【物理】2019届一轮复习人教版第八章第4讲带电粒子在复合场中的运动学案

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【物理】2019届一轮复习人教版第八章第4讲带电粒子在复合场中的运动学案

第4讲 带电粒子在复合场中的运动 命题点一 带电粒子在组合场中的运动 ‎1.组合场:电场与磁场各位于一定的区域内,并不重叠,电场、磁场交替出现.‎ ‎2.分析思路 ‎(1)划分过程:将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段,对不同的阶段选取不同的规律处理.‎ ‎(2)找关键点:确定带电粒子在场区边界的速度(包括大小和方向)是解决该类问题的关键.‎ ‎(3)画运动轨迹:根据受力分析和运动分析,大致画出粒子的运动轨迹图,有利于形象、直观地解决问题.‎ ‎3.“磁偏转”和“电偏转”的区别 电偏转 磁偏转 偏转条件 带电粒子以v⊥E进入匀强电场 带电粒子以v⊥B进入匀强磁场 受力情况 只受恒定的电场力 只受大小恒定的洛伦兹力 运动轨迹 抛物线 圆弧 物理规律 类平抛知识、牛顿第二定律 牛顿第二定律、向心力公式 基本公式 L=vt y=at2‎ a= tan θ= qvB=m r= T= t= sin θ= 做功情况 电场力既改变速度方向,也改变速度的大小,对电荷要做功 洛伦兹力只改变速度方向,不改变速度的大小,对电荷永不做功 物理图象 例1 (2018·淮安市第一次调研)如图1所示,竖直放置的平行金属板A、B间电压为U0,在B板右侧CDMN矩形区域存在竖直向下的匀强电场,DM边长为L,CD边长为L,‎ 紧靠电场右边界存在垂直纸面水平向里的有界匀强磁场,磁场左右边界为同心圆,圆心O在CDMN矩形区域的几何中心,磁场左边界刚好过M、N两点.质量为m、电荷量为+q的带电粒子,从A板由静止开始经A、B极板间电场加速后,从边界CD中点水平向右进入矩形区域的匀强电场,飞出电场后进入匀强磁场.当矩形区域中的场强取某一值时,粒子从M点进入磁场,经磁场偏转后从N点返回电场区域,且粒子在磁场中运动轨迹恰与磁场右边界相切,粒子的重力忽略不计,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.‎ 图1‎ ‎(1)求粒子离开B板时的速度v1大小;‎ ‎(2)求磁场右边界圆周的半径R;‎ ‎(3)将磁感应强度大小和矩形区域的场强大小改变为适当值时,粒子从MN间飞入磁场,经磁场偏转返回电场前,在磁场中运动的时间有最大值,求此最长时间tm.‎ 答案 (1) (2)L (3) 解析 (1)粒子从A到B的加速过程中,‎ 由动能定理有:qU0=mv12‎ 解得v1= ‎(2)如图甲所示,粒子轨迹刚好与磁场右边界相切到达N点 甲 图中tan θ==,θ=37°‎ 粒子在电场中偏转,做类平抛运动.‎ 水平方向上L=v1t 竖直方向上L=at2,vy=at 偏转角度tan α= 联立得tan α=,即α=37°.‎ 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径 r=tan θ=L 则磁场右边界圆周的半径:R=+r=L ‎(3)粒子从同一点离开电场时,在磁场中运动轨迹与右边界相切时弧长最长,运动时间也最长;粒子从不同点离开电场,在磁场中运动轨迹与右边界相切时弧长最长,且当矩形区域场强为零时,粒子进入磁场时速度最小,粒子在磁场中运动的时间最长,则画出粒子运动轨迹如图乙,‎ 乙 由几何关系知粒子偏转角度为360°-2×(90°-37°)=254°,‎ 则最长时间:tm=× 解得tm= 命题点二 带电粒子在交变电磁场中的运动 带电粒子在交变复合场中的运动问题的基本思路 →看清并明白场的变化情况 ‎↓‎ →分析粒子在不同的变化场区的受力情况 ‎↓‎ →分析粒子在不同时间内的运动情况 ‎↓‎ →粒子在不同运动阶段,各有怎样的运动模型 ‎↓‎ →找出衔接相邻两过程的物理量 ‎↓‎ →联立不同阶段的方程求解 例2 (2017·苏锡常镇四市调研)用量子技术生产十字元件时用到了图2甲中的装置:四个挨得很近的圆是半径均为R的光滑绝缘圆柱体的横截面,它们形成四个非常细窄的狭缝a、b、c、d和一个类十字空腔,圆柱和空腔所在的区域均存在垂直纸面向里的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度B的大小可调节,质量为m、电荷量为q、速度为v的带正电离子,从狭缝a处射入空腔内,速度方向在纸面内且与两圆相切.设离子在空腔内与圆柱体最多只发生一次碰撞,碰撞时间极短且速度大小不变;速度方向的改变遵循光的反射定律.‎ ‎ ‎ 图2‎ ‎(1)若B的大小调节为,离子从何处离开空腔?并求出它在磁场中运动的时间t;‎ ‎(2)为使离子从狭缝d处离开空腔,B应调至多大?‎ ‎(3)当从狭缝d处射出的离子垂直极板从A孔进入由平行金属板M、N构成的接收器时,两板间立即加上图乙所示变化周期为T的电压.则U0为多大时,该离子将不会从B孔射出?两板相距L(L>vT),板间可视为匀强电场.‎ 答案 见解析 解析 (1)离子进入磁场后做匀速圆周运动,由牛顿第二定律得 qvB=m 代入数据:r=R 根据左手定则,离子将从b处离开空腔 离子在磁场中运动的周期T= 离子在磁场中运动的时间t== ‎(2)根据题意,离子在P发生碰撞,且O1、O2、P在一条直线上 离子进入磁场中运动的轨道半径为Oa=r 由相似三角形知识可得= 且aC=aP,aP= aD=2R-R,PD=R-R 代入解得:r=3R qvB′=m 解得:B′= ‎ ‎ ‎(3)研究临界情况:离子刚好不从B孔射出 设离子进入电场后经过时间t(t<)速度减为0‎ 离子向下减速的位移为x1=at2‎ 离子再向上先加速后减速的总位移为x2‎ x2=2×a(-t)2‎ 临界情况下:x1=x2‎ 即:at2=2×a(-t)2‎ 解得:t=T 又由于:v=at a= 解得:U0= 所以,为使离子不从B孔射出,U0应满足的条件是 U0> 命题点三 带电粒子(体)在叠加场中的运动 ‎1.带电体在叠加场中无约束情况下的运动 ‎(1)洛伦兹力、重力并存 ‎①若重力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动.‎ ‎②若重力和洛伦兹力不平衡,则带电体将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,故机械能守恒,由此可求解问题.‎ ‎(2)电场力、洛伦兹力并存(不计重力的微观粒子)‎ ‎①若电场力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动.‎ ‎②若电场力和洛伦兹力不平衡,则带电体将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用动能定理求解问题.‎ ‎(3)电场力、洛伦兹力、重力并存 ‎①若三力平衡,一定做匀速直线运动.‎ ‎②若重力与电场力平衡,一定做匀速圆周运动.‎ ‎③若合力不为零且与速度方向不垂直,将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,可用能量守恒定律或动能定理求解问题.‎ ‎2.带电体在叠加场中有约束情况下的运动 带电体在叠加场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下,常见的运动形式有直线运动和圆周运动,此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况,并注意洛伦兹力不做功的特点,运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求解.‎ 例3 (2018·镇江市一模)如图3甲所示,在直角坐标系0≤x≤L区域内有沿y轴正方向的匀强电场,右侧有一个以点(3L,0)为圆心、半径为L的圆形区域,圆形区域与x轴的交点分别为M、N.现有一质量为m、带电荷量为e的电子,从y轴上的A点以速度v0沿x轴正方向射入电场,飞出电场后从M点进入圆形区域,此时速度方向与x轴正方向的夹角为30°.不考虑电子所受的重力.‎ 图3‎ ‎(1)求电子进入圆形区域时的速度大小和匀强电场场强E的大小;‎ ‎(2)若在圆形区域内加一个垂直纸面向里的匀强磁场,使电子穿出圆形区域时速度方向垂直于x轴,求所加磁场磁感应强度B的大小和电子刚穿出圆形区域时的位置坐标;‎ ‎(3)若在电子刚进入圆形区域时,在圆形区域内加上如图乙所示变化的磁场(以垂直于纸面向外为磁场正方向),最后电子从N点处飞出,速度方向与进入磁场时的速度方向相同.请写出磁感应强度B0的大小、磁场变化周期T各应满足的关系表达式.‎ 答案 (1)v0  ‎(2) (,-L)‎ ‎(3)B0=(n=1,2,3……)  T=(n=1,2,3……)‎ 解析 (1)电子在电场中做类平抛运动,射出电场时,速度分解图如图甲所示.‎ 由速度关系可得:=cos θ,解得:v=v0‎ vy=v0tan θ=v0‎ 在竖直方向:vy=at=t 而水平方向上t= 解得:E= ‎(2)根据题意作图如图乙所示,由几何关系得电子做匀速圆周运动的半径r=L 根据牛顿第二定律:qvB= 解得:B= 根据几何关系得电子穿出圆形区域时位置坐标为 ‎(,-L)‎ ‎(3)电子在磁场中最简单的情景如图丙所示.‎ 在磁场变化的前三分之一个周期内,电子的偏转角为60°,设电子运动的轨道半径为r1,周期为T0,粒子在x轴方向上的位移恰好等于r1;在磁场变化的后三分之二个周期内,因磁感应强度减半,电子运动周期T′=2T0,故粒子的偏转角度仍为60°,电子运动的轨道半径变为r2=2r1,粒子在x轴方向上的位移恰好等于2r1.‎ 综合上述分析,则电子能到达N点且速度符合要求的空间条件是:3r1n=2L(n=1,2,3……)‎ 而:r1= 解得:B0=(n=1,2,3……)‎ 应满足的时间条件为:(T0+T′)=T T0=,T′= 解得T=(n=1,2,3……)‎ 例4 (2017·南通市第二次调研)如图4甲所示,放射性粒子源S持续放出质量为m、电荷量为+q的粒子,粒子经过ab间电场加速从小孔O沿OO1方向射入MN板间匀强电场中,OO1为两板间的中心线,与板间匀强电场垂直,在小孔O1处只有沿OO1延长线方向运动的粒子穿出.已知M、N板长为L,间距为d,两板间电压UMN随时间t变化规律如图乙所示,电压变化周期是T1.不计粒子重力和粒子间的相互作用.‎ 图4‎ ‎(1)设放射源S放出的粒子速度大小在0~v0范围内,已知Uab=U0,求带电粒子经a、b间电场加速后速度大小的范围;‎ ‎(2)要保证有粒子能从小孔O1射出电场,U大小应满足什么条件?若从小孔O射入电场的粒子速度v大小满足3.5×106 m/s≤v≤1.2×107 m/s,L=0.10 m,T1=10-8 s,则能从小孔O1射出电场的粒子速度大小有几种?‎ ‎(3)设某个粒子以速度v从小孔O1射出沿OO1的延长线CD匀速运动至图甲中O2点时,空间C1D1D2C2矩形区域加一个变化的有界匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化规律如图丙所示(T2未知),最终该粒子从边界上P点垂直于C1D1穿出磁场区.规定粒子运动到O2点时刻为图丙中零时刻,磁场方向垂直纸面向里为正.已知DD1=l,B0=,CD平行于C1D1,O2P与CD夹角为45°.求粒子在磁场中运动时间t.‎ 答案 见解析 解析 (1)设放射源S放出的粒子速度为v1,粒子在小孔O时的速度为v,则 qU0=mv2-mv12‎ 其中0≤v1≤v0‎ 解得≤v≤ ‎(2)粒子在MN板间电场中运动的加速度a= 能从小孔O1射出电场的粒子,沿电场方向的位移和速度都是零,粒子应该在t=(其中i=0,1,2,3…)时刻从小孔O进入MN板间电场.为了保证粒子不撞到极板上,应满足 ‎2×a()2< 解得U< 粒子在MN板间电场中运动的时间Δt= 且应满足Δt=kT1(k=1,2,3…)‎ 则有v== m/s(k=1,2,3…)‎ 故在3.5×106 m/s≤v≤1.2×107 m/s范围内,只有107 m/s和5×106 m/s两种速率的粒子能从小孔O1射出电场 ‎(3)设粒子在磁场中做圆周运动的半径为r,则 qvB0=m 解得r= 根据题意可知,粒子轨迹如图,粒子在磁场中运动的周期 T= 则T= 粒子在磁场中运动时间应满足 t=2(n+)T+T(n=0,1,2,3…)‎ 解得t=(2n+)(n=0,1,2,3…)‎ ‎(2017·如东高级中学等四校联考)如图5所示,在直角坐标系xOy的第三、四象限区域内存在两个有界匀强磁场,匀强磁场Ⅰ分布在x轴和MN之间,方向垂直纸面向外,PQ边界下方分布足够大、垂直纸面向里的匀强磁场Ⅱ,MN、PQ均与x轴平行,C、D分别为磁场边界MN、PQ和y轴的交点,且OC=CD=L.在第二象限存在沿x轴正向的匀强电场.一质量为m、带电荷量为+q的带电粒子从电场中坐标为(-L,2L)的A点以速度v0沿y轴负方向射出,恰好经过原点O处射入磁场区域Ⅰ(粒子的重力忽略不计).‎ 图5‎ ‎(1)求第二象限匀强电场场强E的大小;‎ ‎(2)要使粒子不能进入磁场区域Ⅱ,则区域Ⅰ内磁场的磁感应强度B1大小是多少;‎ ‎(3)若粒子恰从C点射出磁场区域Ⅰ,然后经过磁场Ⅱ能再次回到原点O,问磁场区域Ⅱ的磁感应强度B2大小为多少?‎ 答案 (1) (2)B1≥ (3) 解析 (1)带电粒子在匀强电场中做类平抛运动,则有 水平方向:L=at2,‎ 竖直方向:2L=v0t 根据牛顿第二定律:F=qE=ma,‎ 联立解得:E=.‎ ‎(2)设粒子运动到原点时水平分速度为:‎ vx=at=·=v0,‎ 则粒子进入磁场时合速度大小为v=v0,方向与y轴负方向成45°.‎ 粒子进入区域Ⅰ做匀速圆周运动,如图甲所示 甲 由几何知识可得粒子做圆周运动的半径为:‎ r1+r1cos 45°=L,‎ 由洛伦兹力充当向心力,则有:B1qv=m,‎ 以上联立解得:B1=,‎ 故粒子不能进入磁场区域Ⅱ必须满足:‎ B1≥.‎ ‎(3)粒子运动轨迹如图乙所示,由几何知识可得粒子在区域Ⅱ中做圆周运动的半径为:‎ 乙 r2=L,‎ 由洛伦兹力充当向心力,则有:B2qv=m,联立解得:‎ B2=.‎ ‎1.(2017·南京市、淮安市5月模拟)如图1所示,半径为r的圆形匀强磁场区域Ⅰ与x轴相切于坐标系的原点O,磁感应强度为B1,方向垂直于纸面向外,磁场区域Ⅰ右侧有一长方体加速管,加速管底面宽度为2r,轴线与x轴平行且过磁场区域Ⅰ的圆心,左侧的电势比右侧高U.在加速管出口下侧距离2r处放置一宽度为2r的荧光屏,加速管右侧存在方向垂直于纸面向外的匀强磁场区域Ⅱ,在O点处有一个粒子源,能沿纸面向y>0的各个方向均匀地发射大量质量为m、带电荷量为q且速率相同的粒子,其中沿y轴正方向射入磁场的粒子,恰能沿轴线进入长方形加速管并打在荧光屏的中心位置.(不计粒子重力及其相互作用)‎ 图1‎ ‎(1)求粒子刚进入加速管时的速度大小;‎ ‎(2)求磁场区域Ⅱ的磁感应强度大小B2;‎ ‎(3)若进入加速管的粒子数目为N,则磁场Ⅱ的磁感应强度B2减小10%时,有多少粒子能打在荧光屏上.‎ 答案 (1) (2)  (3)N 解析 (1)沿y轴正方向射入磁场的粒子,恰能沿轴线进入长方形加速管并打在荧光屏的中心位置,则磁场区域Ⅰ内粒子运动轨迹半径为r,由牛顿第二定律有 qvB1=m,解得v= ‎(2)从粒子源均匀发射的所有粒子,经磁场区域Ⅰ后,其速度方向均与x轴平行,如图所示,因为粒子运动的圆轨迹和磁场的圆形边界的交点O、C以及两圆的圆心O1、O2组成的四边形为菱形,所以CO2和y轴平行,故射出时的v和x轴平行.‎ 所有进入磁场区域Ⅱ的粒子,其轨迹半径均为2r,则 ‎2r=(其中v′为粒子经加速管后的速度大小)‎ 根据动能定理可得qU=mv′2-mv2‎ 联立解得B2= ‎(3)磁场Ⅱ的磁感应强度B2减小10%时 r′===,则2r′-2×2r= 即有长度为r的屏上不会有粒子,所以打在屏上的粒子数为n=N=N ‎2.(2017·扬州市5月考前调研)北京正负电子对撞机是国际上唯一高亮度对撞机,它主要由直线加速器、电子分离器、环形储存器和对撞测量区组成,其简化原理如图2所示:MN和PQ为足够长的水平边界,竖直边界EF将整个区域分成左右两部分,Ⅰ区域的磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度为B,Ⅱ区域的磁场方向垂直纸面向外.调节Ⅱ区域的磁感应强度的大小可以使正、负电子在测量区内不同位置进行对撞.经加速和积累后的电子束以相同速率分别从注入口C和D同时入射,入射方向平行EF且垂直磁场.已知注入口C、D到EF的距离均为d,边界MN和PQ的间距为8d,正、负电子的质量均为m,所带电荷量分别为+e和-e.‎ 图2‎ ‎(1)试判断从注入口C入射的是哪一种电子?忽略电子进入加速器的初速度,电子经加速器加速后速度为v0,求直线加速器的加速电压U;‎ ‎(2)若将Ⅱ区域的磁感应强度大小调为B,正、负电子以v1=的速率同时射入,则正、负电子经多长时间相撞?‎ ‎(3)若将Ⅱ区域的磁感应强度大小调为,正、负电子仍以v1=的速率射入,但负电子射入时刻滞后于正电子Δt=,求正、负电子相撞的位置坐标.‎ 答案 (1)正电子  (2) (3)(d,d)‎ 解析 (1)由左手定则判断,从C入射的为正电子,由动能定理 eU=mv02,‎ 解得:U= ‎(2)电子射入后的轨迹如图甲所示 电子在Ⅰ、Ⅱ区域中运动时半径相同,设为r,‎ 由eBv1=m,解得:r=d T= 对撞时间:t=T= ‎(3)电子射入后的轨迹如图乙所示 电子在Ⅰ区域中运动时半径r1=d,T1= 电子在Ⅱ区域中运动时半径r2=3d,T2=,Δt== 由几何关系θ=30°,x=r2cos θ=d,y=4d-r2sin θ=d 正、负电子相撞的位置坐标为(d,d)‎ ‎3.(2018·盐城中学模拟)在如图3甲所示的xOy平面内,y轴右侧空间有分布均匀、大小随时间周期性变化的电场和磁场,其变化规律分别如图乙、丙所示,电场强度大小为E0、方向沿y轴负方向;垂直xOy平面向里为磁场的正方向.在t=0时刻,质量为m、电荷量为+q的粒子,以初速度v0从坐标原点O沿x轴正方向出发.已知粒子在磁场中做圆周运动的周期为t0,不计粒子重力,求粒子在:‎ 图3‎ ‎(1)t=t0时的动能;‎ ‎(2)3t0~4t0时间内运动位移的大小;‎ ‎(3)t=2nt0(n=1,2,3……)时的位置坐标.‎ 答案 见解析 解析 (1)带电粒子在偏转电场中y1=·t02‎ 根据动能定理qE0y1=Ek1-mv02‎ 解得Ek1=mv02+ ‎(2)粒子在3t0~4t0时间内是第二次在磁场内做匀速圆周运动,其速度大小是粒子在电场中运动2t0时的瞬时速度的大小v2= Bqv2=m,T=t0= 解得R2=  x=4R2=  ‎(3)在t=2nt0(n=1,2,3……)时,粒子在所有电场中的运动合起来可以看成一个完整的类平抛运动,所以粒子在电场中的位移:x电=v0·nt0‎ y电=··(nt0)2‎ 粒子在磁场中的运动,由几何关系可得(2n-1)t0~2nt0时间内的位移:x磁n=4Rnsin θn,y磁n=4Rncos θn Rn= sin θn= vny=·nt0‎ cos θn= x磁n= y磁n= 则粒子在2nt0时位置坐标为:‎ x=x电+x磁=v0nt0+t02 (n=1,2,3……)‎ y=y磁-y电=-(n=1,2,3……)‎ 即为[v0nt0+t02,-](n=1,2,3……)‎ ‎4.(2017·苏锡常镇四市调研)如图4所示,A1、A2为两块面积很大、相互平行的金属板,两板间距离为d,以A1板的中点为坐标原点,水平向右和竖直向下分别建立x轴和y轴,在坐标为(0,d)的P处有一粒子源,可在坐标平面内向各个方向不断发射同种带电粒子,这些带电粒子的速度大小均为v0,质量为m,带电荷量为+q,重力忽略不计,不考虑粒子打到板上的反弹,且忽略带电粒子对金属板上电荷分布的影响.‎ 图4‎ ‎(1)若只在A1、A2板间加上恒定电压U0,且A1板电势低于A2板,求粒子打到A1板上的速度大小;‎ ‎(2)若只在A1、A2板间加上一方向垂直于纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B,且B<,求A1板上有粒子打到的区域范围(用x轴坐标值表示);‎ ‎(3)在第(2)小题前提下,若在A1、A2板间再加一电压,使初速度垂直指向A1板的粒子打不到A1板,试确定A1、A2板电势的高低以及电压的大小.‎ 答案 见解析 解析 (1)粒子运动到A1板,电场力做正功 q=mv2-mv02,得v= ‎(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动有qv0B=m,得R=> 向右偏转打到A1板最远为轨迹恰好与A1板相切的粒子(如图甲所示)‎ 由几何关系知x右2+(R-)2=R2‎ 可得x右= 向左偏转打到A1板最远处对应有两种情况,易知O2M=,O2N= 情形一:若R<,即B>时,最远处轨道对应为x左,PQ为直径,由几何关系知()2+x左2=(2R)2‎ 得x左= 所以,当B>时,A1板上有粒子打到的范围x轴坐标是:‎ ‎- ~ 情形二:若R>,即B<时,最远处为轨道与A2相切的粒子打在A1的落点,如图乙所示 显然仍有x右 =x1= 又(R-d)2+x22=R2‎ 或(d-R)2+x22=R2‎ 得x2= 则x左=x1+x2= + 所以,当B<时A1板上有粒子打到的范围x轴坐标是:-( + )~ ‎(3)要使粒子不再打到A1板,应使粒子做曲线运动的曲率半径减小,即使速度v减小,所以应加电场方向向下,即A1板电势高于A2板;‎ 恰好不打到A1板,即到达A1板时速度方向与板平行,设此时速度为v,‎ ‎-q=mv2-mv02‎ 对于此时曲线轨迹上任一点在x方向上有== 分别对y方向的位移和x方向的速度累加得:v= 得U=-
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