2023年高三物理第二轮复习专题五电场和磁场中的带电粒子高中物理.docx

专题五 电场和磁场中的带电粒子 一、考点回忆 1．三种力： 大小 方向 决定因素 重力 G=mg=GMm/R2 竖直向下 由场决定，与物体的运动状态〔v〕无关 电场力 F=qE 与E方向平行 洛伦兹力 f=Bqv 与B、v平面垂直〔左手定那么〕 由场和物体的运动状态〔v〕共同决定 2．重力的分析： (1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就可以不计其重力，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略； (2)对于一些实际物体，如带电小球、液滴等不做特殊交待时就应当考虑重力； (3)在题目中有明确交待是否要考虑重力的，这种情况比拟正规，也比拟简单。 3．电场力和洛伦兹力的比拟： (1)在电场中的电荷，不管其运动与否，均受到电场力的作用；而磁场仅仅对运动着的、且速度与磁场方向不平行的电荷有洛伦兹力的作用； (2)电场力的大小与电荷的运动的速度无关；而洛伦兹力的大小与电荷运动的速度大小和方向均有关； (3)电场力的方向与电场的方向或相同、或相反；而洛伦兹力的方向始终既和磁场垂直，又和速度方向垂直； (4)电场既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向，而洛伦兹力只能改变电荷运动的速度方向，不能改变速度大小； (5)电场力可以对电荷做功，能改变电荷的动能；洛伦兹力不能对电荷做功，不能改变电荷的动能； (6)匀强电场中在电场力的作用下，运动电荷的偏转轨迹为抛物线；匀强磁场中在洛伦兹力的作用下，垂直于磁场方向运动的电荷的偏转轨迹为圆弧。 4．带电粒子在独立匀强场中的运动： (1)不计重力的带电粒子在匀强电场中的运动可分二种情况：平行进入匀强电场，在电场中做匀加速直线运动和匀减速直线运动；垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动(类平抛运动)； (2)不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分二种情况：平行进入匀强磁场时，做匀速直线运动；垂直进入匀强磁场时，做变加速曲线运动(匀速圆周运动)； 5．不计重力的带电粒子在匀强磁场中做不完整圆周运动的解题思路： 不计重力的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径r=mv/Bq；其运动周期T=2pm/Bq(与速度大小无关) (1)用几何知识确定圆心并求半径：因为F方向指向圆心，根据F一定垂直v，画出粒子运动轨迹中任意两点(大多是射入点和出射点)的F或半径方向，其延长线的交点即为圆心，再用几何知识求其半径与弦长的关系； (2)确定轨迹所对的圆心角，求运动时间：先利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于360°(或2p)计算出圆心角q的大小，再由公式t=qT/3600(或qT/2p)可求出运动时间。 6．带电粒子在复合场中运动的根本分析 复合场是指电场、磁场、重力场并存，或其中某两种场并存的场。带电粒子在这些复合场中运动时，必须同时考虑电场力、洛伦兹力和重力的作用或其中某两种力的作用，因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要。所以问题本质还是物体的动力学问题。 分析此类问题的一般方法为：首先从粒子的开始运动状态受力分析着手，由合力和初速度判断粒子的运动轨迹和运动性质，注意速度和洛伦兹力相互影响这一特点，将整个运动过程和各个阶段都分析清楚，然后再结合题设条件，边界条件等，选取粒子的运动过程，选用有关动力学理论公式求解。 (1)粒子所受的合力和初速度决定粒子的运动轨迹及运动性质： 当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止。 当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动。 当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动，且恒力的合力一定为零。 当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的，那么粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理。 (2)匀变速直线运动公式、运动的合成和分解、匀速圆周运动的运动学公式； (3)牛顿运动定律、动量定理和动量守恒定律； (4)动能定理、能量守恒定律。 7．实际应用模型有：显像管、盘旋加速器、速度选择器、正负电子对撞机、质谱仪、电磁流量计、磁流体发电机、霍尔效应等等。 二、经典例题剖析 1．如以下图，在某水平方向的电场线AB上(电场线方向未标明)，将一受到水平向右恒定拉力的带电粒子〔不计重力〕在A点由静止释放，带电粒子沿AB方向开始运动，经过B点时的速度恰好为零，那么以下结论正确的有【 】 A．粒子在A、B两点间移动时，恒力做功的数值大于粒子在AB两点间电势能差的绝对值 B．可能A点的电势高于B点的电势，也可能A点的电势低于B点的电势 C．A处的场强可能大于B处的场强 D．粒子的运动不可能是匀速运动，也不可能是匀加速运动 解析：根据动能定理，恒力做的正功跟电场力做的负功，数值相等，即恒力做功跟电势能之差的绝对值应相等，A错误；带电粒子从A点由静止开始向B运动，经过B点时速度为零，这说明带电粒子在恒力和电场力作用下先做加速运动后做减速运动，因此粒子的运动不可能是匀速运动。同时说明电场力的方向向左。粒子先做加速运动，说明水平向右的恒力大于水平向左的电场力，后做减速运动，说明后来水平向左的电场力大于水平向右的恒力，因此粒子不可能做匀加速运动，D选项正确；粒子在B处受到的电场力比A处大，因此B处的场强大于A处的场强，C选项错误；如粒子带正电，电场线方向应由B指向A、B点电势高于A点电势；如粒子带负电，电场线方向应由A指向B，A点电势高于B点电势。因此，A、B两点电势的上下无法判断。答案：BD 点评：此题是动力学观点与电场性质、能量观点等知识点的综合应用判断题目。 2．如以下图的装置是在竖直平面内放置光滑的绝缘轨道，处于水平向右的匀强电场中，以带负电荷的小球从高h的A处静止开始下滑，沿轨道ABC运动后进入圆环内作圆周运动。小球所受到电场力是其重力的3/4，圆环半径为R，斜面倾角为θ=53°，sBC=2R。假设使小球在圆环内能作完整的圆周运动，h至少为多少？ 解析：小球所受的重力和电场力都为恒力，故可两力等效为一个力F，如图可知F＝1.25mg，方向与竖直方向左偏下37º，从图中可知，能否作完整的圆周运动的临界点是能否通过D点，假设恰好能通过D点，即到达D点时球与环的弹力恰好为零。 由圆周运动知识得： 即： 由动能定理有： 联立可求出此时的高度h=10R 点评：用极限法通过分析两个极端〔临界〕状态，来确定变化范围，是求解“范围类〞问题的根本思路和方法。当F供=F需时，物体做圆周运动；当F供>F需时物体做向心运动；当F供<F需时物体做离心运动，这是分析临界问题的关键。 3．如以下图，竖直固定的光滑绝缘的直圆筒底部放置一场源A， 其电荷量Q = ＋4×10－3 C，场源电荷A形成的电场中各点的 电势表达式为，其中k为静电力恒量，r为空间某点 到A的距离．有一个质量为m = 0.1 kg的带正电小球B，B球与 A球间的距离为a = 0.4 m，此时小球B处于平衡状态，且小球B在 场源A形成的电场中具有的电势能表达式为，其中r为q 与Q之间的距离。有一质量也为m的不带电绝缘小球C从距离B的 上方H = 0.8 m处自由下落，落在小球B上立刻也小球B粘在一起向下运动，它们到达最低点后又向上运动，它们向上运动到达的最高点P。〔取g = 10 m/s2，k = 9×109 N·m2/C2〕，求： (1)小球C与小球B碰撞后的速度为多少？ (2)小球B的带电量q为多少？ (3)P点与小球A之间的距离为多大？ (4)当小球B和C一起向下运动与场源A距离多远时，其速度最大？速度的最大值为多少？ 解析：(1)小球C自由下落H距离的速度v0 = = 4 m/s 小球C与小球B发生碰撞，由动量守恒定律得：mv0 = 2mv1，所以v1 = 2 m/s (2)小球B在碰撞前处于平衡状态，对B球进行受力分析知： 代入数据得：C (3)C和B向下运动到最低点后又向上运动到P点，运动过程中系统能量守恒，设P与A之间的距离为x，由能量守恒得： 代入数据得：x = (0.4＋) m〔或x = 0.683 m〕 (4)当C和B向下运动的速度最大时，与A之间的距离为y，对C和B整体进行受力分析有：，代入数据有：y = m〔或y = 0.283 m〕 由能量守恒得： 代入数据得：〔或vm = 2.16 m/s〕 点评：此题是动量守恒和能量守恒与电学知识的综合。 4．质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如以下图。离子源S产生带电量为q的某种正离子，离子产生出来时速度很小，可以看作是静止的。粒子沉着器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过小孔S2和S3后沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。 (1)小孔S1和S2处的电势比拟，哪处的高？在小孔S1和S2处的电势能，哪处高？如果容器A接地且电势为0，那么小孔S1和S2处的电势各为多少？(设小孔极小，其电势和小孔处的电极板的电势相同) (2)求粒子进入磁场时的速率和粒子在磁场中运动的轨道半径。 (3)如果沉着器下方的S1小孔飘出的是具有不同的质量的带电量为q的正离子，那么这些粒子打在照相底片的同一位置，还是不同位置？如果是不同位置，那么质量分别为的粒子在照相底片的排布等间距吗？写出说明。 解析：(1)由于电荷量为带正电的粒子，沉着器下方的S1小孔飘入电势差为U的加速电场，要被加速，S1和S2处的电势比拟，S1处的高，从小孔S1到S2电场力做正功，电势能减小，所以粒子在小孔S1处的电势能高于在S2处。如果容器A接地且电势为0，而小孔S1和S2处的电势差为U，所以小孔S1和S2处的电势各为0和-U。 (2)设沉着器下方的S1小孔飘出的是具有不同的质量的电荷量为的粒子，到达S2的速度为v，经S3进入射入磁场区，根据能量守恒，有 v= 设粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径为R，由洛伦兹力公式和牛顿定律得： (3)在磁场中偏转距离d= 由于是具有不同的质量的粒子，所以距离d不同，这些粒子打在照相底片的不同位置。从上式可以看出，在磁场中偏转距离d与质量的平方根成正比，所以质量分别为的粒子在照相底片的排布间距不等。 点评：此题是与质谱仪相关的一道习题，考查了学生对根本物理模型的理解和掌握。 k U B P A B 5．某同学家中旧电视机画面的幅度偏小，维修店的技术人员检查后诊断为显像管或偏转线圈出了故障。通过复习，他知道显像管的简要工作原理是阴极K发射的电子束经高压加速电场〔电压为U〕加速后，进入放置在其颈部的偏转线圈形成的偏转磁场中偏转，偏转后的电子轰击荧光屏，荧光粉受激发而发光，如以下图是显象管工作原理的示意图。阴极k发射出的电子束〔初速度可视为零〕经高压加速电压U = 22.5 KV加速后〔电子从阴极到阳极的过程为加速过程〕，正对圆心进入磁感应强度为B，半径为r的圆形匀强磁场区，偏转后打在荧光屏P上。(电子的电量为q = -1.6×10-19C，质量m = 0.91×10-30kg)。请你帮他讨论答复以下问题： (1)电子在A处和B处的电势能，哪处高？电场力对电子做的功为多少？电子到达阳极的速度为多少？ (2)假设电子的荷质比为K，电子通过圆形磁场区过程的偏转角α是多大？(用字母表示) (3)试帮助维修店的技术人员分析引起故障的原因可能是什么？ 解析：(1)在电子从阴极A到阳极B的过程中要被加速，A和B处的电势比拟，A处的高，电场力做正功，电势能减小，所以粒子在小孔A高于B处的电势能。 WAB = q U=1.6×10-19×22.5×103=3.6×10-15 J，是正功 由 得m / s = 8.9×10 7 m / s k U B P R r α θ (2)电子被加速 电子在