2020届二轮复习专题三第2讲带电粒子在复合场中的运动课件（44张） 44页

第 2 讲　带电粒子在复合场中的运动 网络构建 备考策略 1 . 必须领会的 “ 三种方法 ” 和 “ 两种物理思想 ” (1) 对称法、合成法、分解法。 (2) 等效思想、分解思想。 2 . 做好 “ 两个区分 ” ，谨防解题误入歧途 (1) 正确区分重力、电场力、洛伦兹力的大小、方向特点及做功特点。 (2) 正确区分 “ 电偏转 ” 和 “ 磁偏转 ” 的不同。 3 . 抓住 “ 两个技巧 ” ，做到解题快又准 (1) 按照带电粒子运动的先后顺序，将整个运动过程划分成不同阶段的小过程。 (2) 善于利用几何图形处理边角关系，要有运用数学知识处理物理问题的习惯。 带电粒子在复合场中的运动 带电粒子在组合场中的运动 【典例 1 】 (2019· 温州模拟 ) 如图 1 所示，在 xOy 平面直角坐标系的 MNPQ 矩形区域内分布着四个有界矩形匀强磁场 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 、 Ⅳ ，其内磁感应强度均垂直坐标平面，且大小相等，磁场的边界位置坐标及方向均在图中标出。一带负电的粒子从坐标原点处沿 y 轴正方向以 k v 0 的速度射入，请解决以下问题。 图 1 ( 说明： d 、 v 0 为已知量， k 为正整数， π 取 3 。粒子重力及空气阻力不计。若用到以下角度的三角函数值可取为 sin 45° ＝ 0.7 、 sin 53° ＝ 0.8 、 sin 60° ＝ 0.9) (1) 若 k ＝ 1 ，则粒子从坐标为 (0.5 d ， 0) 的位置离开磁场 Ⅰ ，求粒子从进入到离开磁场的过程中运行的平均速度； (2) 若 k ＝ 5 ，请求出粒子离开 MNPQ 区域的位置坐标，并计算粒子在 MNPQ 区域运行的总时间； (3) 在 k ＝ 5 的情况下，沿 y 轴平移场区 Ⅱ 、 Ⅲ 的位置可改变粒子运行的时间 ( 平移后场区不重叠 ) 。平移后，要使粒子仍从 (2) 问中的位置离开 MNPQ 区域，试判断粒子运行的时间是变长还是变短，并求出时间变化量的极值。 所以，粒子出场的位置坐标为 (0 ， 6 d ) ，如图甲所示 (3) 粒子半径不变，在磁场中运行时间不变，直线距离变长，总时间变长。 设将区域 Ⅱ 、 Ⅲ 分别向中央移动距离 Δ y ，如图乙所示，则粒子向＋ x 方向的偏移量 x ＝ 2 R (1 － cos α ) ＋ Δ y tan α 带电粒子在叠加场中的运动 【典例 2 】 (2019· 浙江奉化适应性考试 ) 如图 2 所示，平面 OM 和水平面 ON 之间的夹角为 30° ，两平面之间同时存在匀强磁场和匀强电场，匀强磁场的磁感应强度大小为 B ，方向垂直纸面向外；匀强电场的方向竖直向上。一带电小球的质量为 m ，电荷量为 q ，沿竖直平面以大小为 v 0 的初速度从平面 OM 上的某点沿左上方射入磁场，速度方向与 OM 成 30° 角，带电小球进入磁场后恰好做匀速圆周运动。已知带电小球在磁场中的运动轨迹与 ON 恰好相切，且带电小球能从 OM 上另一点 P 射出磁场 ( P 未画出 ) 。 图 2 (1) 判断带电小球带何种电荷？所加电场的电场强度 E 为多大？ (2) 求出射点 P 到两平面交点 O 的距离 s ； (3) 带电小球离开磁场后继续运动，能打在左侧竖直的光屏 OO ′ 上的 T 点，求 T 点到 O 点的距离 s ′ 。 解析　 (1) 根据题意，带电小球受到的电场力与重力平衡，则带电小球带正电荷。 由力的平衡条件得 qE ＝ mg (3) 带电小球从 P 点离开磁场后做平抛运动，设其竖直位移为 y ，水平位移为 x ，运动时间为 t 。 带电粒子在交变场中的周期性运动 (1) 在磁场中运动时距 x 轴的最大距离； (2) 连续两次通过电场边界 MN 所需的时间； (3) 最终打在挡板上的位置到电场边界 MN 的垂直距离。 图 3 解得半径 R ＝ 0.2 m 粒子在磁场中运动时，到 x 轴的最大距离 y m ＝ 2 R ＝ 0.4 m 。 (2) 如图甲所示，粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期 时间内做匀速圆周运动至 A 点，接着沿－ y 方向做匀速直线运动直至电场边界 C 点， 粒子从 C 点减速至 D 再反向加速至 C 所需的时间 第二种可能是，由 C 点先沿＋ y 方向运动至 A 点开始做匀速圆周运动一圈半后，从 G 点沿－ y 方向做匀速直线运动至 MN ，所需时间为 分析带电粒子在复合场中的运动的注意事项 (1) 准确划分带电粒子运动过程中的不同运动阶段、不同运动形式，以及不同运动阶段、不同运动形式之间的转折点和临界点，只有明确粒子在某一阶段的运动形式后，才能确定解题所用到的物理规律。 (2) 分析带电粒子在交变电场或磁场中的运动轨迹时，还要注意对称性的灵活应用。 1. (2019· 浙江台州高三选考模拟 ) ( 多选 ) 如图 4 所示为磁流体发电机的原理图。金属板 M 、 N 之间的距离为 d ＝ 20 cm ，磁场的磁感应强度大小为 B ＝ 5 T ，方向垂直纸面向里。现将一束等离子体 ( 即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，整体呈中性 ) 从左侧喷射入磁场，发现在 M 、 N 两板间接入的额定功率为 P ＝ 100 W 的灯泡正常发光，且此时灯泡电阻为 R ＝ 100 Ω ，不计离子重力和发电机内阻，且认为离子均为一价离子，则下列说法中正确的是 ( 　　 ) 图 4 A. 金属板 M 上聚集负电荷，金属板 N 上聚集正电荷 B. 该发电机的电动势为 100 V C. 每秒钟有 6.25 × 10 18 个离子打在金属板 N 上 D. 离子从左侧喷射入磁场的初速度大小为 10 3 m/s 答案　 BC 2. (2019· 浙江宁波重点中学高三期末联考 ) ( 多选 ) 如图 5 甲所示，空间同时存在竖直向上的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度为 B ，电场强度为 E ，一质量为 m ，电荷量为 q 的带正电小球恰好处于静止状态。现在将磁场方向顺时针旋转 30° ，同时给小球一个垂直磁场方向斜向下的速度 v ，如图乙所示。则关于小球的运动，下列说法正确的是 ( 　　 ) 图 5 答案　 AD 已知电子的电荷量大小为 e 、质量为 m ，不计电子之间的相互作用力，两极板之间的电场看成匀强电场且忽略极板的边缘效应。电子若打在 AB 极板上，则即刻被导走且不改变原电场分布；若电子能经过第一、二象限的磁场后打在收集板上也即刻被吸收 ( 不考虑收集板的存在对电子运动的影响 ) ；若电子没有打在收集板上，则不考虑后续的运动。求： 图 6 答案　 见解析 物理是一门与生产、生活及现代科技联系比较紧密的学科。在高考中，物理试题着重考查考生的知识、能力和学科素养，注重理论联系实际，注重物理与科学技术、社会和经济发展的联系，注重物理知识在生产、生活、科技等方面的应用。 复合场中的 STSE 问题 叠加场在生活、生产中的应用 【典例 1 】 (2019· 安徽合肥三模 ) 为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图 7 所示的长方体流量计。该装置由绝缘材料制成，其长、宽、高分别为 a 、 b 、 c ，左右两端开口。在垂直于上下底面方向加一匀强磁场，前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，接在 M 、 N 两端间的电压表将显示两个电极间的电压 U 。若用 Q 表示污水流量 ( 单位时间内排出的污水体积 ) ，下列说法中正确的是 ( 　　 ) 图 7 A. M 端的电势比 N 端的高 B. 电压表的示数 U 与 a 和 b 均成正比，与 c 无关 C. 电压表的示数 U 与污水的流量 Q 成正比 D. 若污水中正负离子数相同，则电压表的示数为 0 答案　 C 组合场在科技中的应用 图 8 答案　 B 1. (2019· 浙江东阳中学第二次模拟 ) ( 多选 ) 自行车速度计是利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图 9 甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是 ( 　　 ) 图 9 A. 根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小 B. 自行车的车速越大，霍尔电势差越高 C. 图乙中霍尔元件的电流 I 是由正电荷定向运动形成的 D. 如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小 答案　 AD 2. (2019· 浙江台州新高考适应性考试 ) ( 多选 ) 如图 10 所示为某种质谱仪的工作原理示意图。此质谱仪由以下几部分构成：粒子源 N ， P 、 Q 间的加速电场，静电分析器，磁感应强度为 B 的有界匀强磁场、方向垂直纸面向外，胶片 M 。若静电分析器通道中心线半径为 R ，通道内有均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为 E ；由粒子源发出一质量为 m 、电荷量为 q 的正离子 ( 初速度为零，重力不计 ) ，经加速电场加速后，垂直场强方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿中心线做匀速圆周运动，而后由 S 点沿着既垂直于磁分析器的左边界，又垂直于磁场方向射入磁分析器中，最终打到胶片上的某点。下列说法正确的是 ( 　　 ) 图 10 答案　 AD 图 11