2019年高考物理大二輪復(fù)習(xí) 專題訓(xùn)練五 第1課時(shí) 電場與磁場的理解.doc
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2019年高考物理大二輪復(fù)習(xí) 專題訓(xùn)練五 第1課時(shí) 電場與磁場的理解 專題定位 本專題主要是綜合應(yīng)用動力學(xué)方法和功能關(guān)系解決帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動問題.這部分的題目覆蓋的內(nèi)容多,物理過程多,且情景復(fù)雜,綜合性強(qiáng),常作為理綜試卷的壓軸題.高考對本專題考查的重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:①對電場力的性質(zhì)和能的性質(zhì)的理解;②帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)問題;③帶電粒子在磁場中的勻速圓周運(yùn)動問題;④帶電粒子在電場和磁場的組合場中的運(yùn)動問題;⑤帶電粒子在電場和磁場的疊加場中的運(yùn)動問題;⑥帶電粒子在電場和磁場中運(yùn)動的臨界問題. 應(yīng)考策略 針對本專題的特點(diǎn),應(yīng)“抓住兩條主線、明確兩類運(yùn)動、運(yùn)用兩種方法”解決有關(guān)問題.兩條主線是指電場力的性質(zhì)(物理量——電場強(qiáng)度)和能的性質(zhì)(物理量——電勢和電勢能);兩類運(yùn)動是指類平拋運(yùn)動和勻速圓周運(yùn)動;兩種方法是指動力學(xué)方法和功能關(guān)系. 第1課時(shí) 電場與磁場的理解 1.對電場強(qiáng)度的三個(gè)公式的理解 (1)E=是電場強(qiáng)度的定義式,適用于任何電場.電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)是確定值,其大小和方向與試探電荷q無關(guān).試探電荷q充當(dāng)“測量工具”的作用. (2)E=k是真空中點(diǎn)電荷所形成的電場的決定式.E由場源電荷Q和場源電荷到某點(diǎn)的距離r決定. (3)E=是場強(qiáng)與電勢差的關(guān)系式,只適用于勻強(qiáng)電場,注意:式中d為兩點(diǎn)間沿電場方向的距離. 2.電場能的性質(zhì) (1)電勢與電勢能:φ=. (2)電勢差與電場力做功:UAB==φA-φB. (3)電場力做功與電勢能的變化:W=-ΔEp. 3.等勢面與電場線的關(guān)系 (1)電場線總是與等勢面垂直,且從電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面. (2)電場線越密的地方,等差等勢面也越密. (3)沿等勢面移動電荷,電場力不做功,沿電場線移動電荷,電場力一定做功. 4.帶電粒子在磁場中的受力情況 (1)磁場只對運(yùn)動電荷有力的作用,對靜止電荷無力的作用.磁場對運(yùn)動電荷的作用力叫洛倫茲力. (2)洛倫茲力的大小和方向:其大小為F=qvBsin θ,注意:θ為v與B的夾角.F的方向由左手定則判定,但四指的指向應(yīng)為正電荷運(yùn)動的方向或負(fù)電荷運(yùn)動方向的反方向. 5.洛倫茲力做功的特點(diǎn) 由于洛倫茲力始終和速度方向垂直,所以洛倫茲力永不做功,但洛倫茲力的分力可以做功. 1.本部分內(nèi)容的主要研究方法有:(1)理想化模型.如點(diǎn)電荷、電場線、等勢面;(2)比值定義法.電場強(qiáng)度、電勢的定義方法是定義物理量的一種重要方法;(3)類比的方法.電場和重力場的比較;電場力做功與重力做功的比較;帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動和平拋運(yùn)動的類比. 2.靜電力做功的求解方法:(1)由功的定義式W=Flcos α來求;(2)利用結(jié)論“電場力做功等于電荷電勢能增量的負(fù)值”來求,即W=-ΔEp;(3)利用WAB=qUAB來求. 3.研究帶電粒子在電場中的曲線運(yùn)動時(shí),采用運(yùn)動合成與分解的思想方法;帶電粒子在組合場中的運(yùn)動實(shí)際是類平拋運(yùn)動和勻速圓周運(yùn)動的組合,類平拋運(yùn)動的末速度就是勻速圓周運(yùn)動的線速度. 考向1 對電場性質(zhì)的理解 例1 如圖1所示,實(shí)線為電場線,虛線為等勢面,兩相鄰等勢面間電勢差相等.A、B、C為電場中的三個(gè)點(diǎn),且AB=BC,一個(gè)帶正電的粒子從A點(diǎn)開始運(yùn)動,先后經(jīng)過B、C兩點(diǎn),若帶電粒子只受電場力作用,則下列說法正確的是( ) 圖1 A.粒子在A、B、C三點(diǎn)的加速度大小關(guān)系aA>aB>aC B.粒子在A、B、C三點(diǎn)的動能大小關(guān)系EkC>EkB>EkA C.粒子在A、B、C三點(diǎn)的電勢能大小關(guān)系EpC>EpB>EpA D.粒子由A運(yùn)動至B和由B運(yùn)動至C電場力做的功相等 審題突破 加速度是由什么力產(chǎn)生的?據(jù)圖如何判斷加速度大小關(guān)系?A、B、C三點(diǎn)的電勢大小關(guān)系如何?AB和BC間的電勢差哪個(gè)大? 解析 由電場線可知EC>EB>EA,因此aC>aB>aA,故A錯(cuò)誤;粒子從A點(diǎn)運(yùn)動經(jīng)過B、C,電場力做正功,動能不斷增加,因此EkC>EkB>EkA,故B正確;由于沿著電場線,電勢逐漸降低,故φA>φB>φC,因此帶正電粒子的電勢能大小關(guān)系EpA>EpB>EpC,故C錯(cuò)誤;由于從A到B過程的電場力小于從B到C過程的電場力,故從A到B過程的電場力做功較少,因此粒子由A運(yùn)動至B和由B運(yùn)動至C電場力做的功不等,D錯(cuò)誤. 答案 B 以題說法 1.在靜電場中,通常利用電場線和等勢面的兩個(gè)關(guān)系分析電場的性質(zhì):一是二者一定處處垂直;二是電場線密的地方,等差等勢面也密,且電場線由電勢較高的等勢面指向電勢較低的等勢面. 2.在分析電場性質(zhì)時(shí),要特別注意電場強(qiáng)度、加速度、電勢、電場力做功、動能、電勢能等物理量的基本判斷方法. (xx江蘇4)如圖2所示,一圓環(huán)上均勻分布著正電荷,x軸垂直于環(huán)面且過圓心O.下列關(guān)于x軸上的電場強(qiáng)度和電勢的說法中正確的是( ) 圖2 A.O點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零,電勢最低 B.O點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零,電勢最高 C.從O點(diǎn)沿x軸正方向,電場強(qiáng)度減小,電勢升高 D.從O點(diǎn)沿x軸正方向,電場強(qiáng)度增大,電勢降低 答案 B 解析 根據(jù)電場的對稱性和電場的疊加原理知,O點(diǎn)的電場強(qiáng)度為零.在x軸上,電場強(qiáng)度的方向自O(shè)點(diǎn)分別指向x軸正方向和x軸負(fù)方向,且沿電場線方向電勢越來越低,所以O(shè)點(diǎn)電勢最高.在x軸上離O點(diǎn)無限遠(yuǎn)處的電場強(qiáng)度為零,故沿x軸正方向和x軸負(fù)方向的電場強(qiáng)度先增大后減?。x項(xiàng)B正確. 考向2 電場矢量合成問題 例2 如圖3所示,a、b、c、d分別是一個(gè)菱形的四個(gè)頂點(diǎn),∠abc=120.現(xiàn)將三個(gè)等量的正點(diǎn)電荷+Q分別固定在a、b、c三個(gè)頂點(diǎn)上,則下列判斷正確的是( ) 圖3 A.d點(diǎn)電場強(qiáng)度的方向由d指向O B.O點(diǎn)處的電場強(qiáng)度是d點(diǎn)處的電場強(qiáng)度的2倍 C.bd連線為一等勢線 D.引入一個(gè)電量為+q的點(diǎn)電荷,依次置于O點(diǎn)和d點(diǎn),則在d點(diǎn)所具有的電勢能大于在O點(diǎn)所具有的電勢能 審題突破 三個(gè)電荷都在O點(diǎn)、d點(diǎn)產(chǎn)生電場,該用什么方法判斷這兩點(diǎn)場強(qiáng)的大小和方向呢?Od連線上電場線的方向能判斷嗎? 解析 由點(diǎn)電荷的電場及電場的疊加可知,O點(diǎn)處的場強(qiáng)等于b處點(diǎn)電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng),設(shè)菱形的邊長為L,則EO=k,方向由b指向O,而在d處的點(diǎn)電荷由a、b、c處的點(diǎn)電荷產(chǎn)生,其大小為Ed=2k=EO,方向也沿bO方向,A錯(cuò)誤,B正確;bd是a、c兩處電荷連線的中垂線,由兩等量正電荷的電場中電勢分布可知,在a、c兩點(diǎn)電荷的電場中O點(diǎn)電勢高于d點(diǎn)電勢,而在點(diǎn)電荷b的電場中,O點(diǎn)電勢也高于d點(diǎn)電勢,再由電勢疊加可知,O點(diǎn)電勢高,而正電荷在電勢越高處,電勢能越大,C、D錯(cuò)誤. 答案 B 以題說法 1.熟練掌握常見電場的電場線和等勢面的畫法. 2.對于復(fù)雜的電場場強(qiáng)、電場力合成時(shí)要用平行四邊形定則. 3.電勢的高低可以根據(jù)“沿電場線方向電勢降低”或者由離正、負(fù)場源電荷的距離來確定. 如圖4甲所示,MN為很大的薄金屬板(可理解為無限大),金屬板原來不帶電.在金屬板的右側(cè),距金屬板距離為d的位置上放入一個(gè)帶正電、電荷量為q的點(diǎn)電荷,由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生了如圖甲所示的電場分布.幾位同學(xué)想求出點(diǎn)電荷和金屬板垂直連線之間中點(diǎn)a的電場強(qiáng)度大小,但發(fā)現(xiàn)問題很難.幾位同學(xué)經(jīng)過仔細(xì)研究,從圖乙所示兩等量異號點(diǎn)電荷的電場分布得到了一些啟示,經(jīng)過查閱資料他們知道:圖甲所示的電場分布與圖乙中虛線右側(cè)的電場分布是完全一樣的.圖乙中兩等量異號點(diǎn)電荷的大小也為q,他們之間的距離為2d,虛線是兩點(diǎn)電荷連線的中垂線.由此他們分別求出了a點(diǎn)的電場強(qiáng)度大小,一共有以下四個(gè)不同的答案(答案中k為靜電力常量),其中正確的是( ) 圖4 A. B. C. D. 答案 C 解析 根據(jù)a點(diǎn)的電場線方向可得a點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向是垂直于金屬板向左,兩個(gè)異號點(diǎn)電荷電荷量的大小均為q,它們之間的距離為2d,乙圖上+q左側(cè)處的場強(qiáng)大小為E=k+k=,根據(jù)題意可知,a點(diǎn)的電場強(qiáng)度大小與乙圖上+q左側(cè)處的場強(qiáng)大小相等,即為. 考向3 帶電粒子在有界磁場中的臨界、極值問題 例3 (xx江蘇14)某裝置用磁場控制帶電粒子的運(yùn)動,工作原理如圖5所示.裝置的長為L,上、下兩個(gè)相同的矩形區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向與紙面垂直且相反,兩磁場的間距為d.裝置右端有一收集板,M、N、P為板上的三點(diǎn),M位于軸線OO′上,N、P分別位于下方磁場的上、下邊界上.在紙面內(nèi),質(zhì)量為m、電荷量為-q的粒子以某一速度從裝置左端的中點(diǎn)射入,方向與軸線成30角,經(jīng)過上方的磁場區(qū)域一次,恰好到達(dá)P點(diǎn).改變粒子入射速度的大小,可以控制粒子到達(dá)收集板的位置.不計(jì)粒子的重力. 圖5 (1)求磁場區(qū)域的寬度h; (2)欲使粒子到達(dá)收集板的位置從P點(diǎn)移到N點(diǎn),求粒子入射速度的最小變化量Δv; (3)欲使粒子到達(dá)M點(diǎn),求粒子入射速度大小的可能值. 審題突破 粒子在磁場中做圓周運(yùn)動,畫一畫如何才能到達(dá)P點(diǎn)?怎么由幾何關(guān)系求寬度?粒子到達(dá)N點(diǎn)的軌跡又如何? 解析 (1)設(shè)粒子在磁場中的軌跡半徑為r,粒子的運(yùn)動軌跡如圖所示. 根據(jù)題意知L=3rsin 30+dcot 30,且磁場區(qū)域的寬度h=r(1-cos 30) 解得:h=(L-d)(1-). (2)設(shè)改變?nèi)肷渌俣群罅W釉诖艌鲋械能壽E半徑為r′,洛倫茲力提供向心力,則有m=qvB,m=qv′B, 由題意知3rsin 30=4r′sin 30, 解得粒子速度的最小變化量Δv=v-v′=(-d). (3)設(shè)粒子經(jīng)過上方磁場n次 由題意知L=(2n+2)cot 30+(2n+2)rnsin 30 且m=qvnB,解得vn=(-d)(1≤n<-1,n取整數(shù)). 答案 (1)(L-d)(1-) (2)(-d) (3)(-d)(1≤n<-1,n取整數(shù)) 以題說法 1.解決帶電粒子在磁場中運(yùn)動的臨界問題,關(guān)鍵在于運(yùn)用動態(tài)思維,尋找臨界點(diǎn),確定臨界狀態(tài),根據(jù)粒子的速度方向找出半徑方向,同時(shí)由磁場邊界和題設(shè)條件畫好軌跡,定好圓心,建立幾何關(guān)系. 2.粒子射出或不射出磁場的臨界狀態(tài)是粒子運(yùn)動軌跡與磁場邊界相切. 如圖6所示,在邊長為L的正方形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B.在正方形對角線CE上有一點(diǎn)P,其到CF、CD距離均為,且在P點(diǎn)處有一個(gè)發(fā)射正離子的裝置,能連續(xù)不斷地向紙面內(nèi)的各方向發(fā)射出速率不同的正離子.已知離子的質(zhì)量為m,電荷量為q,不計(jì)離子重力及離子間相互作用力. 圖6 (1)速率在什么范圍內(nèi)的所有離子均不可能射出正方形區(qū)域? (2)求速率為v=的離子在DE邊的射出點(diǎn)距離D點(diǎn)的范圍. 答案 (1)v≤ (2)≤d< 解析 因離子以垂直于磁場的速度射入磁場,故其在洛倫茲力作用下必做圓周運(yùn)動. (1)依題意可知離子在正方形區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動不射出該區(qū)域,做圓周運(yùn)動的半徑為r≤. 對離子,由牛頓第二定律有qvB=m?v=≤. (2)當(dāng)v=時(shí),設(shè)離子在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑為R,則由qvB=m可得R===. 甲 要使離子從DE射出,則其必不能從CD射出,其臨界狀態(tài)是離子軌跡與CD邊相切,設(shè)切點(diǎn)與C點(diǎn)距離為x,其軌跡如圖甲所示, 由幾何關(guān)系得: R2=(x-)2+(R-)2, 計(jì)算可得x=L, 設(shè)此時(shí)DE邊出射點(diǎn)與D點(diǎn)的距離為d1,則由幾何關(guān)系有:(L-x)2+(R-d1)2=R2, 解得d1=. 乙 而當(dāng)離子軌跡與DE邊相切時(shí),離子必將從EF邊射出,設(shè)此時(shí)切點(diǎn)與D點(diǎn)距離為d2,其軌跡如圖乙所示,由幾何關(guān)系有: R2=(L-R)2+(d2-)2, 解得d2=. 故速率為v=的離子在DE邊的射出點(diǎn)距離D點(diǎn)的范圍為≤d<. 8.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的多過程問題 例4 (22分)如圖7所示,無限寬廣的勻強(qiáng)磁場分布在xOy平面內(nèi),x軸上下方磁場均垂直xOy平面向里,x軸上方的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,x軸下方的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.現(xiàn)有一質(zhì)量為m、電量為-q的粒子以速度v0從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿y軸正方向進(jìn)入上方磁場.在粒子運(yùn)動過程中,與x軸交于若干點(diǎn).不計(jì)粒子的重力.求: 圖7 (1)粒子在x軸上方磁場做勻速圓周運(yùn)動的半徑; (2)設(shè)粒子在x軸上方的周期為T1,x軸下方的周期為T2,求T1∶T2; (3)如把x軸上方運(yùn)動的半周與x軸下方運(yùn)動的半周稱為一周期的話,則每經(jīng)過一周期,在x軸上粒子右移的距離; (4)在與x軸的所有交點(diǎn)中,粒子兩次通過同一點(diǎn)的坐標(biāo)位置. 思維導(dǎo)圖 解析 (1)設(shè)粒子在x軸上方磁場做勻速圓周運(yùn)動的半徑為r1,在下方磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑為r2, 由Bqv0=m得r1=,r2=(6分) (2)由T=得 T1=(2分) T2=(2分) T1∶T2=4∶3(2分) (3)在磁場中運(yùn)動軌跡如圖所示,如把x軸上方運(yùn)動的半周與x軸下方運(yùn)動的半周稱為一周期的話,則每經(jīng)過一周期,在x軸上粒子右移Δx=2r1-2r2=(5分) (4)則在第4周期剛結(jié)束時(shí)粒子第二次經(jīng)過x1=2r1的這一點(diǎn),以后每過一周期將會出現(xiàn)符合要求的點(diǎn). 故xk=2r1+=r1=(k=1,2,3…)(5分) 答案 (1) (2)4∶3 (3) (4)(k=1,2,3…) (限時(shí):15分鐘,滿分:18分) (xx重慶9)如圖8所示,在無限長的豎直邊界NS和MT間充滿勻強(qiáng)電場,同時(shí)該區(qū)域上、下部分分別充滿方向垂直于NSTM平面向外和向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為B和2B,KL為上、下磁場的水平分界線,在NS和MT邊界上,距KL高h(yuǎn)處分別有P、Q兩點(diǎn),NS和MT間距為1.8h.質(zhì)量為m、帶電量為+q的粒子從P點(diǎn)垂直于NS邊界射入該區(qū)域,在兩邊界之間做圓周運(yùn)動,重力加速度為g. 圖8 (1)求電場強(qiáng)度的大小和方向. (2)要使粒子不從NS邊界飛出,求粒子入射速度的最小值. (3)若粒子能經(jīng)過Q點(diǎn)從MT邊界飛出,求粒子入射速度的所有可能值. 答案 (1),方向豎直向上 (2)(9-6) (3) 解析 (1)設(shè)電場強(qiáng)度大小為E. 由題意有mg=qE, 得E=,方向豎直向上. (2)如圖所示,設(shè)粒子不從NS邊飛出的入射速度最小值為vmin,對應(yīng)的粒子在上、下區(qū)域的運(yùn)動半徑分別為r1和r2,圓心的連線與NS的夾角為φ. 由r=, 有r1=,r2==r1, 由(r1+r2)sin φ=r2, r1+r1cos φ=h, 得vmin=(9-6). (3)如圖所示, 設(shè)粒子入射速度為v,粒子在上、下方區(qū)域的運(yùn)動半徑分別為r1和r2,粒子第一次通過KL時(shí)距離K點(diǎn)為x. 由題意有3nx=1.8h,(n=1,2,3,…), 由(2)知x≥r2=, x=, 得r1=(1+),n≤0.6(3+2)≈3.5, 即n=1時(shí),v=; n=2時(shí),v=; n=3時(shí),v=. (限時(shí):45分鐘) 題組1 對電場性質(zhì)的理解 1.(xx新課標(biāo)Ⅰ21)如圖1所示,在正點(diǎn)電荷Q的電場中有M、N、P、F四點(diǎn),M、N、P為直角三角形的三個(gè)頂點(diǎn),F(xiàn)為MN的中點(diǎn),∠M=30.M、N、P、F四點(diǎn)處的電勢分別用φM、φN、φP、φF表示.已知φM=φN,φP=φF;點(diǎn)電荷Q在M、N、P三點(diǎn)所在平面內(nèi),則( ) 圖1 A.點(diǎn)電荷Q一定在MP的連線上 B.連接PF的線段一定在同一等勢面上 C.將正試探電荷從P點(diǎn)搬運(yùn)到N點(diǎn),電場力做負(fù)功 D.φP大于φM 答案 AD 解析 電場是由正點(diǎn)電荷產(chǎn)生的,所以電場線由正點(diǎn)電荷指向無窮遠(yuǎn)處,并且跟點(diǎn)電荷距離相等的點(diǎn),電勢相等,場強(qiáng)大小相等.由于φM=φN,φP=φF,所以點(diǎn)電荷Q到M和N的距離相等,到P和F的距離相等,即過F作MN的中垂線,然后作FP的中垂線,兩中垂線的交點(diǎn)為點(diǎn)電荷Q所在的位置,由幾何知識得Q在MP上,如圖所示,故選項(xiàng)A正確;點(diǎn)電荷形成的電場中等勢面是球面,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;正試探電荷與Q同號,所以受斥力作用,故將其從P點(diǎn)搬運(yùn)到N點(diǎn)時(shí),電場力做正功,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由幾何關(guān)系知點(diǎn)電荷Q距M的距離大,距P的距離小,所以φM<φP,故選項(xiàng)D正確. 2.兩點(diǎn)電荷形成電場的電場線分布如圖2所示,若圖中A、B兩點(diǎn)處的場強(qiáng)大小分別為EA、EB,電勢分別為φA、φB,則( ) 圖2 A.EA- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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