新教材2025版高中物理第一章安培力與洛倫茲力素養(yǎng)提升課二帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)生用書新人教版選擇性必修第二冊(cè)_第1頁(yè)
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素養(yǎng)提升課二帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵實(shí)力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究一帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)【情境探究】如圖所示,一帶電粒子垂直x軸從P點(diǎn)進(jìn)入其次象限,一段時(shí)間后從y軸上的某點(diǎn)進(jìn)入第一象限的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.求:(1)在電場(chǎng)中帶電粒子做什么運(yùn)動(dòng);(2)在磁場(chǎng)中做什么運(yùn)動(dòng)?【核心歸納】1.組合場(chǎng):電場(chǎng)與磁場(chǎng)各位于肯定的區(qū)域內(nèi),并不重疊,一般為兩場(chǎng)相鄰或在同一區(qū)域電場(chǎng)、磁場(chǎng)交替出現(xiàn).2.三種常用的解題方法(1)帶電粒子在電場(chǎng)中做加速運(yùn)動(dòng),依據(jù)動(dòng)能定理求速度.(2)帶電粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng),須要用運(yùn)動(dòng)的合成和分解處理.(3)帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng),可以依據(jù)磁場(chǎng)邊界條件,畫出粒子軌跡,用幾何學(xué)問確定半徑,然后用洛倫茲力供應(yīng)向心力和圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)問求解.3.要正確進(jìn)行受力分析,確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(1)僅在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)①若初速度v0與電場(chǎng)線平行,粒子做勻變速直線運(yùn)動(dòng);②若初速度v0與電場(chǎng)線垂直,粒子做類平拋運(yùn)動(dòng).(2)僅在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)①若初速度v0與磁感線平行,粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng);②若初速度v0與磁感線垂直,粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng).【應(yīng)用體驗(yàn)】例1在直角坐標(biāo)系的第一象限與第三象限分布有如圖所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度為E,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B;現(xiàn)在第三象限中從P點(diǎn)以初速度v0沿x軸方向放射質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的離子,離子經(jīng)電場(chǎng)后恰從坐標(biāo)原點(diǎn)O射入磁場(chǎng).(1)已知P點(diǎn)的縱坐標(biāo)為-L,試求P點(diǎn)的橫坐標(biāo);(2)若離子經(jīng)O點(diǎn)射入磁場(chǎng)時(shí)的速度為2v0,試求離子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及磁場(chǎng)出射點(diǎn)到O點(diǎn)的距離d.[試解]【針對(duì)訓(xùn)練】1.(多選)在半導(dǎo)體離子注入工藝中,初速度可忽視的磷離子P+和P3+,經(jīng)電壓為U的電場(chǎng)加速后,垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直紙面對(duì)里、有肯定寬度的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,如圖所示.已知離子P+在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過θ=30°后從磁場(chǎng)右邊界射出.則離子P+和P3+在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)()A.在電場(chǎng)中的加速度之比為1∶1B.在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為3∶1C.在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過的角度之比為1∶2D.離開電場(chǎng)區(qū)域時(shí)的動(dòng)能之比為1∶32.如圖所示,平面直角坐標(biāo)系中,存在一個(gè)半徑R=0.2m的圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T,方向垂直紙面對(duì)外,該磁場(chǎng)區(qū)域的右邊緣與坐標(biāo)原點(diǎn)O相切,y軸右側(cè)存在電場(chǎng)強(qiáng)度大小E=1.0×104N/C的勻強(qiáng)電場(chǎng),方向沿y軸正方向,電場(chǎng)區(qū)域?qū)挾萳=0.1m.現(xiàn)從坐標(biāo)為(-0.2m,-0.2m)的P點(diǎn)放射出質(zhì)量m=2.0×10-9kg、電荷量q=5.0×10-5C的帶正電粒子,沿y軸正方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng),速度大小v0=5.0×103m/s,重力不計(jì).(1)求該帶電粒子射出電場(chǎng)時(shí)的位置坐標(biāo);(2)為了使該帶電粒子能從坐標(biāo)為(0.1m,-0.05m)的點(diǎn)回到電場(chǎng)中,可在緊鄰電場(chǎng)的右側(cè)一正方形區(qū)域內(nèi)加勻強(qiáng)磁場(chǎng),試求所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和正方形區(qū)域的最小面積.規(guī)律方法“五步”突破帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題探究二帶電粒子在疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)【情境探究】速度選擇器也稱為濾速器,其原理圖如圖所示.K為電子槍,由槍中沿KA方向射出的電子,速率大小不一.當(dāng)電子通過方向相互垂直的勻稱電場(chǎng)和磁場(chǎng)后,只有肯定速率的電子能沿直線前進(jìn),并通過小孔S.設(shè)產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)的平行板間的電壓為300V,間距為5cm,垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.06T,問:(1)磁場(chǎng)的指向向里還是向外?(2)速度為多大的電子才能通過小孔S?【核心歸納】1.復(fù)合場(chǎng):在同一區(qū)域內(nèi),電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)共存,或其中某兩場(chǎng)共存.2.帶電粒子在疊加場(chǎng)中無約束狀況下的運(yùn)動(dòng)狀況分類:(1)磁場(chǎng)力、重力并存①若重力和洛倫茲力平衡,則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng).②若重力和洛倫茲力不平衡,則帶電體將做困難的曲線運(yùn)動(dòng),因洛倫茲力不做功,故機(jī)械能守恒,由此可求解問題.(2)電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力并存(不計(jì)重力的微觀粒子)①若電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡,則帶電體做勻速直線運(yùn)動(dòng).②若電場(chǎng)力和洛倫茲力不平衡,則帶電體將做困難的曲線運(yùn)動(dòng),因洛倫茲力不做功,可用動(dòng)能定理求解問題.(3)電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、重力并存①若三力平衡,肯定做勻速直線運(yùn)動(dòng).②若重力與電場(chǎng)力平衡,肯定做勻速圓周運(yùn)動(dòng).③若重力與電場(chǎng)力不平衡,可運(yùn)用等效重力法,取重力與電場(chǎng)力的合力為等效重力,然后參考磁場(chǎng)力、重力二力并存的方法進(jìn)行求解.【應(yīng)用體驗(yàn)】例2[2024·廣東卷](多選)如圖所示,磁控管內(nèi)局部區(qū)域分布有水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).電子從M點(diǎn)由靜止釋放,沿圖中所示軌跡依次經(jīng)過N、P兩點(diǎn).已知M、P在同一等勢(shì)面上,下列說法正確的有()A.電子從N到P,電場(chǎng)力做正功B.N點(diǎn)的電勢(shì)高于P點(diǎn)的電勢(shì)C.電子從M到N,洛倫茲力不做功D.電子在M點(diǎn)所受的合力大于在P點(diǎn)所受的合力[試解]例3如圖所示,A、B間存在與豎直方向成45°斜向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)E1,B、C間存在豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)E2,A、B的間距為1.25m,B、C的間距為3m,C為熒光屏.一質(zhì)量m=1.0×10-3kg、電荷量q=+1.0×10-2C的帶電粒子由a點(diǎn)靜止釋放,恰好沿水平方向經(jīng)過b點(diǎn)到達(dá)熒光屏上的O點(diǎn).若在B、C間再加方向垂直紙面對(duì)外且大小為B=0.1T的勻強(qiáng)磁場(chǎng),粒子經(jīng)b點(diǎn)偏轉(zhuǎn)到達(dá)熒光屏O′點(diǎn)(圖中未畫出).取g=10m/s2,求:(1)E1的大??;(2)加上磁場(chǎng)后粒子打在屏上的位置O′距O點(diǎn)的距離;(3)加上磁場(chǎng)后,粒子由b點(diǎn)到O′點(diǎn)電勢(shì)能的改變量.[試解]【針對(duì)訓(xùn)練】3.如圖所示,空間存在豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)和水平的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(垂直紙面對(duì)里).一帶正電的小球從O點(diǎn)由靜止釋放后,運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中曲線OPQ所示,其中P為運(yùn)動(dòng)軌跡中的最高點(diǎn),Q為與O同一水平高度的點(diǎn).下列關(guān)于該帶電小球運(yùn)動(dòng)的描述,正確的是()A.小球在運(yùn)動(dòng)過程中受到的磁場(chǎng)力先增大后減小B.小球在運(yùn)動(dòng)過程中電勢(shì)能先增加后削減C.小球在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒D.小球到Q點(diǎn)后將沿著曲線QPO回到O點(diǎn)4.[2024·湖南卷]如圖,兩個(gè)定值電阻的阻值分別為R1和R2,直流電源的內(nèi)阻不計(jì),平行板電容器兩極板水平放置,板間距離為d,板長(zhǎng)為3d,極板間存在方向水平向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的小球以初速度v沿水平方向從電容器下板左側(cè)邊緣A點(diǎn)進(jìn)入電容器,做勻速圓周運(yùn)動(dòng),恰從電容器上板右側(cè)邊緣離開電容器.此過程中,小球未與極板發(fā)生碰撞,重力加速度大小為g,忽視空氣阻力.(1)求直流電源的電動(dòng)勢(shì)E0;(2)求兩極板間磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B;(3)在圖中虛線的右側(cè)設(shè)計(jì)一勻強(qiáng)電場(chǎng),使小球離開電容器后沿直線運(yùn)動(dòng),求電場(chǎng)強(qiáng)度的最小值E′.規(guī)律方法帶電粒子在疊加場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題的分析方法隨堂演練·達(dá)標(biāo)自測(cè)——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.三個(gè)完全相同的小球a、b、c帶有相同電荷量的正電荷,從同一高度由靜止起先下落,下落h1高度后a球進(jìn)入水平向左的勻強(qiáng)電場(chǎng),b球進(jìn)入垂直紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),如圖所示,它們到達(dá)水平面上的速度大小分別用va、vb、vc表示,它們的關(guān)系是()A.va>vb=vc B.va=vb=vcC.va>vb>vc D.va=vb>vc2.[2024·湖南懷化檢測(cè)]如圖所示,空間中存在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),有一帶電液滴在豎直面內(nèi)做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng),已知電場(chǎng)強(qiáng)度為E,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,重力加速度為g,則液滴環(huán)繞速度大小及方向分別為()A.EB,順時(shí)針 B.EC.BgRE,順時(shí)針 D.BgR3.(多選)在如圖所示的平面直角坐標(biāo)系xOy內(nèi),存在一個(gè)方程為x2+y2=0.25的圓,半徑設(shè)為R,在x<0的半圓區(qū)域內(nèi)存在沿x軸正方向的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E=1V/m的勻強(qiáng)電場(chǎng),在x>0的半圓區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).一帶電荷量q=1.0×10-6C、質(zhì)量m=1.25×10-15kg的帶電粒子從坐標(biāo)(-R,0)處無初速度飄入電場(chǎng),經(jīng)電場(chǎng)加速后.平行于y軸離開磁場(chǎng)區(qū)域.忽視粒子所受重力,下列說法正確的是()A.粒子沿y軸正方向離開磁場(chǎng)B.粒子沿y軸負(fù)方向離開磁場(chǎng)C.磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=1×10-2TD.磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=1×10-4T4.如圖甲所示,一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的圓環(huán),可在水平放置的足夠長(zhǎng)的粗糙細(xì)桿上滑動(dòng),細(xì)桿處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,不計(jì)空氣阻力,現(xiàn)給圓環(huán)向右的初速度v0,在以后的運(yùn)動(dòng)過程中的速度圖像如圖乙所示.則關(guān)于圓環(huán)所帶的電性、勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和圓環(huán)克服摩擦力所做的功W,以下正確的是(重力加速度為g)()A.圓環(huán)帶負(fù)電,B=mgB.圓環(huán)帶正電,B=2mgC.圓環(huán)帶負(fù)電,W=3D.圓環(huán)帶正電,W=35.如圖所示,在直角坐標(biāo)系xOy的第一象限中分布著沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng),在第四象限中分布著方向垂直于紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為+q的微粒,在A點(diǎn)(0,3m)以初速度v0=120m/s平行x軸正方向射入電場(chǎng)區(qū)域,然后從電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)入磁場(chǎng),又從磁場(chǎng)進(jìn)入電場(chǎng),并且先后只通過x軸上的P點(diǎn)(6m,0)和Q點(diǎn)(8m,0)各一次.已知該微粒的比荷為qm=102C/kg(1)求微粒從A到P所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間和加速度的大??;(2)求出微粒到達(dá)P點(diǎn)時(shí)速度方向與x軸正方向的夾角,并畫出帶電微粒在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中由A至Q的運(yùn)動(dòng)軌跡;(3)求電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大?。仞B(yǎng)提升課(二)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵實(shí)力·合作探究探究一情境探究提示:(1)粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng).(2)粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).應(yīng)用體驗(yàn)[例1]解析:(1)離子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示:在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng),有L=12at2,x=v0t,qE=ma,解得x=v02mLqE,則P點(diǎn)的橫坐標(biāo)為-v0(2)由O點(diǎn)處的速度關(guān)系知,速度方向與x軸夾角θ=π3,離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),有q·2v0B=m4v02r因周期T=2πmqB,得運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=2θ2πT=由幾何關(guān)系可得d=2rsinθ,聯(lián)立解得d=23答案:(1)-v02mLqE(2)2πm3qB針對(duì)訓(xùn)練1.解析:離子P+和P3+質(zhì)量之比為1∶1,電荷量之比等于1∶3,故在電場(chǎng)中的加速度(a=Udmd)之比等于1∶3,A錯(cuò)誤;離子在離開電場(chǎng)區(qū)域時(shí),有qU=12mv2,在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),有qvB=mv2r,得半徑r=mvqB=1B2mUq,則半徑之比為1∶13=3∶1,B錯(cuò)誤;設(shè)磁場(chǎng)寬度為d,由幾何關(guān)系有d=rsinθ,可知離子在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過的角度正弦值之比等于半徑倒數(shù)之比,即1∶3,因θ答案:CD2.解析:(1)帶正電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),有qv0B=mv解得r=0.20m=R.如圖所示,依據(jù)幾何關(guān)系可知,帶電粒子恰從O點(diǎn)沿x軸正方向進(jìn)入電場(chǎng),帶電粒子做類平拋運(yùn)動(dòng),設(shè)粒子到達(dá)電場(chǎng)邊緣時(shí),豎直方向的位移為y,有l(wèi)=v0t,y=12·qEm聯(lián)立解得y=0.05m.所以粒子射出電場(chǎng)時(shí)的位置坐標(biāo)為(0.1m,0.05m).(2)粒子飛離電場(chǎng)時(shí),沿電場(chǎng)方向的速度vy=qEmt=5.0×103m/s=v粒子射出電場(chǎng)時(shí)的速度v=2v0由幾何關(guān)系可知,粒子在正方形區(qū)域磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r′=0.052m由qvB′=mv2r'故正方形區(qū)域的最小面積S=(2r′)2=0.02m2.答案:(1)(0.1m,0.05m)(2)4T0.02m2探究二情境探究提示:(1)由題圖可知,平行板產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度E方向向下,帶負(fù)電的電子受到的靜電力FE=eE,方向向上.若沒有磁場(chǎng),電子束將向上偏轉(zhuǎn),為了使電子能夠穿過小孔S,所加的磁場(chǎng)施于電子束的洛倫茲力必需是向下的.依據(jù)左手定則分析得出,B的方向垂直于紙面對(duì)里.(2)電子受到的洛倫茲力為FB=evB,它的大小與電子速度大小v有關(guān),只有那些速度大小剛好使得洛倫茲力與電場(chǎng)力相平衡的電子,才可沿直線KA通過小孔S.據(jù)題意,能夠通過小孔的電子,其速度大小滿意evB=eE,解得v=EB,又因?yàn)镋=Ud,所以,將U=300V,B=0.06T,d=0.05m代入上式,得v=1×105m/s,即只有速度大小為1×105m/s的電子才可以通過小孔應(yīng)用體驗(yàn)[例2]解析:電子從M點(diǎn)由靜止釋放,從M到N,電場(chǎng)力做正功,M、P在同一等勢(shì)面上,可知電子從N到P,電場(chǎng)力做負(fù)功,A錯(cuò)誤;依據(jù)沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)降低,可知N點(diǎn)電勢(shì)高于P點(diǎn)電勢(shì),B正確;依據(jù)洛倫茲力方向與速度方向垂直,對(duì)帶電粒子恒久不做功,可知電子從M到N,洛倫茲力不做功,C正確;洛倫茲力不做功,且M、P在同一等勢(shì)面上,可知電子在M點(diǎn)和P點(diǎn)速度都是零,即電子在M點(diǎn)和P點(diǎn)都是只受到電場(chǎng)力作用,所以電子在M點(diǎn)所受的合力等于在P點(diǎn)所受的合力,D錯(cuò)誤.答案:BC[例3]解析:(1)粒子在A、B間做勻加速直線運(yùn)動(dòng),豎直方向受力平衡,則有qE1cos45°=mg解得E1=2N/C.(2)粒子從a到b的過程中,由動(dòng)能定理得:qE1dABsin45°=12m解得vb=5m/s加磁場(chǎng)后粒子在B、C間必做勻速圓周運(yùn)動(dòng),如圖所示,由牛頓其次定律可得:qvbB=mv解得R=5m設(shè)粒子在B、C間運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)距離為y,由幾何學(xué)問得R2=dBC2+(R-y代入數(shù)據(jù)得y=1.0m(y=9.0m舍去).(3)加磁場(chǎng)前粒子在B、C間必做勻速直線運(yùn)動(dòng),則有:qE2=mg粒子在B、C間運(yùn)動(dòng)時(shí)電場(chǎng)力做的功W=-qE2y=-mgy=-1.0×10-2J由功能關(guān)系知,粒子由b點(diǎn)到O′點(diǎn)電勢(shì)能增加了1.0×10-2J.答案:(1)2N/C(2)1.0m(3)增加了1.0×10-2J針對(duì)訓(xùn)練3.解析:小球由靜止起先向上運(yùn)動(dòng),可知電場(chǎng)力大于重力,在運(yùn)動(dòng)的過程中,洛倫茲力不做功,電場(chǎng)力和重力的合力先做正功,后做負(fù)功,依據(jù)動(dòng)能定理知,小球的速度先增大后減小,則小球受到的磁場(chǎng)力先增大后減小,故A正確;小球在運(yùn)動(dòng)的過程中,電場(chǎng)力先做正功,后做負(fù)功,則電勢(shì)能先削減后增加,故B錯(cuò)誤;小球在運(yùn)動(dòng)的過程中,除重力做功以外,電場(chǎng)力也做功,機(jī)械能不守恒,故C錯(cuò)誤;小球到Q點(diǎn)后,將重復(fù)之前的運(yùn)動(dòng),接著向左偏轉(zhuǎn),不會(huì)沿著曲線QPO回到O點(diǎn),故D錯(cuò)誤.答案:A4.解析:(1)小球在兩板間做勻速圓周運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)力與重力大小相等,設(shè)兩板間電壓為U,有mg=qU由閉合電路歐姆定律得U=R2R聯(lián)立解得E0=R(2)小球在電容器中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),從上板右側(cè)邊緣離開,設(shè)軌跡半徑為r,有r2=(r-d)2+(3d)2又洛倫茲力供應(yīng)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,qvB=mv解得B=mv(3)小球離開磁場(chǎng)時(shí),速度方向與水平方向的夾角為θ=60°,要使小球做直線運(yùn)動(dòng),則電場(chǎng)力與重力的合力與速度方向共線,當(dāng)電場(chǎng)力等于小球重力垂直于速度方向的分力時(shí),電場(chǎng)力最小,電場(chǎng)強(qiáng)度最小qE′=mgcos60°解得E′=mg答案:(1)R1+R2隨堂演練·達(dá)標(biāo)自測(cè)1.解析:小

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