则粒子将做运动，这类问题一般只能用能量关系处理.变速直线变速直线匀速圆周匀速圆周变加速变加速2021/8/9 星期一3在在竖竖直直向向下下的的匀匀强强电电场场和和水水平平方方向向的的匀匀强强磁磁场场垂垂直直相相交交的的区区域域里里，一一带带电电粒粒子子从从a点点由由静静止止开开始始沿沿曲曲线线ab运运动动到到c点点时时，速

3、速度度又又变变为为零零，b点点是是运运动动中中能能够够到到达达的的最最高高点点，如图如图941所示所示.图图941带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动2021/8/9 星期一4若不计重力，下列说法中错误的是()A.粒子肯定带负电，磁场方向垂直于纸面向里B.a、c点处在同一条水平线上C.粒子通过b点时速率最大D.粒子到达c点后将沿原路径返回到a点2021/8/9 星期一5粒子从a点由静止运动到b点，说明它受到的电场力向上，说明粒子带负电，磁场方向垂直向里，A正确.洛伦兹力不做功，粒子到达c时，电势能应与在a时相等，所以a、c处在同一水平线上，B正确.粒子在b点时，电场力做功最

4、大，所以速度也最大，故C正确.粒子到达c点后，会再重复原来的运动形式，但不会原路返回，故D错误.本题的正确答案是D.电场力对粒子做功，洛伦兹力对粒子不做功.2021/8/9 星期一6变式训练1：如图9-4-2所示，在xOy坐标系所在的空间中，可能存在匀强电场或匀强磁场，也可能两者都存在或都不存在.但如果两者都存在，已知磁场平行于xy平面.现有一质量为m带正电荷q的点电荷沿z轴正方向射入此空间中，发现它做速度为v0的匀速直线运动.2021/8/9 星期一7若不计重力，试写出电场和磁场的分布有哪几种可能性.要求对每一种可能性都要说出其中电场强度、磁感应强度的方向和大小，以及它们之间可能存在的关系.

5、不要求推导或说明理由.图图9422021/8/9 星期一8 解解析析：粒粒子子从从a点点由由静静止止运运动动到到b点点，说说明明它它受受到到的的电电场场力力向向上上，说说明明粒粒子子带带负负电电，磁磁场场方方向向垂垂直直向向里里，A正正确确洛洛伦伦兹兹力力不不做做功功，粒粒子子到到达达c时时，电电势势能能应应与与在在a时时相相等等，所所以以a、c处处在在同同一一水水平平线线上上，B正正确确粒粒子子在在b点点时时，电电场场力力做做功功最最大大，所所以以速速度度也也最最大大，故故C正正确确粒粒子子到到达达c点点后后，会会再再重重复复原原来来的的运运动动形形式式，但但不不会会原原路路返返回回，故故D

6、错错误误本本题的正确答案是题的正确答案是D.2021/8/9 星期一9 带电微粒在电场力、洛伦兹力和重力作用下的运动如图如图943所示，在与所示，在与水平面成水平面成30角斜向下的匀角斜向下的匀强电场强电场E和沿水平方向垂直和沿水平方向垂直纸面向里的匀强磁场纸面向里的匀强磁场B的空的空间中，有一个质量为间中，有一个质量为m的带的带电体竖直向下做匀速直线运电体竖直向下做匀速直线运动，则此带电体带动，则此带电体带电，电电，电荷量为荷量为，运动速度为，运动速度为.图图9432021/8/9 星期一10粒子向下做匀速直线运动，说明粒子所受电场力、洛伦兹力、重力三力平衡，洛伦兹力向左，带负电，qEsin

7、30=mg，所以q=，由=tan30得=.粒子在重力场、电场和磁场中做直线运动，且运动方向垂直于磁场方向，那么一定做的是匀速直线运动.2021/8/9 星期一11变式训练2：如图9-4-4所示，某空间存在正交的匀强磁场和匀强电场，电场方向水平向右，磁场方向垂直纸面向里，一带电微粒由a点进入电磁场并刚好能沿ab直线向上运动，下列说法正确的是()图图944A.微粒一定带正电微粒一定带正电B.微粒动能一定减小微粒动能一定减小C.微粒的电势能一定微粒的电势能一定增加增加D.微粒的机械能一定微粒的机械能一定增加增加2021/8/9 星期一12 解解析析：带带电电微微粒粒做做直直线线运运动动，如如果果粒粒

8、子子带带正正电电，它它受受合合外外力力不不为为零零，粒粒子子的的速速度度大大小小会会改改变变，导导致致洛洛伦伦兹兹力力改改变变，粒粒子子不不能能继继续续做做直直线线运运动动，所所以以粒粒子子带带负负电电，受受平平衡衡力力作作用用，做做匀匀速速直直线线运运动动，A、B错错误误；微微粒粒带带负负电电，则则电电势势能能是是减减少少的的，C错错；微微粒粒的的动动能能不不变变，重重力势能增加，所以机械能增加，力势能增加，所以机械能增加，D正确正确 2021/8/9 星期一13带电粒子先后在两个磁场中运动 如图9-4-5所示，在坐标系xOy平面的第象限内存在垂直纸面向外的匀强磁场B1，在第象限内存在垂直纸

9、面向里的另一个匀强磁场B2，在x轴上有一点Q(23a,0)、在y轴上有一点P(0,a).现有一质量为m，电荷量为+q的带电粒子(不计重力)，从P点处垂直y轴以速度v0射入匀强磁场B1中，并以与x轴正方向成60角的方向进入x轴下方的匀强磁场B2中，在B2中偏转后刚好打在Q点.2021/8/9 星期一14求：(1)匀强磁场的磁感应强度B1、B2的大小；(2)粒子从P点运动到Q点所用的时间.图图9452021/8/9 星期一15(1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨迹如图所示.2021/8/9 星期一16设粒子在匀强磁场B1中的偏转半径r1则r1=r1cos60+a即r1=2a由B1qv0=

10、m 得B1=设粒子在匀强磁场B2中的偏转半径r22r2sin60=2 a-r1sin60,r2=a由B2qv0=m 得B2=(2)t=t1+t2=T1+T2=带电粒子先后在两个磁场中运动，确定粒子的轨道半径和圆心，是解题的关键.注意粒子在两磁场区的交界处，轨道是相切的.2021/8/9 星期一17变式训练3：如图9-4-6所示，在y0的空间中存在匀强电场，场强沿y轴负方向；在y0的空间中，存在匀强磁场，磁场方向垂直xy平面(纸面)向外.一电荷量为q、质量为m的带正电的运动粒子，经过y轴上y=h处的点P1时速率为v0，方向沿x轴正方向；然后，经过x轴上x2h处的P2点进入磁场，并经过y轴上y-2

11、h处的P3点.不计重力.2021/8/9 星期一18求:(1)电场强度的大小.(2)粒子到达P2时速度的大小和方向.(3)磁感应强度的大小.图图9462021/8/9 星期一19带电质点有轨道约束情况下的运动如图9-4-7所示，足够长的绝缘光滑斜面与水平面间的夹角为(sin=0.6)，放在水平方向的匀强磁场和匀强电场中，电场强度E=50V/m，方向水平向左，磁场方向垂直于纸面向外.一个带电量q=+4.010-2C，质量m=0.40kg的光滑小球，以初速度v0=20m/s从斜面底端冲上斜面，经过3s离开斜面，求磁场的磁感应强度.(取g=10m/s2)2021/8/9 星期一20图图9472021

12、/8/9 星期一21由于小球受到的磁场力必定与它的运动速度方向垂直，由一开始小球在斜面上运动而3秒后离开斜面，则可以判定小球初始时受的磁场力的方向为垂直于斜面向下，当然，也可以由左手定则直接判断，也就是说，题中如果不给出小球带的电荷类型，也可以判断出来.小球沿斜面向下的加速度由电场力和重力唯一决定，做匀变速直线运动，2021/8/9 星期一22即mgsin+Eqcos=ma，解得a=10m/s2又由v3=v0+at,经过3秒小球的速度为v3=20m/s-103m/s=-10m/s,方向为沿斜面向下，这时，小球受的磁场力为沿与斜面垂直方向向上，大小为F1=qv3B，小球刚好离开斜面意味着此时小球

13、刚好受斜面的弹力为0.2021/8/9 星期一23于是由沿斜面垂直方向上的受力平衡，不难得出Bqv3+Eqsin=mgcos，解得B=5T.注意离开斜面问题.本题由于斜面光滑，因而物体的速度不受洛伦兹力的影响.2021/8/9 星期一24 变变式式训训练练4：如如图图948所所示示，套套在在很很长长的的绝绝缘缘直直棒棒上上的的小小球球，其其质质量量为为m，带带电电量量是是+q，小小球球可可在在棒棒上上滑滑动动，将将此此棒棒竖竖直直放放在在互互相相垂垂直直，且且沿沿水水平平方方向向的的匀匀强强电电场场和和匀匀强强磁磁场场中中，电电场场强强度度是是E，磁磁感感应应强强度度是是B，小小球球与与棒棒的

14、的动动摩摩擦擦因因数数为为，求求小小球球由由静静止止沿沿棒棒下下落落的的最最大大加加速速度度和和最最大大速度速度(设设小球小球带电带电量不量不变变)图图9482021/8/9 星期一25 解解析析：此此类类问问题题属属于于涉涉及及加加速速度度的的力力学学问问题题，必必定定得得用用牛牛顿顿第第二二定定律律解解决决，小小球球的的受受力力情情况况如如图所示图所示 由由 于于 N=Eq+Bqv，所所 以以 F合合=mg-N=mg-(Eq+Bqv)可可见见随随着着v增增大大，F合合减减小小，由由牛牛顿顿第第二二定定律律知知，小小球球做做加加速速度度越越来来越越小小的的加加速速运运动动直直到最后做匀速运动

15、到最后做匀速运动2021/8/9 星期一262021/8/9 星期一27现代五项电磁技术的应用一、速度选择器9492021/8/9 星期一281.原理如图9-4-9所示，由于所受重力可忽略不计，运动方向相同而速率不同的正粒子组成的粒子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中，已知电场强度大小为E，方向向下，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，若粒子运动轨迹不发生偏转(重力不计)，必须满足平衡条件：qBv=qE，故 ，这样就把满足 的粒子从速度选择器中选择出来了.2021/8/9 星期一292.特点(1)速度选择器只是选择速度(大小、方向)而不选择粒子的质量和电量，若从右侧入射则不能穿

16、出场区.(2)速度选择器B、E、v三个物理量的大小、方向互相约束，以保证粒子受到的电场力和洛伦兹力等大、反向.如图中只改变磁场B方向，粒子将向下偏转.2021/8/9 星期一30(3)当v 时，则qBvqE，粒子向上偏转;当v时，则qBvqE，粒子向下偏转.2021/8/9 星期一31二、质谱仪质谱仪是一种测量带电粒子质量和分离同位素的仪器.如图9-4-10所示，离子源S产生质量为m，带电量为q的正离子(所受重力不计).图图94102021/8/9 星期一32离子出来时速度很小(可忽略不计)，经过电压为U的电场加速后进入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期到达照相底片P上，测

17、得它在P上的位置到入口处的距离为L，则：qU=mv2-0 qBv=L=2r联立求解得：m=qB2L2/8U.因此，只要知道q、B、L与U，就可以计算出带电粒子的质量m，又因m与L2成正比，不同质量的同位素可从离入口的不同处分离出来，故质谱仪又是分离同位素的重要仪器.2021/8/9 星期一33三、回旋加速器如图9-4-11所示，回旋加速器的核心部分是两个D形的金属盒，两盒之间留下一条窄缝，在中心附近放有粒子源，D形盒在真空容器中，整个装置放在大磁铁产生的匀强磁场中，并把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，图图94112021/8/9 星期一34其工作原理是：1.电场加速：qU=Ek2.磁场约束

18、偏转：qBv=,r=v3.加速条件：高频电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同，即T电场=T回旋=2m/qB.2021/8/9 星期一35四、磁流体发电机如图9-4-12所示是磁流体发电机，其原理：等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上，产生电势差，设A、B平行金属板的面积为S，相距为l，喷入气体速度为v，板间磁场的磁感应强度为B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过A、B板间时，A、B板上聚集的电荷最多，板间电势差最大，即为电源电动势，此时离子受力平衡：E场q=Bqv，即E场=Bv故电源电动势：E=E场l=Blv2021/8/9 星期一36图图94122021/8/9 星期一37五、电磁流量计电磁流量计原理可解释为：如图9-4-13所示，一圆形导管直径为d，用非磁材料制成，其中可以导电的液体向左流动，导电流体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a、b间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定.2021/8/9 星期一38由Bqv=Eq=q，可得v=流量:Q=Sv=图图94132021/8/9 星期一392021/8/9 星期一40