新课标2020高考物理二轮复习专题五科学思维篇2活用“三大观点”解析电磁学综合问题讲义含解析

新课标2020高考物理二轮复习专题五科学思维篇2活用“三大观点”解析电磁学综合问题讲义含解析

科学思维篇2　活用“三大观点”解析电磁学综合问题 电磁学综合问题一直是高考中的必考内容且几乎每年都作为压轴题出现，同时在选择题中也有所体现．主要考查方向有两大类：‎ ‎(1)带电粒子在复合场中的运动；‎ ‎(2)电磁感应现象中动力学问题、能量问题、电路问题等．‎ 在复习中该部分一定是重点复习内容，不仅对于基本内容及规律要熟练应用，对于综合问题也一定要强化训练，形成解决电磁综合问题的信心和习惯．‎ ‎　带电粒子在复合场中的运动 ‎【高分快攻】‎ ‎1．带电粒子在组合场中运动的分析思路 第1步：分阶段(分过程)按照时间顺序和进入不同的区域分成几个不同的阶段；‎ 第2步：受力分析和运动分析，主要涉及两种典型运动，如关系图；‎ 第3步：用规律．‎ ‎2．带电粒子在叠加场中运动的分析方法 - 17 -‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (2019·高考全国卷Ⅰ)如图，在直角三角形OPN区域内存在匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一带正电的粒子从静止开始经电压U加速后，沿平行于x轴的方向射入磁场；一段时间后，该粒子在OP边上某点以垂直于x轴的方向射出．已知O点为坐标原点，N点在y轴上，OP与x轴的夹角为30°，粒子进入磁场的入射点与离开磁场的出射点之间的距离为d，不计重力．求 ‎(1)带电粒子的比荷；‎ ‎(2)带电粒子从射入磁场到运动至x轴的时间．‎ ‎[解析]　(1)设带电粒子的质量为m，电荷量为q，加速后的速度大小为v.由动能定理有qU＝mv2 ①‎ 设粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有qvB＝m ②‎ 由几何关系知 d＝r ③‎ 联立①②③式得＝. ④‎ ‎(2)由几何关系知，带电粒子射入磁场后运动到x轴所经过的路程为 s＝＋rtan 30° ⑤‎ 带电粒子从射入磁场到运动至x轴的时间为 t＝ ⑥‎ - 17 -‎ 联立②④⑤⑥式得t＝. ⑦‎ ‎[答案]　(1)　(2) ‎【题组突破】‎ ‎ 角度1　磁场—磁场组合场中的运动分析 ‎1.(2019·高考全国卷Ⅲ)如图，在坐标系的第一和第二象限内存在磁感应强度大小分别为B和B、方向均垂直于纸面向外的匀强磁场．一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子垂直于x轴射入第二象限，随后垂直于y轴进入第一象限，最后经过x轴离开第一象限．粒子在磁场中运动的时间为(　　)‎ A.　　　　　　　　 B. C. D. 解析：选B.设带电粒子进入第二象限的速度为v，在第二象限和第一象限中运动的轨迹如图所示，对应的轨迹半径分别为R1和R2，由洛伦兹力提供向心力有qvB＝m、T＝，可得R1＝、R2＝、T1＝、T2＝，带电粒子在第二象限中运动的时间为t1＝，在第一象限中运动的时间为t2＝T2，又由几何关系有cos θ＝，则粒子在磁场中运动的时间为t＝t1＋t2，联立以上各式解得t＝，选项B正确，A、C、D均错误．‎ ‎ 角度2　电场—磁场组合场中的运动分析 ‎2．(2019·全真模拟卷一)如图所示，在直角坐标系xOy平面内，虚线MN平行于y轴，N点坐标为(－L，0)，MN与y轴之间有沿y轴正方向的匀强电场，在第四象限的某区域有方向垂直于坐标平面的矩形有界匀强磁场(图中未画出)．现有一质量为m、电荷量为－e的电子，从虚线MN上的P点，以平行于x轴正方向的初速度v0射入电场，并从y轴上点A射出电场，射出时速度方向与y轴负方向成30°角，此后，电子做匀速直线运动， 进入矩形磁场区域并从磁场边界上点Q射出，速度沿x轴负方向，不计电子重力，求：‎ - 17 -‎ ‎(1)匀强电场的电场强度E的大小；‎ ‎(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小和电子在磁场中运动的时间t；‎ ‎(3)矩形有界匀强磁场区域的最小面积Smin.‎ 解析：(1)设电子在电场中运动的加速度大小为a，时间为t0，离开电场时，沿y轴方向的速度大小为vy 则L＝v0t0，a＝，vy＝at0，vy＝ 联立解得E＝.‎ ‎(2)设轨迹与x轴的交点为D，O、D间的距离为xD，则xD＝Ltan 30°＝L 所以DQ平行于y轴，电子在磁场中做匀速圆周运动的轨道的圆心在DQ上，电子运动轨迹如图所示 设电子离开电场时速度大小为v，在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为r，周期为T 则evB＝m，v＝ 由几何关系有r＋＝L 即r＝ 联立以上各式解得B＝ 电子在磁场中偏转的角度为120°，则有t＝ T＝ 解得t＝.‎ ‎(3)以切点F、Q的连线为矩形的一条边，与电子的运动轨迹相切的另一边作为FQ的对边，此时有界匀强磁场区域面积最小Smin＝r× - 17 -‎ 解得Smin＝.‎ 答案：见解析 角度3　电场与磁场并存的叠加场问题 ‎3．(2017·高考全国卷Ⅰ)如图，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上(与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里．三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等，质量分别为ma、mb、mc.已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动．下列选项正确的是(　　)‎ A．ma＞mb＞mc B．mb＞ma＞mc C．mc＞ma＞mb D．mc＞mb＞ma 解析：选B.该空间区域为匀强电场、匀强磁场和重力场的叠加场，a在纸面内做匀速圆周运动，可知其重力与所受到的电场力平衡，洛伦兹力提供其做匀速圆周运动的向心力，有mag＝qE，解得ma＝.b在纸面内向右做匀速直线运动，由左手定则可判断出其所受洛伦兹力方向竖直向上，可知mbg＝qE＋qvbB，解得mb＝＋.c在纸面内向左做匀速直线运动，由左手定则可判断出其所受洛伦兹力方向竖直向下，可知mcg＋qvcB＝qE，解得mc＝－.综上所述，可知mb>ma>mc，选项B正确．‎ 角度4　电场、磁场和重力场并存的叠加场问题 ‎4．(2019·黄冈中学模拟)如图所示，坐标系xOy在竖直平面内，x轴沿水平方向．x>0的区域有垂直于坐标平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B1；第三象限同时存在着垂直于坐标平面向外的匀强磁场和竖直向上的匀强电场，磁感应强度大小为B2，电场强度大小为E.x>0的区域固定一与x轴成θ＝30°角的绝缘细杆．一穿在细杆上的带电小球a沿细杆匀速滑下，从N点恰能沿圆周轨道运动到x轴上的Q点，且速度方向垂直于x轴．已知Q点到坐标原点O的距离为l，重力加速度为g，B1＝7E，B2＝E.空气阻力忽略不计．‎ - 17 -‎ ‎(1)求带电小球a的电性及其比荷；‎ ‎(2)求带电小球a与绝缘细杆的动摩擦因数μ；‎ ‎(3)当带电小球a刚离开N点时，从y轴正半轴距原点O为h＝的P点(图中未画出)以某一初速度平抛一个不带电的绝缘小球b，b球刚好运动到x轴时与向上运动的a球相碰，则b球的初速度为多大？‎ 解析：(1)由带电小球a在第三象限内做匀速圆周运动可得，带电小球a带正电，且mg＝qE，解得＝.‎ ‎(2)带电小球a从N点运动到Q点的过程中，设运动半径为R，有qvB2＝m 由几何关系有R＋Rsin θ＝l 联立解v＝ 带电小球a在杆上做匀速运动时，由平衡条件有 mgsin θ＝μ(qvB1－mgcos θ)‎ 解得μ＝.‎ ‎(3)带电小球a在第三象限内做匀速圆周运动的周期 T＝＝ 带电小球a第一次在第二象限竖直上下运动的总时间为t0＝＝ 绝缘小球b平抛运动至x轴上的时间为 - 17 -‎ t＝＝2 两球相碰有t＝＋n(n＝0，1，2，…)‎ 联立解得n＝1‎ 设绝缘小球b平抛的初速度为v0，则l＝v0t 解得v0＝.‎ 答案：(1)正电　　(2)　(3) 命题角度 解决方法 易错辨析 带电粒子在空间组合场中从电场进磁场的运动 利用类平抛运动中的分解思想解决电场中的运动，利用垂线法确定磁场中运动的圆心 注意电场进磁场时速度的大小、方向变化情况 带电粒子在空间组合场中从磁场进电场的运动 找磁场中匀速圆周运动的圆心、半径、圆心角，画出大体的运动轨迹图 分清磁场中运动时速度偏角、圆心角、弦切角三者之间的关系 带电粒子在交变电、磁场中的运动 利用周期性找准粒子运动规律，再结合电偏转和磁偏转规律解题 在一个周期内分析清楚粒子的运动特点及速度的变化情况 带电粒子在叠加场中的运动 根据不同的受力情况，高中阶段一般只有两种运动情况：‎ ‎①匀速直线运动 ‎②匀速圆周运动 注意粒子是否受重力，并关注粒子的受力与运动性质的关系 ‎　带电粒子在复合场中的运动与现代科技的综合 ‎【高分快攻】‎ 教材中重要的五大科技应用类模型 速度选 择器 带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝.这个结论与粒子带何种电荷以及所带电荷量多少都无关 质谱仪 加速：qU＝mv2.偏转：d＝2r＝.比荷＝ - 17 -‎ ‎.可以用来确定带电粒子的比荷和分析同位素等 磁流体 发电机 当等离子体匀速通过 A、B板间时，A、B板上聚集的电荷最多，板间电势差最大，此时离子受力平衡：qvB＝q，即U＝Bdv 电磁流 量计 导电的液体向左流动，导电液体中的正负离子在洛伦兹力作用下纵向偏转，a、b间出现电势差．流量稳定时流量Q＝Sv＝ 回旋加 速器 加速电场的变化周期等于粒子在磁场内运动的周期．在粒子质量、电荷量确定的情况下，粒子所能达到的最大动能Ek＝，只与D形盒半径和磁感应强度有关，与加速电压无关 ‎【典题例析】‎ ‎ (2019·高考天津卷)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件．当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态．如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v.当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭．则元件的(　　)‎ ‎　‎ A．前表面的电势比后表面的低 B．前、后表面间的电压U与v无关 C．前、后表面间的电压U与c成正比 D．自由电子受到的洛伦兹力大小为 ‎[解析]　由题意可判定，电子定向移动的方向水平向左，则由左手定则可知，电子所受的洛伦兹力指向后表面，因此后表面积累的电子逐渐增多，前表面的电势比后表面的电势高，A错误；当电子所受的电场力与洛伦兹力平衡时，电子不再发生偏转，‎ - 17 -‎ 此时前、后表面间的电压达到稳定，对稳定状态下的电子有eE＝eBv，又E＝，解得U＝Bav，显然前、后表面间的电压U与电子的定向移动速度v成正比，与元件的宽度a成正比，与长度c无关，B、C错误；自由电子稳定时受到的洛伦兹力等于电场力，即F＝eE＝，D正确．‎ ‎[答案]　D ‎ 如图所示为“双聚焦分析器”质谱仪的结构示意图，其中，加速电场的电压为U，静电分析器中与圆心O1等距离的各点场强大小相等、方向沿径向，磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右端面平行．由离子源发出的一质量为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，从M点垂直于电场方向进入静电分析器，沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动，从N点射出，接着由P点垂直磁分析器的左边界射入，最后垂直于下边界从Q点射出并进入收集器．已知 Q点与圆心O2的距离为d.‎ ‎(1)求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向；‎ ‎(2)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；‎ ‎(3)现将离子换成质量为m1＝0.9m、电荷量仍为q的另一种正离子，其他条件不变．试指出该离子进入磁分析器时的位置，并判断它射出磁场的位置在Q点的左侧还是右侧．‎ 解析：(1)离子在加速电场中加速，设进入静电分析器的速度大小为v，根据动能定理得qU＝mv2‎ 离子射出静电分析器时的速度大小仍为v，在磁分析器中，离子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，设轨道半径为r，根据牛顿第二定律得Bqv＝m 依题意知r＝d 联立解得B＝ 由左手定则得，磁场方向垂直纸面向外．‎ ‎(2)在静电分析器中，离子在电场力作用下做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得qE＝m 联立解得E＝.‎ ‎(3)设质量为m1的离子经加速电场加速后，速度大小为v1，根据动能定理有qU＝m1v - 17 -‎ 离子在静电分析器中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律有 qE＝ 联立解得质量为m1的离子在静电分析器中做匀速圆周运动的轨道半径R1＝R，即该离子从N点射出静电分析器，由P点射入磁分析器．‎ 该离子在磁分析器中做匀速圆周运动的半径r1＝＝∝ ，所以r1

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