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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

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歡迎進(jìn)入物理課堂 一 復(fù)合場(chǎng)1 定義 復(fù)合場(chǎng)是指 并存 或其中某兩場(chǎng)并存 電場(chǎng) 磁場(chǎng) 重力場(chǎng) 2 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分類 1 靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中所受合外力為零時(shí) 將處于狀態(tài)或做 靜止 勻速直線運(yùn)動(dòng) 2 勻速圓周運(yùn)動(dòng)當(dāng)帶電粒子所受的重力與電場(chǎng)力大小 方向時(shí) 帶電粒子在洛倫茲力的作用下 在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的平面內(nèi)做運(yùn)動(dòng) 3 較復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)當(dāng)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(yùn)動(dòng) 這時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)帶電粒子可能依次通過(guò)幾個(gè)情況不同的復(fù)合場(chǎng)區(qū)域 其運(yùn)動(dòng)情況隨區(qū)域發(fā)生變化 其運(yùn)動(dòng)過(guò)程由幾種不同的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中的兩個(gè)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(gè)D形金屬盒 勻強(qiáng)磁場(chǎng) 高頻電源 粒子引出裝置 相同 3 磁流體發(fā)電機(jī) 1 磁流體發(fā)電是一項(xiàng)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(jī) 3 磁流體發(fā)電機(jī)兩極板間的距離為d 等離子體速度為v 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 則兩極板間能達(dá)到的最大電勢(shì)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(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體 當(dāng)與電流方向垂直時(shí) 導(dǎo)體在與磁場(chǎng) 電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了 這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差 其原理如圖8 3 6所示 磁場(chǎng)方向 電勢(shì)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(chǎng) 也分布有電場(chǎng) 假設(shè)某時(shí)刻在該空間中有一小區(qū)域存在如圖8 3 7所示的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 電場(chǎng)的方向在紙面內(nèi)斜向左下方 磁場(chǎng)的方向垂直于紙面向里 此時(shí)一帶電宇宙粒子 恰以速度v垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)射入該區(qū)域 不計(jì)重力作用 則在該區(qū)域中 有關(guān)該帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況不可能的是 A 仍做直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng) 解析 比較Eq與Bqv 因二者開(kāi)始時(shí)方向相反 當(dāng)二者相等時(shí) A正確 當(dāng)Eq Bqv時(shí) 向電場(chǎng)力方向偏 當(dāng)Eq Bqv時(shí) 向洛倫茲力方向偏 B C正確 有電場(chǎng)力存在 粒子不可能做勻速圓周運(yùn)動(dòng) D錯(cuò) 答案 D 2 在圖8 3 8中虛線所示的區(qū)域存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 取坐標(biāo)如圖所示 一帶電粒子沿x軸正方向進(jìn)入此區(qū)域 在穿過(guò)此區(qū)域的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)方向始終不發(fā)生偏轉(zhuǎn) 不計(jì)重力的影響 電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng) A正確 D錯(cuò)誤 也可能同時(shí)受Eq和Bvq作用 使Eq與Bvq等大反向 可判斷B C錯(cuò)誤 答案 A 3 1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器 其原理如圖8 3 9所示 這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1 D2構(gòu)成 其間留有空隙 下列說(shuō)法正確的是 解析 離子應(yīng)從加速器的中心進(jìn)入加速器 磁場(chǎng)使離子偏轉(zhuǎn) 電場(chǎng)使離子加速 答案 A 離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器 離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器 離子從磁場(chǎng)中獲得能量 離子從電場(chǎng)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(fù)電 兩板之間的電場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng) 場(chǎng)強(qiáng)為E 同時(shí)在兩板之間的空間中加勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里 磁感應(yīng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng) 則v0 E B之間的關(guān)系應(yīng)該是 答案 A 5 為監(jiān)測(cè)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(jì) 該裝置由絕緣材料制成 長(zhǎng) 寬 高分別為a b c 左右兩端開(kāi)口 在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 在前后兩個(gè)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(shí) 電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U 若用Q表示污水流量 單位時(shí)間內(nèi)排出的污水體積 下列說(shuō)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(shì)高B 若污水中負(fù)離子較多 則前表面比后表面電勢(shì)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(wú)關(guān) 答案 D 6 一個(gè)長(zhǎng)方體金屬塊放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(shì)高低是 A M NB M NC M ND 無(wú)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(chǎng)與磁場(chǎng)的邊界 OM與y軸負(fù)方向成45 角 在x 0且OM的左側(cè)空間存在著沿x軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)E 場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)B 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為0 10T 如圖8 3 13所示 不計(jì)重力的帶負(fù)電的微粒 從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿y軸負(fù)方向以v0 2 0 103m s的初速度進(jìn)入磁場(chǎng) 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(guò)磁場(chǎng)邊界點(diǎn)的位置坐標(biāo) 2 帶電微粒在磁場(chǎng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間 3 帶電微粒最終離開(kāi)電 磁場(chǎng)區(qū)域點(diǎn)的位置坐標(biāo) 保留兩位有效數(shù)字 思路點(diǎn)撥 解答本題應(yīng)注意以下三個(gè)方面 1 分析粒子在電場(chǎng) 磁場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2 畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡 3 位置坐標(biāo)與類平拋運(yùn)動(dòng)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(chǎng)加速后 進(jìn)入速度選擇器 速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為B和E 平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2 平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 下列表述錯(cuò)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(chǎng)方向垂直紙面向外C 能通過(guò)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(zhǎng)直平行金屬板a b相距d 0 10m a b間的電場(chǎng)強(qiáng)度為E 5 0 105N C b板下方整個(gè)空間存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 6 0T 方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 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(jì)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(qiáng)電場(chǎng) 剛好從狹縫P處穿過(guò)b板而垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng) 最后粒子回到b板的Q處 圖中未畫出 不計(jì)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(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)方向的平面 做速度大小為v的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 重力加速度為g 思路點(diǎn)撥 根據(jù)帶電微粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律判斷微粒的受力情況 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變化后 微粒做一般曲線運(yùn)動(dòng) 落地速度可用動(dòng)能定理求解 歸納領(lǐng)悟 1 帶電粒子在混合場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 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(chǎng)中做一般曲線運(yùn)動(dòng)時(shí) 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(diǎn)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(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 電場(chǎng)方向水平向右 磁場(chǎng)方向垂直紙面向里 這時(shí)粒子的落地速度大小為v1 若電場(chǎng)不變 只將磁場(chǎng)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(wú)法判定 解析 帶電粒子落下后 受重力 電場(chǎng)力 洛倫茲力的作用 洛倫茲力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向垂直 不做功 重力做功都一樣 但電場(chǎng)力做功有區(qū)別 若磁場(chǎng)方向向里 粒子落下后沿電場(chǎng)力方向移動(dòng)的距離大 電場(chǎng)力做功多 故v1 v2 答案 A 4 一重力不計(jì)的帶電粒子以水平初速度v0 v0 E B 先后穿過(guò)寬度相同且緊鄰在一起的有明顯豎直邊界的勻強(qiáng)電場(chǎng)E和勻強(qiáng)磁場(chǎng)B 如圖8 3 18甲所示 電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)粒子總共做功W1 若把電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(guò)疊加場(chǎng)區(qū) 電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)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(guò)疊加場(chǎng)時(shí)洛倫茲力小于電場(chǎng)力 二力方向相反 所以沿電場(chǎng)方向偏移的距離比第一次僅受電場(chǎng)力時(shí)偏移的距離小 且洛倫茲力不做功 故W1 W2 B項(xiàng)正確 答案 B 5 如圖8 3 19所示 在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)共存的區(qū)域內(nèi) 電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E 方向豎直向下 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)區(qū)內(nèi)的一豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 則可判斷該帶電質(zhì)點(diǎn) 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(cè)量和自動(dòng)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(chǎng)B中 在薄片的兩個(gè)側(cè)面a b間通以電流I時(shí) 另外兩側(cè)c f間產(chǎn)生電勢(shì)差 這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 其原因是薄片中的移動(dòng)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(chǎng)EH 同時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差UH 當(dāng)電荷 1 設(shè)半導(dǎo)體薄片的寬度 c f間距 為l 請(qǐng)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(qǐng)判斷圖甲中c f哪端的電勢(shì)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(qǐng)導(dǎo)出霍爾系數(shù)RH的表達(dá)式 通過(guò)橫截面積S的電流I nevS 其中v是導(dǎo)電電子定向移動(dòng)的平均速率 3 圖乙是霍爾測(cè)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(gè)永磁體 相鄰永磁體的極性相反 霍爾元件置于被測(cè)圓盤的邊緣附近 當(dāng)圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 霍爾元件輸出的電壓脈沖信號(hào)圖象如圖丙所示 若在時(shí)間t內(nèi) 霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P 請(qǐng)導(dǎo)出圓盤轉(zhuǎn)速N的表達(dá)式 思路點(diǎn)撥 解答本題應(yīng)注意以下三個(gè)方面 1 根據(jù)電子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向判斷偏轉(zhuǎn)方向 2 當(dāng)UH穩(wěn)定時(shí) 電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡 3 磁場(chǎng)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(shí)哪個(gè)面電勢(shì)高時(shí) 要根據(jù)元件內(nèi)部真正移動(dòng)的粒子所受洛倫茲力的方向來(lái)確定 不可隨意按照沿電流方向流動(dòng)的正電荷所受洛倫茲力的方向來(lái)判斷 題組突破 6 利用如圖8 3 21所示的方法可以測(cè)得金屬導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)n 現(xiàn)測(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)B 當(dāng)通以圖示方向電流I時(shí) 在導(dǎo)體上 下表面間用電壓表可測(cè)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(chǎng)水平分量B1 0 8 10 4T 豎直分量B2 0 5 10 4T 海水向北流動(dòng) 海洋工作者測(cè)量海水的流速時(shí) 將兩極板插入此海水中 保持兩極板正對(duì)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(shì)高 東側(cè)極板電勢(shì)低B 西側(cè)極板電勢(shì)低 東側(cè)極板電勢(shì)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(cè)定同位素的組成 現(xiàn)有一束一價(jià)的鉀39和鉀41離子經(jīng)電場(chǎng)加速后 沿著與磁場(chǎng)和邊界均垂直的方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 如圖8 3 23所示 測(cè)試時(shí)規(guī)定加速電壓大小為U0 但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加速電壓有較小的波動(dòng) 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(guò)多少 不計(jì)離子的重力 16分 如圖8 3 24甲所示 建立xOy坐標(biāo)系 兩平行極板P Q垂直于y軸且關(guān)于x軸對(duì)稱 極板長(zhǎng)度和板間距均為l 在第一 四象限有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 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(jì)的帶電粒子 在0 3t0時(shí)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(shí)刻進(jìn)入板間電場(chǎng)后 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不同 錯(cuò)誤地認(rèn)為進(jìn)入磁場(chǎng)的速度與第 1 問(wèn)相同 2 粒子進(jìn)入電場(chǎng)后 向上偏轉(zhuǎn)的粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后 運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短 偏轉(zhuǎn)量最大的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短 有的同學(xué)按向下偏轉(zhuǎn)的情況求解最短時(shí)間 點(diǎn)擊下圖進(jìn)入 創(chuàng)新演練 大沖關(guān) 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全