2021届高考物理一轮复习：第九章《磁场》专题强化十一：带电粒子在叠加场和组合场中的运动.pdf

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1、第 1 页 共 29 页2021 届高考物理一轮复习：第九章磁场专题强化十一带电粒子在叠加场和组合场中的运动专题解读1.本专题是磁场、力学、电场等知识的综合应用，高考往往以计算压轴题的形式出现.2.学习本专题，可以培养同学们的审题能力、推理能力和规范表达能力.针对性的专题训练，可以提高同学们解决难题压轴题的信心.3.用到的知识有：动力学观点(牛顿运动定律)、运动学观点、能量观点(动能定理、能量守恒)、电场的观点(类平抛运动的规律)、磁场的观点(带电粒子在磁场中运动的规律).命题点一带电粒子在叠加场中的运动第 2 页 共 29 页1.带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动(1)洛伦兹力、重力并存若

2、重力和洛伦兹力平衡，则带电粒子做匀速直线运动.若重力和洛伦兹力不平衡，则带电粒子将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒，由此可求解问题.(2)电场力、洛伦兹力并存(不计重力的微观粒子)若电场力和洛伦兹力平衡，则带电粒子做匀速直线运动.若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电粒子将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用动能定理求解问题.(3)电场力、洛伦兹力、重力并存若三力平衡，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.若合力不为零且与速度方向不垂直，将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用能量守恒定律或动能定理求解问题.2.带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动带电粒子

3、在叠加场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下，常见的运动形式有直线运动和圆周运动，此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况，并注意洛伦兹力不做功的特点，运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求解.第 3 页 共 29 页例1(2017 全国卷 16)如图 1，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上(与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里，三个带正电的微粒a、b、c 电荷量相等，质量分别为ma、mb、mc，已知在该区域内，a 在纸面内做匀速圆周运动，b 在纸面内向右做匀速直线运动，c 在纸面内向左做匀速直线运动.下列选项正确的是()第 4 页 共 29 页图 1 A.ma

4、mbmcB.mbmamcC.mcmambD.mcmbma答案B 解析设三个微粒的电荷量均为q，a 在纸面内做匀速圆周运动，说明洛伦兹力提供向心力，重力与电场力平衡，即magqE b 在纸面内向右做匀速直线运动，三力平衡，则mbgqEqvB c 在纸面内向左做匀速直线运动，三力平衡，则mcgqvBqE 比较 式得：mbmamc，选项 B 正确.例第 5 页 共 29 页2(多选)(2017 河南六市一模)如图 2 所示，半径为 R 的光滑半圆弧绝缘轨道固定在竖直面内，磁感应强度为B 的匀强磁场方向垂直于轨道平面向里.一可视为质点、质量为 m、电荷量为q(q0)的小球由轨道左端A 点无初速度滑下，

5、当小球滑至轨道最低点C 时，给小球再施加一始终水平向右的外力F，使小球能保持不变的速率滑过轨道右侧的D 点.若轨道的两端等高，小球始终与轨道接触，重力加速度为g，则下列判断正确的是()图 2 A.小球在 C 点对轨道的压力大小为qB 2gRB.小球在 C 点对轨道的压力大小为3mgqB 2gRC.小球从 C 到 D 的过程中，外力F 的大小保持不变D.小球从 C 到 D 的过程中，外力F 的功率逐渐增大答案BD 第 6 页 共 29 页解析小球从 A 到 C，只有重力做功，由机械能守恒有mgR12mv2，得小球到达C 点时的速度 v2gR，在 C 点由牛顿第二定律有FNqvBmgmv2R，解得

6、 FN3mgqB2gR，再由牛顿第三定律可知小球在C 点对轨道的压力大小为3mgqB2gR，故 A 错误，B 正确；从C 到 D，小球速率不变，由于轨道对小球的支持力和洛伦兹力不做功，则重力做负功的功率和外力 F 做正功的功率始终大小相等，设速度方向与竖直方向夹角为，则有 mgvcos Fvsin ，得 Fmgtan，因 逐渐减小，则外力F 逐渐增大，外力F 的功率逐渐增大，故C 错误，D正确.变式1(2017 河北冀州2 月模拟)我国位于北半球，某地区存在匀强电场E 和可看做匀强磁场的地磁场B，电场与地磁场的方向相同，地磁场的竖直分量和水平分量分别竖直向下和水平向北，一带电小球以速度v 在此

7、区域内沿垂直场强方向在水平面内做直线运动，忽略空气阻力，此地区的重力加速度为g，则下列说法正第 7 页 共 29 页确的是()A.小球运动方向为自南向北B.小球可能带正电C.小球速度 v 的大小为EBD.小球的比荷为gE2 vB2答案D 解析由题意可知，小球受重力、电场力和洛伦兹力，因做直线运动，且F洛 qvB，因此一定做匀速直线运动，那么电场力与洛伦兹力的合力与重力等大反向，因电场与地磁场的方向相同，地磁场的竖直分量和水平分量分别竖直向下和水平向北，则小球受力如图所示，其中qvB 与 qE 垂直，因小球受力平衡，则受力关系满足(mg)2(Eq)2(Bqv)2，得qmgE2 vB2，vmg2

8、qE2qB，则 D 项正确，C 项错误.由受力分析可知小球带负电，且运动方向为自东向西，则A、B 错误.第 8 页 共 29 页变式2(2016 天津理综 11)如图 3 所示，空间中存在着水平向右的匀强电场，电场强度大小E5 3 N/C，同时存在着垂直纸面向里的匀强磁场，其方向与电场方向垂直，磁感应强度大小B0.5 T.有一带正电的小球，质量 m 1 106 kg，电荷量 q2 106 C，正以速度v 在图示的竖直面内做匀速直线运动，当经过 P点时撤掉磁场(不考虑磁场消失引起的电磁感应现象)，取 g10 m/s2，求：第 9 页 共 29 页图 3(1)小球做匀速直线运动的速度v 的大小和方

9、向；(2)从撤掉磁场到小球再次穿过P 点所在的这条电场线经历的时间t.答案(1)20 m/s方向与电场方向成60 角斜向上(2)23 s 解析(1)小球做匀速直线运动时受力如图甲，其所受的三个力在同一平面内，合力为零，有qvBq2E2m2g2代入数据解得v20 m/s 速度 v 的方向与电场E 的方向之间的夹角满足tan qEmg代入数据解得tan 3 60第 10 页 共 29 页(2)解法一撤去磁场，小球在重力与电场力的合力作用下做类平抛运动，如图乙所示，设其加速度为a，有aq2E2m2g2m设撤去磁场后小球在初速度方向上的分位移为x，有xvt 设小球在重力与电场力的合力方向上的分位移为y

10、，有y12at2 tan yx联立 式，代入数据解得t23 s 解法二撤去磁场后，由于电场力垂直于竖直方向，它对竖直方向的分运动没有影响，以P点为坐标原点，竖直向上为正方向，小球在竖直方向上做匀减速运动，其初速度为vyvsin 若使小球再次穿过P 点所在的电场线，仅需小球的竖直方向上分位移为零，则有vyt12gt20 联立 式，代入数据解得t 2 3 s.命题点二带电粒子在组合场中的运动第 11 页 共 29 页1.组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，电场、磁场交替出现.2.分析思路(1)划分过程：将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段，对不同的阶段选取不同的规律处理.(2)找关键：

11、确定带电粒子在场区边界的速度(包括大小和方向)是解决该类问题的关键.(3)画运动轨迹：根据受力分析和运动分析，大致画出粒子的运动轨迹图，有利于形象、直观地解决问题.模型 1磁场与磁场的组合例第 12 页 共 29 页3(2017 全国卷 24)如图 4，空间存在方向垂直于纸面(xOy 平面)向里的磁场.在 x0 区域，磁感应强度的大小为B0；x0 区域，磁感应强度的大小为B0(常数 1).一质量为m、电荷量为q(q0)的带电粒子以速度v0从坐标原点 O 沿 x 轴正向射入磁场，此时开始计时，当粒子的速度方向再次沿x 轴正向时，求：(不计重力)图 4(1)粒子运动的时间；(2)粒子与 O 点间的

12、距离.答案(1)mB0q(11)(2)2mv0B0q(11)解析(1)在匀强磁场中，带电粒子做匀速圆周运动.设在 x0 区域，圆周半径为R1；在 x0区域，圆周半径为R2.由洛伦兹力公式及牛顿运动定律得qB0v0mv20R1第 13 页 共 29 页qB0v0mv20R2粒子速度方向转过180 时，所需时间t1为t1 R1v0粒子再转过180 时，所需时间t2为t2 R2v0联立 式得，所求时间为tt1t2 mB0q(11)(2)由几何关系及 式得，所求距离为d2(R1R2)2mv0B0q(11)变式3如图5 所示，足够大的平行挡板A1、A2第 14 页 共 29 页竖直放置，间距 6l.两板

13、间存在两个方向相反的匀强磁场区域和，以水平面MN 为理想分界面，区的磁感应强度为B0，方向垂直纸面向外.A1、A2上各有位置正对的小孔S1、S2，两孔与分界面MN 的距离均为l.质量为 m、电荷量为 q 的粒子经宽度为d 的匀强电场由静止加速后，沿水平方向从S1进入区，并直接偏转到MN 上的 P 点，再进入区，P 点与 A1板的距离是l 的 k 倍，不计重力，碰到挡板的粒子不予考虑.图 5(1)若 k1，求匀强电场的电场强度E.(2)若 2k3，且粒子沿水平方向从S2射出，求出粒子在磁场中的速度大小v 与 k 的关系式和区的磁感应强度B 与 k 的关系式.答案(1)qB20l22dm(2)vq

14、B0lk2l2mBkB03k解析(1)若 k1，则有 MPl，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，根据几何关系，该情况粒子的轨迹半径R1l粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律知qvB0mv2R1粒子在匀强电场中加速，根据动能定理有qEd12mv2 联立解得EqB20l22dm.(2)因为 2k0)的 P 点沿 x 轴正方向进入第一象限后做圆周运动，恰好通过坐标原点O，且水平切入半圆轨道并沿轨道内侧运动，过N 点水平进入第四象限，并在电场中运动(已知重力加速度为g).第 26 页 共 29 页图 5(1)判断小球的带电性质并求出其所带电荷量；(2)P 点距坐标原点O 至少多高；(3)若该小

15、球以满足(2)中 OP 最小值的位置和对应速度进入第四象限，通过 N 点开始计时，经时间 t2Rg小球距坐标原点O 的距离 s 有多远？答案(1)带正电mgE(2)2EBRg(3)27R解析(1)小球进入第一象限后做圆周运动，说明重力与电场力平衡，设小球所带电荷量为q，则有 qEmg解得 qmgE又电场方向竖直向上，故小球带正电.(2)设匀速圆周运动的速度为v、轨道半径为r，由洛伦兹力提供向心力得qBvmv2r小球恰能通过半圆轨道的最高点并沿轨道运动，则应满足mgmv2R解得 rmgRqB即 P、O 的最小距离为y2r2EBRg.(3)设小球到达N 点的速度为vN，小球由O 运动到 N 的过程

16、中，由机械能守恒得2mgR12mvN212mv2解得 vN5gR第 27 页 共 29 页小球从 N 点进入电场区域后做类平抛运动，设加速度为a，则沿 x 轴方向有xvNt沿电场方向有z12at2由牛顿第二定律得aqEm经 t 时间小球距坐标原点O 的距离为sx2 z2 2R227R.6.(2018广东中山调研)如图 6 所示，两平行金属板A、B 间的电势差为U5104 V.在 B 板的右侧有两个方向不同但宽度相同的有界磁场、，它们的宽度为d1d26.25 m，磁感应强度分别为B12.0 T、B24.0 T，方向如图中所示.现有一质量m1.0108 kg、电荷量q1.6106 C、重力忽略不计

17、的粒子从A 板的 O 点由静止释放，经过加速后恰好从B 板的小孔 Q 处飞出.试求：图 6(1)带电粒子从加速电场中出来的速度v 的大小；(2)带电粒子穿过磁场区域所用的时间t；(3)带电粒子从磁场区域射出时的速度方向与边界面的夹角；(4)若 d1的宽度不变，改变d2的宽度，要使粒子不能从区飞出磁场，则d2的宽度至少为多大？答案(1)4.0103 m/s(2)1 920s(3)60(4)9.375 m 解析(1)粒子在电场中做匀加速直线运动，由动能定理有：qU12mv20，解得 v4.0103 m/s.(2)粒子运动轨迹如图甲，第 28 页 共 29 页设粒子在磁场区域中做匀速圆周运动的半径为

18、r，由洛伦兹力提供向心力得：qvB1mv2r代入数据解得r 12.5 m 设粒子在 区内做圆周运动的圆心角为，则：sin d1r6.25 m12.5 m12所以 30粒子在 区运动周期T2 mqB1则粒子在 区运动时间t360T解得 t1 920s(3)设粒子在 区做圆周运动的轨道半径为R，则 qvB2mv2R解得 R6.25 m 如图甲所示，由几何关系可知MO2P 为等边三角形，所以粒子离开区域时速度方向与边界面的夹角为 60(4)要使粒子不能从区飞出磁场，粒子运动的轨迹与磁场边界相切时，由图乙可知区磁场的宽度至少为：d2RRcos 60 1.5R 9.375 m 第 29 页 共 29 页