高考物理沖刺專題復(fù)習(xí)課件第八章 第三講 帶電粒子在復(fù)合場中的運動

歡迎進入物理課堂 一 復(fù)合場1 定義 復(fù)合場是指 并存 或其中某兩場并存 電場 磁場 重力場 2 帶電粒子在復(fù)合場中的運動分類 1 靜止或勻速直線運動當帶電粒子在復(fù)合場中所受合外力為零時 將處于狀態(tài)或做 靜止 勻速直線運動 2 勻速圓周運動當帶電粒子所受的重力與電場力大小 方向時 帶電粒子在洛倫茲力的作用下 在垂直于勻強磁場的平面內(nèi)做運動 3 較復(fù)雜的曲線運動當帶電粒子所受合外力的大小和方向均變化 且與初速度方向不在同一條直線上 粒子做曲線運動 這時粒子運動軌跡既不是圓弧 也不是拋物線 相等 相反 勻速圓周 非勻變速 4 分階段運動帶電粒子可能依次通過幾個情況不同的復(fù)合場區(qū)域 其運動情況隨區(qū)域發(fā)生變化 其運動過程由幾種不同的運動階段組成 垂直 qE qvB 2 回旋加速器 1 基本構(gòu)造 回旋加速器的核心部分是放置在磁場中的兩個D形的金屬扁盒 如圖8 3 2所示 其基本組成為 粒子源 兩個D形金屬盒 勻強磁場 高頻電源 粒子引出裝置 相同 3 磁流體發(fā)電機 1 磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù) 它可以把直接轉(zhuǎn)化為 2 根據(jù)左手定則 如圖8 3 3中的B是發(fā)電機 3 磁流體發(fā)電機兩極板間的距離為d 等離子體速度為v 磁場的磁感應(yīng)強度為B 則兩極板間能達到的最大電勢差U 物體的內(nèi)能 電能 正極 Bvd 同位素 6 霍爾效應(yīng)在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體 當與電流方向垂直時 導(dǎo)體在與磁場 電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了 這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差 其原理如圖8 3 6所示 磁場方向 電勢差 1 地球大氣層外部有一層復(fù)雜的電離層 既分布有地磁場 也分布有電場 假設(shè)某時刻在該空間中有一小區(qū)域存在如圖8 3 7所示的電場和磁場 電場的方向在紙面內(nèi)斜向左下方 磁場的方向垂直于紙面向里 此時一帶電宇宙粒子 恰以速度v垂直于電場和磁場射入該區(qū)域 不計重力作用 則在該區(qū)域中 有關(guān)該帶電粒子的運動情況不可能的是 A 仍做直線運動B 立即向左下方偏轉(zhuǎn)C 立即向右上方偏轉(zhuǎn)D 可能做勻速圓周運動 解析 比較Eq與Bqv 因二者開始時方向相反 當二者相等時 A正確 當Eq Bqv時 向電場力方向偏 當Eq Bqv時 向洛倫茲力方向偏 B C正確 有電場力存在 粒子不可能做勻速圓周運動 D錯 答案 D 2 在圖8 3 8中虛線所示的區(qū)域存在勻強電場和勻強磁場 取坐標如圖所示 一帶電粒子沿x軸正方向進入此區(qū)域 在穿過此區(qū)域的過程中運動方向始終不發(fā)生偏轉(zhuǎn) 不計重力的影響 電場強度E和磁感應(yīng)強度B的方向可能是 A E和B都沿x軸方向B E沿y軸正向 B沿z軸負向C E沿z軸正向 B沿y軸正向D E B都沿z軸方向 解析 帶電粒子沿x軸運動不發(fā)生偏轉(zhuǎn) 可能是E B均沿x軸方向 粒子做勻加速或勻減速直線運動 A正確 D錯誤 也可能同時受Eq和Bvq作用 使Eq與Bvq等大反向 可判斷B C錯誤 答案 A 3 1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器 其原理如圖8 3 9所示 這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒D1 D2構(gòu)成 其間留有空隙 下列說法正確的是 解析 離子應(yīng)從加速器的中心進入加速器 磁場使離子偏轉(zhuǎn) 電場使離子加速 答案 A 離子由加速器的中心附近進入加速器 離子由加速器的邊緣進入加速器 離子從磁場中獲得能量 離子從電場中獲得能量A B C D 4 如圖8 3 10所示 a b是位于真空中的平行金屬板 a板帶正電 b板帶負電 兩板之間的電場為勻強電場 場強為E 同時在兩板之間的空間中加勻強磁場 磁場方向垂直于紙面向里 磁感應(yīng)強度為B 一束電子以大小為v0的速度從左邊S處沿圖中虛線方向入射 虛線平行于兩板 要想使電子在兩板間能沿虛線運動 則v0 E B之間的關(guān)系應(yīng)該是 答案 A 5 為監(jiān)測某化工廠的污水排放量 技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖8 3 11所示的流量計 該裝置由絕緣材料制成 長 寬 高分別為a b c 左右兩端開口 在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場 在前后兩個內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電極 污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時 電壓表將顯示兩個電極間的電壓U 若用Q表示污水流量 單位時間內(nèi)排出的污水體積 下列說法中正確的是 A 若污水中正離子較多 則前表面比后表面電勢高B 若污水中負離子較多 則前表面比后表面電勢高C 污水中離子濃度越高 電壓表的示數(shù)將越大D 污水流量Q與U成正比 與a b無關(guān) 答案 D 6 一個長方體金屬塊放在勻強磁場中 若將金屬塊通以如圖8 3 12所示的電流 則金屬塊上下兩表面M N間的電勢高低是 A M NB M NC M ND 無法判定 解析 在金屬導(dǎo)體內(nèi)部的自由電荷為電子 由左手定則可判斷 電子將向M表面集聚 故 N M C正確 答案 C 典例啟迪 例1 2011 淄博調(diào)研 在xOy平面內(nèi) 第 象限內(nèi)的直線OM是電場與磁場的邊界 OM與y軸負方向成45 角 在x 0且OM的左側(cè)空間存在著沿x軸負方向的勻強電場E 場強大小為0 32N C 在y 0且OM的右側(cè)空間存在著垂直紙面向里的勻強磁場B 磁感應(yīng)強度大小為0 10T 如圖8 3 13所示 不計重力的帶負電的微粒 從坐標原點O沿y軸負方向以v0 2 0 103m s的初速度進入磁場 已知微粒的帶電荷量為q 5 0 10 18C 質(zhì)量為m 1 0 10 24kg 求 1 帶電微粒第一次經(jīng)過磁場邊界點的位置坐標 2 帶電微粒在磁場區(qū)域運動的總時間 3 帶電微粒最終離開電 磁場區(qū)域點的位置坐標 保留兩位有效數(shù)字 思路點撥 解答本題應(yīng)注意以下三個方面 1 分析粒子在電場 磁場中的受力和運動規(guī)律 2 畫出粒子的運動軌跡 3 位置坐標與類平拋運動x y方向位移的關(guān)系 答案 1 4 10 3m 4 10 3m 2 1 3 10 5s 3 0 0 19m 歸納領(lǐng)悟 題組突破 1 圖8 3 14是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖 帶電粒子被加速電場加速后 進入速度選擇器 速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E 平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2 平板S下方有強度為B0的勻強磁場 下列表述錯誤的是 A 質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B 速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C 能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E BD 粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P 粒子的比荷越小 答案 D 2 2011 宿州模擬 如圖8 3 15所示 水平放置的兩塊長直平行金屬板a b相距d 0 10m a b間的電場強度為E 5 0 105N C b板下方整個空間存在著磁感應(yīng)強度大小為B 6 0T 方向垂直于紙面向里的勻強磁場 今有一質(zhì)量為m 4 8 10 25kg 電荷量為q 1 6 10 18C的帶正電的粒子 不計重力 從貼近a板的左端以v0 1 0 106m s的 初速度水平射入勻強電場 剛好從狹縫P處穿過b板而垂直進入勻強磁場 最后粒子回到b板的Q處 圖中未畫出 不計板a b的厚度 求P Q之間的距離L 答案 5 8cm 典例啟迪 例2 2011 海淀模擬 如圖8 3 16所示 在水平地面上方有一范圍足夠大的互相正交的勻強電場和勻強磁場區(qū)域 磁場的磁感應(yīng)強度為B 方向水平并垂直于紙面向里 一質(zhì)量為m 帶電荷量為q的帶正電微粒在此區(qū)域內(nèi)沿豎直平面 垂直于磁場方向的平面 做速度大小為v的勻速圓周運動 重力加速度為g 思路點撥 根據(jù)帶電微粒子的運動規(guī)律判斷微粒的受力情況 當電場強度變化后 微粒做一般曲線運動 落地速度可用動能定理求解 歸納領(lǐng)悟 1 帶電粒子在混合場中做勻速圓周運動時 除洛倫茲力外 其他力的合力應(yīng)為零 2 帶電粒子在混合場中做一般曲線運動時 往往要根據(jù)功能關(guān)系列式解答 題組突破 3 從地面上方A點處自由落下一帶電荷量為 q 質(zhì)量為m的粒子 地面附近有如圖8 3 17所示的勻強電場和勻強磁場 電場方向水平向右 磁場方向垂直紙面向里 這時粒子的落地速度大小為v1 若電場不變 只將磁場的方向改為垂直紙面向外 粒子落地的速度大小為v2 則 A v1 v2B v1 v2C v1 v2D 無法判定 解析 帶電粒子落下后 受重力 電場力 洛倫茲力的作用 洛倫茲力的方向跟運動方向垂直 不做功 重力做功都一樣 但電場力做功有區(qū)別 若磁場方向向里 粒子落下后沿電場力方向移動的距離大 電場力做功多 故v1 v2 答案 A 4 一重力不計的帶電粒子以水平初速度v0 v0 E B 先后穿過寬度相同且緊鄰在一起的有明顯豎直邊界的勻強電場E和勻強磁場B 如圖8 3 18甲所示 電場和磁場對粒子總共做功W1 若把電場和磁場疊加且邊界重合 如圖乙所示 該粒子仍以水平初速度v0穿過疊加場區(qū) 電場和磁場對粒子總共做功W2 比較W1 W2的大小 A 一定是W1 W2B 一定是W1 W2C 一定是W1W2 也可能是W1 W2 解析 由題可知 帶電粒子穿過疊加場時洛倫茲力小于電場力 二力方向相反 所以沿電場方向偏移的距離比第一次僅受電場力時偏移的距離小 且洛倫茲力不做功 故W1 W2 B項正確 答案 B 5 如圖8 3 19所示 在勻強電場和勻強磁場共存的區(qū)域內(nèi) 電場的場強為E 方向豎直向下 磁場的磁感應(yīng)強度為B 方向垂直于紙面向里 一質(zhì)量為m的帶電粒子 在場區(qū)內(nèi)的一豎直平面內(nèi)做勻速圓周運動 則可判斷該帶電質(zhì)點 答案 C 典例啟迪 例3 2010 北京高考 利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件以及傳感器 廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域 如圖8 3 20甲 將一金屬或半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場B中 在薄片的兩個側(cè)面a b間通以電流I時 另外兩側(cè)c f間產(chǎn)生電勢差 這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 其原因是薄片中的移動電荷受洛倫茲力的作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)和積累 于是c f間建立起電場EH 同時產(chǎn)生霍爾電勢差UH 當電荷 1 設(shè)半導(dǎo)體薄片的寬度 c f間距 為l 請寫出UH和EH的關(guān)系式 若半導(dǎo)體材料是電子導(dǎo)電的 請判斷圖甲中c f哪端的電勢高 2 已知半導(dǎo)體薄片內(nèi)單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)為n 電子的電荷量為e 請導(dǎo)出霍爾系數(shù)RH的表達式 通過橫截面積S的電流I nevS 其中v是導(dǎo)電電子定向移動的平均速率 3 圖乙是霍爾測速儀的示意圖 將非磁性圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上 圓盤的周邊等距離地嵌裝著m個永磁體 相鄰永磁體的極性相反 霍爾元件置于被測圓盤的邊緣附近 當圓盤勻速轉(zhuǎn)動時 霍爾元件輸出的電壓脈沖信號圖象如圖丙所示 若在時間t內(nèi) 霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P 請導(dǎo)出圓盤轉(zhuǎn)速N的表達式 思路點撥 解答本題應(yīng)注意以下三個方面 1 根據(jù)電子的實際運動方向判斷偏轉(zhuǎn)方向 2 當UH穩(wěn)定時 電場力與洛倫茲力平衡 3 磁場方向變化周期與脈沖周期相同 歸納領(lǐng)悟 判斷霍爾元件工作時哪個面電勢高時 要根據(jù)元件內(nèi)部真正移動的粒子所受洛倫茲力的方向來確定 不可隨意按照沿電流方向流動的正電荷所受洛倫茲力的方向來判斷 題組突破 6 利用如圖8 3 21所示的方法可以測得金屬導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)n 現(xiàn)測得一塊橫截面為矩形的金屬導(dǎo)體的寬為b 厚為d 并加有與側(cè)面垂直的勻強磁場B 當通以圖示方向電流I時 在導(dǎo)體上 下表面間用電壓表可測得電壓為U 已知自由電子的電荷量為e 則下列判斷正確的是 答案 B 7 2011 淮安模擬 北半球某處 地磁場水平分量B1 0 8 10 4T 豎直分量B2 0 5 10 4T 海水向北流動 海洋工作者測量海水的流速時 將兩極板插入此海水中 保持兩極板正對且垂線沿東西方向 兩極板相距d 20m 如圖8 3 22所示 與兩極板相連的電壓表 可看做是理想電壓表 示數(shù)為U 0 2mV 則 A 西側(cè)極板電勢高 東側(cè)極板電勢低B 西側(cè)極板電勢低 東側(cè)極板電勢高C 海水的流速大小為0 125m sD 海水的流速大小為0 25m s 答案 A 8 質(zhì)譜儀可測定同位素的組成 現(xiàn)有一束一價的鉀39和鉀41離子經(jīng)電場加速后 沿著與磁場和邊界均垂直的方向進入勻強磁場中 如圖8 3 23所示 測試時規(guī)定加速電壓大小為U0 但在實驗過程中加速電壓有較小的波動 可能偏大或偏小 U 為使鉀39和鉀41打在照相底片上的區(qū)域不重疊 U不得超過多少 不計離子的重力 16分 如圖8 3 24甲所示 建立xOy坐標系 兩平行極板P Q垂直于y軸且關(guān)于x軸對稱 極板長度和板間距均為l 在第一 四象限有磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場 方向垂直于xOy平面向里 位于極板左側(cè)的粒子源沿x軸向右連續(xù)發(fā)射質(zhì)量為m 電荷量為 q 速度相同 重力不計的帶電粒子 在0 3t0時間內(nèi)兩板間加上如圖乙所示的電壓 不考慮極板邊緣的影響 自主嘗試 試一試 能否做到正確解答 1 不能正確分析帶電粒子在不同時刻進入板間電場后 運動規(guī)律的不同 錯誤地認為進入磁場的速度與第 1 問相同 2 粒子進入電場后 向上偏轉(zhuǎn)的粒子進入磁場后 運動時間較短 偏轉(zhuǎn)量最大的粒子在磁場中運動時間最短 有的同學(xué)按向下偏轉(zhuǎn)的情況求解最短時間 點擊下圖進入 創(chuàng)新演練 大沖關(guān) 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全