高考物理一轮复习讲义 第八章 磁场 第3讲 带电粒子在复合场中的运动及应用实例 教科版

第3讲 带电粒子在复合场中的运动及应用实例一、复合场复合场是指电场、磁场和重力场并存，或其中某两场并存．从场的复合形式上一般可分为如下两种情况： 1．组合场 2．叠加场二、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，将处于静止状态或匀速直线运动状态． 2．匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，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匀速圆周运动．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，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．4．分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成．三、电场、磁场分区域应用实例 1．质谱仪(1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成． (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12mv 2＝qU 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qvB ＝m v 2r②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．r ＝1B2mUq ，m ＝qr 2B 22U ，q m ＝2U B 2r2.2．回旋加速器(1)构造：如图所示，D 1、D 2是半圆金属盒，D 形盒的缝隙处接交流电源．D 形盒处于匀强磁场中． (2)原理①在电场中加速：qU ＝12m(v 2n －v 2n －1)＝ΔE k .②在磁场中旋转：qvB ＝m v 2R，得R ＝mv qB. ③回旋加速条件：高频电源的周期T 电场与带电粒子在D 形盒中运动的周期T 回旋相同，即T 电场＝T 回旋＝2πmqB.④最大动能的计算：由R ＝mv qB ＝2mEk qB 知，被加速粒子的最大动能为E k ＝q 2B 2R 22m，由此可知，在带电粒子质量、电荷量被确定的情况下，粒子所获得的最大动能只与回旋加速器的半径R 和磁感应强度B 有关，与加速电压无关．四、带电粒子在叠加场中运动的实例分析 1．速度选择器(如图)(1)平行板间电场强度E 和磁感应强度B 互相垂直．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．(2)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 ＝EB . 2．磁流体发电机(1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能． (2)根据左手定则，如图中的B 板是发电机正极．(3)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 ＝Bdv .3．电磁流量计(1)如图所示，一圆形导管直径为d ，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体流过导管；(2)原理：导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a 、b 间出现电势差，形成电场．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a 、b 间的电势差就保持稳定．由Bqv ＝Eq ＝Ud q ，可得v ＝U Bd，液体流量Q ＝S v ＝πd 24·U Bd ＝πdU4B.1.如图所示，匀强电场方向竖直向上，匀强磁场方向水平指向纸外，有一电子(不计重力)，恰能沿直线从左向右飞越此区域，若电子以相同的速率从右向左水平飞入该区域，则电子将( )A ．沿直线飞越此区域B ．向上偏转C ．向下偏转D ．向纸外偏转 答案： C2.(2012·海南单科)如图，在两水平极板间存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向下，磁场方向垂直于纸面向里．一带电粒子以某一速度沿水平直线通过两极板．若不计重力．下列四个物理量中哪一个改变时，粒子运动轨迹不会改变( )A ．粒子速度的大小B ．粒子所带的电荷量C ．电场强度D ．磁感应强度解析： 粒子以某一速度沿水平直线通过两极板，其受力平衡有Eq ＝Bqv ，则知当粒子所带的电荷量改变时，粒子所受的合力仍为0，运动轨迹不会改变，故B 项正确．答案： B3．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示．这台加速器由两个铜质D 形盒D 1、D 2构成，其间留有空隙．下列说法正确的是( )A ．离子由加速器的中心附近进入加速器B ．离子由加速器的边缘进入加速器C ．离子从磁场中获得能量D ．离子从电场中获得能量解析： 本题源于课本而又高于课本，既考查考生对回旋加速器的结构及工作原理的掌握情况，又能综合考查磁场和电场对带电粒子的作用规律．由R ＝mv qB知，随着被加速离子的速度增大，离子在磁场中做圆周运动的轨道半径逐渐增大，所以离子必须由加速器中心附近进入加速器，A 项正确，B 项错误；离子在电场中被加速，使动能增加；在磁场中洛伦兹力不做功，离子做匀速圆周运动，动能不改变．磁场的作用是改变离子的速度方向，所以C 项错误，D 项正确．答案： AD4.质量为m 的带电小球在正交的匀强电场、匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道平面在竖直平面内，电场方向竖直向下，磁场方向垂直圆周所在平面向里，如图所示，由此可知( )A ．小球带正电，沿顺时针方向运动B ．小球带负电，沿顺时针方向运动C ．小球带正电，沿逆时针方向运动D ．小球带负电，沿逆时针方向运动解析： 带电小球在重力、电场力以及洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，故应满足qE ＝mg ，且电场力方向向上，故小球带负电．由于洛伦兹力提供向心力，指向圆心，所以小球沿顺时针方向运动，B 正确．答案： B5.1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是( )A ．该束带电粒子带负电B ．速度选择器的P 1极板带正电C ．在B 2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大D ．在B 2磁场中运动半径越大的粒子，比荷q m越小解析： 由粒子在B 2中的运动轨迹可以判断粒子应带正电，A 项错误；在电容器中粒子受到的洛伦兹力方向竖直向上，受到的电场力方向应竖直向下，则P 1极板带正电，B 项正确；在电容器中，根据速度选择器的原理可知v ＝E B 1，在B 2中粒子运动的轨道半径r ＝mE B 1B 2q ，式中B 1、B 2、E 不变，因此，在B 2磁场中运动半径越大的粒子，其m q越大，即比荷q m越小，C 项错误，D 项正确．答案： BD带电粒子在组合场中的运动1．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，这种情况按题目要求处理比较正规，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，要结合运动状态确定是否要考虑重力．2．“电偏转”和“磁偏转”的比较垂直进入磁场(磁偏转) 垂直进入电场(电偏转) 情景图受力F B＝qv0B大小不变，方向总指向圆心，方向变化，F B为变力F E＝qE，F E大小、方向不变，为恒力运动规律匀速圆周运动r＝mv0Bq，T＝2πmBq类平抛运动v x＝v0，v y＝Eqmtx＝v0t，y＝Eq2mt2(2012·新课标全国卷)(18分)如图，一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面(纸面)．在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域，在圆上的b 点离开该区域，离开时速度方向与直线垂直．圆心O 到直线的距离为35R .现将磁场换为平行于纸面且垂直于直线的匀强电场，同一粒子以同样速度沿直线在a 点射入柱形区域，也在b 点离开该区域．若磁感应强度大小为B ，不计重力，求电场强度的大小．规范解答： 粒子在磁场中的轨迹如图所示．设圆周的半径为r ，由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得 qvB ＝mv2r①(2分)式中v 为粒子在a 点的速度．过b 点和O 点作直线的垂线，分别与直线交于c 和d 点．由几何关系知，线段ac 、bc 和过a 、b 两点的圆弧轨迹的两条半径(未画出)围成一正方形．因此ac ＝bc ＝r ②(2分) 设cd ＝x ，由几何关系得 ac ＝45R ＋x ③(2分)bc ＝35R ＋R 2－x 2④(2分)联立②③④式得r ＝75R ⑤(2分)再考虑粒子在电场中的运动．设电场强度的大小为E ，粒子在电场中做类平抛运动．设其加速度大小为a ，由牛顿第二定律和带电粒子在电场中的受力公式得qE ＝ma ⑥(2分)粒子在电场方向和直线方向所走的距离均为r ，由运动学公式得r ＝12at 2⑦(2分) r ＝vt ⑧(2分)式中t 是粒子在电场中运动的时间．联立①⑤⑥⑦⑧式得 E ＝14qRB 25m .⑨(2分)答案： 14qRB25m带电粒子在组合场中的运动问题的分析方法(1)带电粒子依次通过不同场区时，因其受力情况随区域而变化，故其运动规律在不同区域也有所不同． (2)(3)联系不同阶段的运动的物理量是速度，因此带电粒子在两场分界点上的速度是解决问题的关键．1－1：如图所示，一个质量为m 、电荷量为q 的正离子，在D 处沿图示方向以一定的速度射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里．结果离子正好从距A 点为d 的小孔C 沿垂直于电场方向进入匀强电场，此电场方向与AC 平行且向上，最后离子打在G 处，而G 处距A 点2d (AG ⊥AC )．不计离子重力，离子运动轨迹在纸面内．求：(1)此离子在磁场中做圆周运动的半径r ； (2)离子从D 处运动到G 处所需时间； (3)离子到达G 处时的动能． 解析： (1)正离子轨迹如图所示． 圆周运动半径r 满足：d ＝r ＋r cos 60°解得r ＝23d .(2)设离子在磁场中的运动速度为v 0，则有：qv 0B ＝m v 20rT ＝2πr v 0＝2πmqB在磁场中做圆周运动的时间为：t 1＝13T ＝2πm3Bq离子从C 到G 的时间为：t 2＝2dv 0＝3mBq离子从D →C →G 的总时间为：t ＝t 1＋t 2＝9＋2πm3Bq.(3)设电场强度为E ，则有：qE ＝ma d ＝12at 22由动能定理得：qEd ＝E kG －12mv 20解得E kG ＝4B 2q 2d29m .答案： (1)23d (2)9＋2πm3Bq(3) 4B 2q 2d 29m带电粒子在叠加场中的运动(2012·重庆理综)有人设计了一种带电颗粒的速率分选装置，其原理如图所示．两带电金属板间有匀强电场，方向竖直向上，其中PQ N M 矩形区域内还有方向垂直纸面向外的匀强磁场．一束比荷(电荷量与质量之比)均为1k的带正电颗粒，以不同的速率沿着磁场区域的水平中心线O ′O 进入两金属板之间．其中速率为v 0的颗粒刚好从Q 点处离开磁场，然后做匀速直线运动到达收集板．重力加速度为g ，PQ ＝3d ，N Q ＝2d ，收集板与N Q 的距离为l ，不计颗粒间相互作用．求：(1)电场强度E 的大小； (2)磁感应强度B 的大小；(3)速率为λv 0(λ＞1)的颗粒打在收集板上的位置到O 点的距离． 解析： (1)设带电颗粒的电荷量为q ，质量为m .有Eq ＝mg将q m ＝1k代入，得E ＝kg . (2)如图甲所示，有qv 0B ＝mv 20RR 2＝(3d )2＋(R －d )2得B ＝kv 05d.(3)如图乙所示，有qλv0B＝m λv02 R1tan θ＝3dR21－3d2y1＝R1－R21－3d2 y2＝l tan θy＝y1＋y2得y＝d(5λ－25λ2－9)＋3l25λ2－9.答案：见解析1．带电粒子在复合场中运动的分析思路2．带电粒子(体)在复合场中的运动问题求解要点(1)受力分析是基础．在受力分析时是否考虑重力必须注意题目条件．(2)运动过程分析是关键．在运动过程分析中应注意物体做直线运动，曲线运动及圆周运动、类平抛运动的条件．(3)构建物理模型是难点．根据不同的运动过程及物理模型选择合适的物理规律列方程求解．2－1：如图所示，光滑四分之一圆弧轨道位于竖直平面内，半径R＝0.8 m，与长l＝2.0 m的绝缘水平面CD平滑连接．水平面右侧空间存在互相垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度E＝20 N C，方向竖直向上，磁场的磁感应强度B＝1.0 T，方向垂直纸面向外．将质量为m＝2.0×10－6 kg、带电荷量为q＝1.0×10－6C 的带正电小球a 从圆弧轨道顶端由静止释放，最后落在地面上的P 点．已知小球a 在水平面CD 上运动时所受的摩擦阻力F ＝0.1mg ，P N ＝3N D (g ＝10 ms 2)．求：(1)小球a 运动到D 点时速度的大小； (2)水平面CD 离地面的高度h ；(3)从小球a 开始释放到落地前瞬间的整个运动过程中系统损失的机械能ΔE .解析： (1)设小球a 到D 点时的速度为v D ，从小球a 释放至D 点，根据动能定理mgR －Fl ＝12mv 2D解得v D ＝23ms.(2)小球a 进入复合场后，由计算可知Eq ＝mg小球在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动轨迹如图所示，洛伦兹力提供向心力Bv D q ＝m v 2Dr由图可知r ＝2h ，解得h ＝2 3 m.(3)系统损失的机械能ΔE ＝mg (R ＋ θ＝ma ， 第一秒末的速度为：v 1＝at 1， 解得v 1＝2g sin θ. 第二秒内：qE 0＝mg ，所以小球将离开斜面在上方做匀速圆周运动，则圆周运动的周期T ＝2πmqB＝1 s. 小球在第2 s 末回到第1 s 末的位置，所以小球前2 s 内位移为：x 2＝12at 21＝g sin θ.由图所示可知，小球在奇数秒内沿斜面做匀加速运动，在偶数秒内离开斜面做完整的圆周运动． 所以，第5秒末的速度为：v 5＝a (t 1＋t 3＋t 5)＝6g sin θ， 由qvB ＝mv 2R 得小球第6 s 内做圆周运动的半径为：R 3＝3g sin θπ.小球离开斜面的最大距离为：d ＝2R 3＝6g sin θπ. (2)第19秒末的速度：v 19＝a (t 1＋t 3＋t 5＋t 7＋…＋t 19)＝20g sin θ小球未离开斜面的条件是：qv 19B ≤(mg ＋qE 0)cos θ所以tan θ≤120π. 答案： (1) 6g sin θπ (2) tan θ≤120π1.有一带电荷量为＋q、重为G的小球，从竖直的带电平行板上方h处自由落下，两极板间匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示，则带电小球通过有电场和磁场的空间时( )A．一定做曲线运动B．不可能做曲线运动C．有可能做匀速运动D．有可能做匀加速直线运动解析：带电小球在重力场、电场和磁场中运动，所受重力、电场力是恒力，但受到的洛伦兹力是随速度的变化而变化的变力，因此小球不可能处于平衡状态，也不可能在电、磁场中做匀变速运动．答案： A2.(2013·南京模拟)如图所示，从S处发出的热电子经加速电压U加速后垂直进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，发现电子流向上极板偏转．设两极板间电场强度为E，磁感应强度为B，欲使电子沿直线从电场和磁场区域通过，只采取下列措施，其中可行的是( )A．适当减小电场强度EB．适当减小磁感应强度BC．适当增大加速电场极板之间的距离D．适当减小加速电压U解析：欲使电子沿直线从电场和磁场区域通过，则qE＝qvB，而电子流向上极板偏转，则qE＞qvB，故应减小E或增大B、v.故A正确．B、D、D错误．答案： A3.如图所示，竖直放置的平行金属板M、N带有等量异种电荷，M板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间只受场力作用，下述哪些运动是可能的( )A．沿路径①水平向左做匀减速运动B．沿路径②水平向右做匀加速运动C．沿路径③竖直向上做匀速运动D．沿路径④斜向右上做匀速运动解析：带电液滴在两板之间运动时始终受到重力、电场力、洛伦兹力三个力作用，且重力方向始终竖直向下，电场力方向始终水平向右．若液滴沿路径①水平向左运动时，液滴受到的重力、洛伦兹力的方向都是竖直向下，合力不为零，A错；若液滴沿路径②水平向右加速运动时，洛伦兹力逐渐增大，B错；若液滴沿路径③运动，洛伦兹力与电场力抵消，重力做功，C错：若液滴沿路径④斜向右上运动，重力、电场力、洛伦兹力三个力的合力可能为零，D对．答案： D4．(2013·石家庄教学检测)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示．置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响．则下列说法正确的是( )A ．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRfB ．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U 成正比C ．质子第2次和第1次经过两D 形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1D ．不改变磁感应强度B 和交流电频率f ，该回旋加速器也能用于α粒子加速解析： 粒子被加速后的最大速度受到D 形盒半径R 的制约，因v ＝2πR T＝2πRf ，A 正确；粒子离开回旋加速器的最大动能E k m ＝12mv 2＝12m×4π2R 2f 2＝2mπ2R 2f 2，与加速电压U 无关，B 错误；根据R ＝mv Bq ，Uq ＝12mv 21，2Uq ＝12mv 22，得质子第2次和第1次经过两D 形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1，C 正确；因回旋加速器的最大动能E km ＝2mπ2R 2f 2与m 、R 、f 均有关，D 错误．答案： AC5．如图所示，带电粒子以某一初速度进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B 的有界匀强磁场，粒子垂直进入磁场时的速度与水平方向成θ＝60°角，接着垂直进入电场强度大小为E ，水平宽度为L 、方向竖直向上的匀强电场，粒子穿出电场时速度大小变为原来的2倍．已知带电粒子的质量为m 、电荷量为q ，重力不计．(1)分析判断粒子的电性．(2)求带电粒子在磁场中运动时速度v .(3)求磁场的水平宽度d .解析： (1)根据粒子在磁场中向下偏转的情况和左手定则可知，粒子带负电．(2)由于洛伦兹力对粒子不做功，故粒子以原来的速率进入电场中，设带电粒子进入电场的初速度为v 0，在电场中偏转时做类平抛运动，如图所示．由题意知粒子离开电场时的末速度大小为v ＝2v 0，将v t 分解为平行于电场方向和垂直于电场方向的两个分速度：由几何关系知 v y ＝v 0①由运动学公式：v y ＝at ②L ＝v 0t ③根据牛顿第二定律：a ＝F m ＝qE m ④联立①②③④求解得：v 0＝qEL m⑤ (3)如图所示，带电粒子在磁场中所受洛伦兹力作为向心力，设在磁场中做圆周运动的半径为R ，则：qv 0B ＝m v 20R⑥ 由几何知识可得：d ＝R sin θ⑦⑤⑥⑦联立解得：d ＝1B mEL qsin θ. 答案： (1)负电 (2)qEL m (3)1B mEL qsin θ。