第4课时带电粒子在复合场中的运动

东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日1课题:带电粒子在复合场中的运动专题训练姓名:班级:编号8.5学习目标：知道带电粒子在复合场中的运动类别和运动规律，了解电偏转和磁偏转的区别能对带电粒子在复合场中运动问题进行分析并解决相关的问题重点：带电粒子在复合场中运动问题进行分析自主学习：一、什么是复合场。二、带电粒子在复合场中的运动分类1.静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时,将处于状态或做.2.匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小,方向时,带电粒子在洛伦兹力的作用下,在垂直于匀强磁场的平面内做运动.3.较复杂的曲线运动当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化,且与初速度方向不在同一条直线上,粒子做变速曲线运动,这时粒子运动轨迹既不是圆弧,也不是抛物线.三、带电粒子在复合场中运动的分析1、带电粒子在复合场中无约束情况下的运动(1)、磁场力、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，则带电体将做复杂曲线运动,因F洛不做功，故机械能守恒,由此可求解问题.(2)、电场力、磁场力并存(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，则带电体做复杂曲线运动,因F洛不做功，可用动能定理求解问题.(3)、电场力、磁场力、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，做复杂的曲线运动,因F洛不做功，可用能量守恒或动能定理求解问题.2、带电粒子在复合场中有约束情况下的运动带电体在复合场中受轻杆、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,用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果.3、带电粒子在复合场中运动的临界值问题由于带电粒子在复合场中受力情况复杂、运动情况多变,往往出现临界问题,这时应以题目中的“最大”、“最高”、“至少”等词语为突破口,挖掘隐含条件,根据临界条件列出辅助方程,再与其他东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日2方程联立求解.特别提示：带电粒子在复合场中运动的问题,往往综合性较强、物理过程复杂.在分析处理该部分的问题时,要充分挖掘题目的隐含信息,利用题目创设的情景,对粒子做好受力分析、运动过程分析,培养空间想象能力、分析综合能力、应用数学知识处理物理问题的能力.四、带电粒子在复合场中运动问题分析步骤1.弄清复合场的组成,一般有磁场、电场的复合;磁场、重力场的复合;磁场、电场、重力场三者的复合.2.正确受力分析,除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析.3.确定带电粒子的运动状态,注意运动情况和受力情况的结合.4.对于粒子连续通过几个不同情况场的问题,要分阶段进行处理.转折点的速度往往成为解题的突破口.5.画出粒子运动轨迹,灵活选择不同的运动规律.(1)当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时,根据受力平衡列方程求解.(2)当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时,应用牛顿定律结合圆周运动规律求解.(3)当带电粒子做复杂曲线运动时,一般用动能定理或能量守恒定律求解.(4)对于临界问题,注意挖掘隐含条件.特别提示:复合场中粒子重力是否考虑的三种情况(1)、对于微观粒子，如电子、质子、离子等,因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略；而对于一些实际物体,如带电小球、液滴、金属块等一般应当考虑其重力。(2)、在题目中有明确说明是否要考虑重力的,这种情况比较正规,也比较简单.(3)、不能直接判断是否要考虑重力的，在进行受力分析与运动分析时，要由分析结果确定是否要考虑重力.五、题型探究题型1带电粒子在分区域场中的运动【例1】如图所示,匀强电场区域和匀强磁场区域紧邻且宽度相等均为d,电场方向在纸平面内竖直向下,而磁场方向垂直纸面向里.一带正电粒子从O点以速度v0沿垂直电场方向进入电场,从A点出电场进入磁场,离开电场时带电粒子在电场方向的偏转位移为电场宽度的一半,当粒子从磁场右边界上C点穿出磁场时速度方向与进入电场O点时的速度方向一致,d、v0已知(带电粒子重力不计),求:(1)粒子从C点穿出磁场时的速度.(2)电场强度和磁感应强度的比值.东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日3（变式练习1）如图所示,空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场.左侧匀强电场的场强大小为E、方向水平向右,电场宽度为L;中间区域匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外;右侧区域为垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度也为B.一个质量为m、电荷量为q、不计重力的带正电的粒子从电场的左边缘的O点由静止开始运动,穿过中间磁场区域进入右侧磁场区域后,又回到O点,然后重复上述运动过程.求：(1)中间磁场区域的宽度d.(2)带电粒子从O点开始运动到第一次回到O点所用时间t.题型2带电粒子在复合场中的运动【例2】如图所示,在水平地面上方有一范围足够大的互相正交的匀强电场和匀强磁场区域.磁场的磁感应强度为B,方向水平并垂直纸面向里.一质量为m、带电荷量为q的带正电微粒在此区域内沿竖直平面(垂直于磁场方向的平面)做速度大小为v的匀速圆周运动,重力加速度为g.(1)、求此区域内电场强度的大小和方向.(2)、若某时刻微粒在场中运动到P点时,速度与水平方向的夹角为60°,且已知P点与水平地面间的距离等于其做圆周运动的半径.求该微粒运动到最高点时与水平地面间的距离.(3)、当带电微粒运动至最高点时,将电场强度的大小变为原来的(方向不变,且不计电场变化对原磁场的影响),且带电微粒能落至地面,求带电微粒落至地面时的速度大小.（变式练习2）如图所示,空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向为y轴正方向,磁场方向垂直于xOy平面(纸面)向外,电场和磁场都可以随意加上或撤除,重新加上的电场或磁场与撤除前的一样.一带正电荷的粒子从P(x=0,y=h)点以一定的速度平行于x轴正向入射.这时若只有磁场,粒子将做半径为R0的圆周运动;若同时存在电场和磁场,粒子恰好做直线运动.现在,只加电场,当粒子从P点运动到x=R0平面(图中虚线所示)时,立即撤除电场同时加上磁场,粒子继续运动,其轨迹与x轴交于M点.不计重力.求：(1)粒子到达x=R0平面时速度方向与x轴的夹角以及粒子到x轴的距离.(2)M点的横坐标xM.东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日4六、巩固练习1.有一个带电量为+q、重为G的小球,从两竖直的带电平行板上方h处自由落下，两极板间另有匀强磁场，磁感应强度为B，方向如图所示,则带电小球通过有电场和磁场的空间时，下列说法错误的是（）A.一定作曲线运动B.不可能做曲线运动C.有可能做匀加速运动D.有可能做匀速运动2.空间存在一匀强磁场B，其方向垂直纸面向里，另有一个点电荷+Q的电场，如图所示,一带电粒子q以初速度v0从某处垂直电场、磁场入射,初位置到点电荷的距离为r,则粒子在电、磁场中的运动轨迹可能为：（）A.以+Q为圆心,r为半径的纸面内的圆周B.沿初速度v0方向的直线C.开始阶段在纸面内向左偏的曲线D.开始阶段在纸面内向右偏的曲线3、在如图所示的匀强电场和匀强磁场共存的区域内(不计重力)，电子可能沿水平方向向右做直线运动的是：()4.如图，空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场.一带电粒子在电场力和洛伦兹力共同作用下,从静止开始自A点沿曲线ACB运动,到达B点时速度为零,C为运动的最低点,不计重力,则：()A.该粒子必带正电荷B.A、B两点位于同一高度C.粒子到达C时的速度最大D.粒子到达B点后,将沿原曲线返回A点5.如图16所示,空间内存在着方向竖直向下的匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B.一个质量为m的带电液滴,在竖直平面内做圆周运动,下列说法不正确的是：（）A.液滴在运动过程中速率不变B.液滴所带电荷一定为负电荷,电荷量大小为mg/EC.液滴一定沿顺时针方向运动D.液滴可以沿逆时针方向运动,也可以沿顺时针方向运动东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日5课题:带电粒子在复合场中的运动应用实例姓名:班级:编号8.6学习目标：理解六种基本仪器的原理和应用。重点与难点：理解六种基本仪器的原理和应用，自主学习：一、电场磁场分区域应用实例1、质谱仪(1)构造:如图1所示,由粒子源、、和照相底片等构成.(2)原理:粒子由静止被加速电场加速,根据动能定理可得关系式①粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转,做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律得关系式②由①②两式可得出需要研究的物理量,如粒子轨道半径、粒子质量、比荷.=、m=,r=.2、回旋加速器(1)、构造:如图2所示,D1、D2是半圆金属盒,D形盒的缝隙处接电源.D形盒处于匀强磁场中.(2)、原理:交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等,粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙,两盒间的电势差一次一次地反向,粒子就会被一次一次地加速.由qvB=，得Ekm=，可见粒子获得的最大动能由和D形盒决定，与加速电压无关.二、电场磁场同区域并存应用实例3、速度选择器如图3所示,平行板中电场强度E的方向和磁感应强度B的方向互相,这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器.带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器的条件是qE=qvB,即v=.4、磁流体发电机根据左手定则,如图4中的B板是发电机的正极.磁流体发电机两极板间的距离为d,等离子体速度为v,磁场磁感应强度为B,则两极板间能达到的最大电势差U=.5、电磁流量计工作原理:如图5所示,圆形导管直径为d,用制成,导电液体在管中向左流动,导电液体中的自由电荷(正、负离子),在洛伦兹力的作用下横向偏转,a、b间出现电势差,形成电场,当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时,a、b间的电势差就保持稳定,即qvB=qE=q，mqdUBE东宁一中高三物理导学案编制人：田秀娟审核人：张衍知编制日期：2011年11月3日6所以v=，因此液体流量Q=Sv=。6、霍尔效应：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体,当与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了、这个现象称为霍尔效应.所产生的电势差称为霍尔电势差,其原理如图6所示.三、磁偏转与电偏转的区别（电视机与示波器）磁偏转电偏转受力特征v垂直B时,FB=qvB,v不垂直于B时,FB=qvBsinα,FB为变力,只改变v方向无论v是否与E垂直,FE=qE,FE为恒力运动规律圆周运动T=,R=类平抛运动vx=v0,vy=x=v0t,y=偏转情况若没有磁场边界,粒子所能偏转的角度不受限制因做类平抛运动,在相等的时间内偏转的角度往往不等动能变化动能不变动能不断增大且增大得越来越快四、巩固练习1、如图9-4-2所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E（方向竖直向上）和匀强磁场B（方向垂直于纸面向外）中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场?A．增大电场强度E，减小磁感强度BB．减小加速电压U，增大电场强度EC．适当地加大加速电压UD．适当地减小电场强度E2、（09年广东物理12）图9-4-5是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是（）A．质谱仪是分析同位素的重要工具B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小4π2dBdUBdU4πqBmπ2qBmmqEtmqEt229-4-29-4-5东宁一中高三物理导学案