全品復(fù)習(xí)方案2020屆高考物理一輪復(fù)習(xí) 第7單元 靜電場 專題五 帶電粒子在電場中運(yùn)動的綜合問題課件

1、專題五 帶電粒子在電場中運(yùn)動的綜合問題 熱點題型探究高考模擬演練教師備用習(xí)題 熱點一示波管 熱點題型探究 1.構(gòu)造 電子槍;偏轉(zhuǎn)極板;熒光屏.(如圖Z5-1所示) 圖Z5-1 熱點題型探究 2.工作原理 (1)YY上加的是待顯示的信號電壓,XX上是機(jī)器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓,叫作掃描 電壓. (2)觀察到的現(xiàn)象: 如果在偏轉(zhuǎn)電極XX和YY之間都沒有加電壓,則電子槍射出的電子沿直線運(yùn)動,打 在熒光屏中心,在那里產(chǎn)生一個亮斑. 若所加掃描電壓和信號電壓的周期相等,就可以在熒光屏上得到待測信號在一個 周期內(nèi)隨時間變化的穩(wěn)定圖像. 熱點題型探究 例1 (多選)2018湖南衡陽八中月考 示波管是示波器的核

2、心部件,如圖Z5-2所示, 它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成,如果在熒光屏上P點出現(xiàn)亮斑,那么示波管中 的() A.極板X應(yīng)帶正電 B.極板X應(yīng)帶正電 C.極板Y應(yīng)帶負(fù)電 D.極板Y應(yīng)帶正電 圖Z5-2 熱點題型探究 答案 AD 熱點二帶電粒子在交變電場中的運(yùn)動 熱點題型探究 (1)此類題型一般有三種情況:一是粒子做單向直線運(yùn)動(一般用牛頓運(yùn)動定律求解); 二是粒子做往返運(yùn)動(一般分段研究);三是粒子做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(一般根據(jù)交變電場的特 點分段研究). (2)分析時從兩條思路出發(fā):一是力和運(yùn)動的關(guān)系,根據(jù)牛頓第二定律及運(yùn)動學(xué)規(guī)律 分析;二是功能關(guān)系. (3)注重全面分析(分析受力特點和運(yùn)動規(guī)律),

3、抓住粒子的運(yùn)動具有周期性和在空間 上具有對稱性的特征,求解粒子運(yùn)動過程中的速度、位移、做功或確定與物理過程 相關(guān)的邊界條件. 熱點題型探究 考向一交變電場中的直線運(yùn)動問題 例2 如圖Z5-3甲所示,A和B是真空中正對且面積很大的平行金屬板,O是一個可以 連續(xù)產(chǎn)生粒子的粒子源,O到A、B的距離都是l.現(xiàn)在A、B之間加上電壓,電壓UAB隨 時間變化的規(guī)律如圖乙所示.已知粒子源產(chǎn)生的粒子質(zhì)量為m、電荷量為-q,產(chǎn)生的 粒子在電場力作用下從靜止開始運(yùn)動.假設(shè)粒子一旦碰到金屬板就附在金屬板上不 再運(yùn)動,且電荷量同時消失,不影響A、B板的電勢.不計粒子的重力,不考慮粒子之間 的相互作用力.已知上述物理量l

4、=0.6 m,U0=1.2103 V,T=1.210-2 s,m=510-10 kg,q=1.010-7 C. 熱點題型探究 圖Z5-3 熱點題型探究 熱點題型探究 熱點題型探究 變式題 勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E隨時間t變化的圖像如圖Z5-4所示.當(dāng)t=0時,在此勻 強(qiáng)電場中由靜止釋放一個帶電粒子(帶正電),設(shè)帶電粒子只受電場力的作用,則下列 說法中正確的是 () A.帶電粒子將始終向同一個方向運(yùn)動 B.2 s末帶電粒子回到出發(fā)點 C.3 s末帶電粒子的速度不為零 D.03 s內(nèi),電場力做的總功為零 圖Z5-4 熱點題型探究 答案 D 解析 由牛頓第二定律可知帶電粒子在第1 s內(nèi)的加速度和第2 s

5、內(nèi)的加速度的 關(guān)系,因此粒子將先加速1 s再減速0.5 s,速度為零,接下來的0.5 s將反向加速,v-t 圖像如圖所示,根據(jù)圖像可知選項A錯誤;由圖像可知2 s內(nèi)的位移為負(fù),故選項B 錯誤;由圖像可知3 s末帶電粒子的速度為零,故選項 C錯誤;由動能定理結(jié)合圖像可知03 s內(nèi),電場力做 的總功為零,故選項D正確. 熱點題型探究 考向二交變電場中的曲線運(yùn)動問題 熱點題型探究 圖Z5-5 熱點題型探究 答案 AD 熱點題型探究 熱點題型探究 要點總結(jié) 對于帶電粒子在交變電場中的運(yùn)動,主要是根據(jù)電場隨時間的變化情況分好段,對 每一段分別受力分析,研究好每一段帶電粒子的運(yùn)動情況,找好段與段之間的關(guān)系

6、, 比如前一段的末速度等于后一段的初速度,兩段的時間、空間關(guān)系等. 熱點三帶電粒子力電綜合問題 熱點題型探究 要善于把電學(xué)問題轉(zhuǎn)化為力學(xué)問題,建立帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的模型,能 夠從帶電粒子的受力與運(yùn)動的關(guān)系、功能關(guān)系和動量關(guān)系等多角度進(jìn)行分析與研 究.解決力電綜合問題的方法: 1.動力學(xué)的觀點 (1)由于勻強(qiáng)電場中帶電粒子所受電場力和重力都是恒力,可用正交分解法. (2)綜合運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律和勻變速直線運(yùn)動公式,注意受力分析要全面,特別注意 重力是否需要考慮的問題. 熱點題型探究 2.能量的觀點 (1)運(yùn)用動能定理,注意過程分析要全面,準(zhǔn)確求出過程中的所有力做的功,判斷是對 分過程還是

7、對全過程使用動能定理. (2)運(yùn)用能量守恒定律,注意題目中有哪些形式的能量出現(xiàn). 3.動量的觀點 (1)運(yùn)用動量定理,要注意動量定理的表達(dá)式是矢量式,在一維情況下,各個矢量必須 選同一個正方向. (2)運(yùn)用動量守恒定律,除了要注意動量守恒定律的表達(dá)式是矢量式,還要注意題目 表述是否為某方向上動量守恒. 熱點題型探究 例4 (20分)2017全國卷 如圖Z5-6所示,兩水平面(虛線)之間的距離為H,其間的 區(qū)域存在方向水平向右的勻強(qiáng)電場.自該區(qū)域上方的A點將質(zhì)量均為m、電荷量分 別為q和-q(q0)的帶電小球M、N先后以相同的初速度沿平行于電場的方向射出. 小球在重力作用下進(jìn)入電場區(qū)域,并從該區(qū)

8、域的下邊界離開.已知N離開電場時的速 度方向豎直向下;M在電場中做直線運(yùn)動,剛離開電場時的動能為N剛離開電場時的 動能的1.5倍.不計空氣阻力,重力加速度大小為g.求: (1)M與N在電場中沿水平方向的位移之比; (2)A點距電場上邊界的高度; (3)該電場的電場強(qiáng)度大小. 圖Z5-6 熱點題型探究 【規(guī)范步驟】 (1)設(shè)帶電小球M、N拋出的初速度均為v0,則它們進(jìn)入電場時的水平速度為 (1分) M、N在電場中的運(yùn)動時間t (1分) 電場力作用下產(chǎn)生的加速度沿水平方向,大小均為a,N離開電場時的速度方向豎直 向下,說明水平速度減為0,由運(yùn)動學(xué)公式得t=(1分) 設(shè)M、N在電場中沿水平方向的位移

9、分別為s1和s2 由運(yùn)動學(xué)公式可得s1=(2分) s2=(2分) 聯(lián)立解得s1s2=(1分) 熱點題型探究 熱點題型探究 熱點題型探究 熱點題型探究 變式題1 2018安徽亳州模擬 如圖Z5-7甲所示,一光滑絕緣細(xì)桿豎直放置,在細(xì)桿 右側(cè)d=0.30 m的A點處有一固定的點電荷.細(xì)桿上套有一帶電荷量q=110-6 C、質(zhì) 量m=0.05 kg的小環(huán).設(shè)小環(huán)與點電荷的高度差為h,將小環(huán)由靜止釋放后,其動能Ek 隨h的變化曲線如圖乙所示.已知靜電力常量k=9.0109 Nm2/C2,重力加速度g取10 m/s2.(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (1)求點電荷所帶電荷量Q的大小; (2)求小環(huán)位于h1

10、=0.40 m處時的加速度a; 熱點題型探究 (3)小環(huán)從h2=0.30 m處下落到h3=0.12 m處的過程中,求小環(huán)的電勢能的改變量. 圖Z5-7 熱點題型探究 答案 (1)1.610-5 C(2)0.78 m/s2方向豎直向下(3)增加了0.10 J 熱點題型探究 熱點題型探究 變式題2 如圖Z5-8所示,在光滑絕緣水平面上有兩個帶電小球A、B,質(zhì)量分別為 3m和m,小球A帶電荷量為+q,小球B帶電荷量為-2q,開始時兩小球相距s0,小球A有水 平向右的初速度v0,小球B的初速度為零,取初始狀態(tài)下兩小球構(gòu)成的系統(tǒng)的電勢能 為零. (1)試證明當(dāng)兩小球的速度相同時系統(tǒng)的電勢能最大,并求出該

11、最大值; (2)試證明在兩小球的間距不小于s0的運(yùn)動過程中,系統(tǒng)的電勢能總小于系統(tǒng)的動 能,并求出這兩種能量的比值的取值范圍. 圖Z5-8 熱點題型探究 熱點題型探究 高考模擬演練 高考真題 1.(多選)2016全國卷 如圖Z5-9所示,一帶負(fù)電荷的油滴在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動,其軌 跡在豎直面(紙面)內(nèi),且相對于過軌跡最低點P的豎直線對稱.忽略空氣阻力.由此可 知() A.Q點的電勢比P點高 B.油滴在Q點的動能比它在P點的大 C.油滴在Q點的電勢能比它在P點的大 D.油滴在Q點的加速度大小比它在P點的小 圖Z5-9 高考模擬演練 答案 AB 高考模擬演練 2.2017全國卷 真空中存在電場強(qiáng)度大小

12、為E1的勻強(qiáng)電場,一帶電油滴在該電場 中豎直向上做勻速直線運(yùn)動,速度大小為v0.在油滴處于位置A時,將電場強(qiáng)度的大小 突然增大到某值,但保持其方向不變.持續(xù)一段時間t1后,又突然將電場反向,但保持 其大小不變;再持續(xù)同樣一段時間后,油滴運(yùn)動到B點.重力加速度大小為g. (1)求油滴運(yùn)動到B點時的速度; (2)求增大后的電場強(qiáng)度的大小.已知不存在電場時,油滴以初速度v0做豎直上拋運(yùn) 動的最大高度恰好等于B、A兩點間距離的兩倍. 高考模擬演練 解析 (1)設(shè)油滴質(zhì)量和電荷量分別為m和q,油滴速度方向向上為正.油滴在電場 強(qiáng)度大小為E1的勻強(qiáng)電場中做勻速直線運(yùn)動,故勻強(qiáng)電場方向向上.在t=0時,電場

13、 強(qiáng)度突然從E1增加至E2,油滴做豎直向上的勻加速運(yùn)動,加速度方向向上,大小a1 滿足qE2-mg=ma1 油滴在時刻t1的速度為v1=v0+a1t1 電場強(qiáng)度在時刻t1突然反向,油滴做勻變速運(yùn)動,加速度方向向下,大小a2滿足 qE2+mg=ma2 高考模擬演練 高考模擬演練 高考模擬演練 模擬精選 3.如圖Z5-10所示,在兩平行金屬板中央有一個靜止的電子(不計重力),當(dāng)兩板間的 電壓分別如圖Z5-11中甲、乙、丙、丁所示時,關(guān)于電子在板間的運(yùn)動(假設(shè)不與板 相碰),下列說法正確的是 () 圖Z5-10 圖Z5-11 高考模擬演練 高考模擬演練 答案 D 高考模擬演練 4.(多選)2018河

14、南南陽一中月考 空間某區(qū)域豎直平面內(nèi)存在電場,電場線分布如 圖Z5-12所示.一個質(zhì)量為m、電荷量為q、電性未知的小球在該電場中運(yùn)動,小球經(jīng) 過A點時的速度大小為v1,方向水平向右,運(yùn)動至B點時的速度大小為v2.若A、B兩點 之間的高度差為h,重力加速度為g,則以下判斷中 正確的是() 圖Z5-12 高考模擬演練 高考模擬演練 答案 BC 高考模擬演練 5.2018大慶實驗中學(xué)模擬 如圖Z5-13所示,M、N兩點處于同一水平面,O為M、N 連線的中點,過O點的豎直線上固定一根絕緣光滑細(xì)桿,桿上A、B兩點關(guān)于O點對稱. 第一種情況,在M、N兩點分別放置電荷量為+Q和-Q的等量異種點電荷,套在桿上

15、 帶正電的小金屬環(huán)從A點無初速度釋放,運(yùn)動到B點;第二種情況,在M、N兩點分別 放置電荷量為+Q的等量同種點電荷,該金屬環(huán)仍從A點無初速度 釋放,運(yùn)動到B點,則兩種情況相比() A.第一種情況下金屬環(huán)運(yùn)動到B點的速度較大 B.第二種情況下金屬環(huán)從A點運(yùn)動到B點所用的時間較短 C.金屬環(huán)從A點運(yùn)動到B點的過程中,動能與重力勢能之和均保持不變 D.金屬環(huán)從A點運(yùn)動到B點的過程中(不含A、B兩點),第一種情況下在 桿上相同位置的速度較大 圖Z5-13 高考模擬演練 答案 D 解析 當(dāng)M、N兩點分別放置等量異種點電荷時,它們連線的中垂線是等勢線,重 力勢能全部轉(zhuǎn)化為動能,金屬環(huán)所受合力等于重力,做加速

16、度等于重力加速度的勻 加速直線運(yùn)動,當(dāng)M、N兩點分別放置等量同種點電荷時,根據(jù)對稱性可知在中垂 線上電勢的關(guān)系為OA=B,從全過程分析,重力勢能也是全部轉(zhuǎn)化為動能,因此 兩種情況在B點的速度相等,故A錯誤;由于到B點之前第一種情況一直做勻加速直 線運(yùn)動,第二種情況的速度均比較小,因此第二種情況所用的時間長,故B錯誤;到達(dá) B點前第二種情況電場力做功,所以第二種情況動能與重力勢能之和發(fā)生變化,故C 錯誤;第二種情況中電場力對金屬環(huán)先是阻力后是動力,結(jié)合到達(dá)B點時的速度與 第一種情況的速度相等,可知在桿上相同位置的速度第一種情況較大,故D正確. 高考模擬演練 6.(多選)2018衡水中學(xué)模擬 如圖

17、Z5-14所示,一個豎直放置的平行板電容器充電 后,左板上電荷量為-Q,板間可看成勻強(qiáng)電場.一個帶電荷量為 -q的油滴從O點以速度v射入板間,v的方向與電場線成角, 已知油滴的質(zhì)量為m,重力加速度為g,測得油滴到達(dá)運(yùn)動 軌跡的最高點時,它的速度大小又為v,并恰好垂直打到平 行板上.以下說法中正確的是() 圖Z5-14 高考模擬演練 高考模擬演練 答案 BD 高考模擬演練 教師備用習(xí)題 1.(多選)一帶正電的小球向右水平拋入范圍足夠大的勻強(qiáng)電場,電場方向水平向左. 不計空氣阻力,則小球() A.做直線運(yùn)動 B.做曲線運(yùn)動 C.速率先減小后增大 D.速率先增大后減小 教師備用習(xí)題 答案 BC 教師

18、備用習(xí)題 2.(多選)如圖所示,一個帶負(fù)電的小金屬環(huán)套在粗糙絕緣細(xì)桿AB上,桿與水平面的夾 角為,桿的下方O點處固定一個帶正電的點電荷,OA=OB.現(xiàn)使小環(huán)以初速度v0從A 點沿桿上滑,到達(dá)B點時其速度恰好為零,小環(huán)滑回A點時速度為v.下列說法中正確的 是() A.小環(huán)上滑過程中先做勻加速再做勻減速運(yùn)動 B.小環(huán)上滑時間小于下滑時間 C.小環(huán)下滑過程,減少的重力勢能等于摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能 D.從A點出發(fā)到再回到A點的過程,小環(huán)克服摩擦力做的 功等于小環(huán)損失的動能 教師備用習(xí)題 答案 BD 解析 因小環(huán)在運(yùn)動過程中受到的庫侖力是變力,對其受力分析可知,小環(huán)在 上滑過程中的加速度是變化的,并不是勻變速

19、運(yùn)動,選項A錯誤;由于上滑時的平 均加速度大于下滑時的平均加速度,由運(yùn)動學(xué)公式定性分析可知,小環(huán)上滑時間 小于下滑時間,選項B正確;由功能關(guān)系可知,小環(huán)下滑過程中,減少的重力勢能等 于其回到A點時的動能和克服摩擦力做的功之和,選項C錯誤;小環(huán)從A點出發(fā)到 再次回到A點的過程中,電場力做功為零,重力做功為零,故小環(huán)克服摩擦力做的 功等于小環(huán)損失的動能,選項D正確. 教師備用習(xí)題 3.醫(yī)用加速器是生物醫(yī)學(xué)上的一種用來對腫瘤進(jìn)行放射治療的粒子加速裝置,它通 過產(chǎn)生帶電粒子線,對病人體內(nèi)的腫瘤進(jìn)行直接照射,從而達(dá)到消除或減小腫瘤的 目的.目前國際上在放射治療中使用較多的是電子直線加速器.假設(shè)從粒子源發(fā)

20、射 的電子經(jīng)直線加速器加速后形成細(xì)柱形電子流,電子在加速器中的運(yùn)動軌跡是一條 直線.要使電子獲得能量,就必須有加速電場,一般是選擇適當(dāng)長度的漂移管,使電子 在兩筒之間被加速,直至具有很高的能量.假定加速器的漂移管由N個長度逐個增長 的金屬圓筒組成(整個裝置處于真空中,圖中只畫出了6個圓筒,作為示意),如圖,它們 沿軸線排列成一串,各個圓筒相間地連接到頻率為f的正弦交流電源的兩端.圓筒的 兩底面中心開有小孔,電子沿軸線射入圓筒.設(shè)金屬圓筒的內(nèi)部沒有電場,且每個圓 教師備用習(xí)題 筒間的縫隙寬度很小,電子穿過縫隙的時間可忽略不計.為達(dá)到最佳加速效果,需要 調(diào)節(jié)至電子穿過每個圓筒的時間恰為交流電的半個周期,使電子每次通過圓筒間縫 隙時,都恰為交流電壓的峰值.已知一個電子的質(zhì)量為m、所帶的電荷量為e.若電子 剛進(jìn)入第1個圓筒左端的速度大小為v0,電子通過直線加速器第N個圓筒后的速度大 小為v,求: (1)第1個圓筒的長度L1; (2)從電子進(jìn)入第1個圓筒 開始到電子由第N個圓筒射出的總時間t; (3)加速器所接正弦交流電壓的最大值Um. 教師備用習(xí)題 教師備用習(xí)