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【步步高】2020年高考物理大一輪 第八章 第3課時(shí) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 新人教版選修3-1

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1、第3課時(shí) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 考點(diǎn)一 帶電粒子在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的臨界與極值問(wèn)題 考點(diǎn)解讀 解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵是:找準(zhǔn)臨界點(diǎn). 找臨界點(diǎn)的方法是: 以題目中的“恰好”“最大”“最高”“至少”等詞語(yǔ)為突破口,借助半徑R和速度v(或磁場(chǎng)B)之間的約束關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡分析,確定軌跡圓和邊界的關(guān)系,找出臨界點(diǎn),然后利用數(shù)學(xué)方法求解極值,常用結(jié)論如下: (1)剛好穿出磁場(chǎng)邊界的條件是帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與邊界相切. (2)當(dāng)速度v一定時(shí),弧長(zhǎng)(或弦長(zhǎng))越長(zhǎng),圓周角越大,則帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng). (3)當(dāng)速率v變化時(shí),圓周角越大,運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng). 典例剖析

2、1.磁感應(yīng)強(qiáng)度的極值問(wèn)題 圖1 例1 如圖1所示,一帶正電的質(zhì)子以速度v0從O點(diǎn)垂直射入,兩個(gè) 板間存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).已知兩板之間距離為d,板長(zhǎng) 為d,O點(diǎn)是板的正中間,為使質(zhì)子能從兩板間射出,試求磁感應(yīng) 強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足的條件(已知質(zhì)子的帶電荷量為e,質(zhì)量為m). 2.偏角的極值問(wèn)題 圖2 例2 在真空中,半徑r=3×10-2 m的圓形區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向 如圖2所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2 T,一個(gè)帶正電的粒子以初速度v0 =1×106 m/s從磁場(chǎng)邊界上直徑ab的一端a射入磁場(chǎng),已知該粒 子的比荷=1×108 C/kg,不計(jì)粒子重力. (1)求粒子在磁場(chǎng)中

3、做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑; (2)若要使粒子飛離磁場(chǎng)時(shí)有最大偏轉(zhuǎn)角,求入射時(shí)v0與ab的夾角θ及粒子的最大偏轉(zhuǎn)角. 3.時(shí)間的極值問(wèn)題 圖3 例3 如圖3所示,M、N為兩塊帶等量異種電荷的平行金屬板, 兩板間電壓可取從零到某一最大值之間的各種數(shù)值.靜止的帶 電粒子帶電荷量為+q,質(zhì)量為m(不計(jì)重力),從點(diǎn)P經(jīng)電場(chǎng)加 速后,從小孔Q進(jìn)入N板右側(cè)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度大 小為B,方向垂直于紙面向外,CD為磁場(chǎng)邊界上的一絕緣 板,它與N板的夾角為θ=45°,孔Q到板的下端C的距離為L(zhǎng), 當(dāng)M、N兩板間電壓取最大值時(shí),粒子恰垂直打在CD板上,求: (1)兩板間電壓的最大值Um;

4、 (2)CD板上可能被粒子打中的區(qū)域的長(zhǎng)度x; (3)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間tm. 4.面積的極值問(wèn)題 圖4 例4 如圖4所示,質(zhì)量為m,電荷量為e的電子從坐標(biāo)原點(diǎn)O處沿 xOy平面射入第一象限內(nèi),射入時(shí)的速度方向不同,但大小均為v0. 現(xiàn)在某一區(qū)域內(nèi)加一方向向外且垂直于xOy平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感 應(yīng)強(qiáng)度大小為B,若這些電子穿過(guò)磁場(chǎng)后都能垂直地射到與y軸平 行的熒光屏MN上,求: (1)電子從y軸穿過(guò)的范圍; (2)熒光屏上光斑的長(zhǎng)度; (3)所加磁場(chǎng)范圍的最小面積. 考點(diǎn)二 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的多解問(wèn)題 考點(diǎn)解讀 帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由于

5、多種因素的影響,使問(wèn)題形成多解,多解形成原因一般包含下述幾個(gè)方面. 1.帶電粒子電性不確定 受洛倫茲力作用的帶電粒子,可能帶正電,也可能帶負(fù)電,當(dāng)粒子具有相同速度時(shí),正、負(fù)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡不同,導(dǎo)致多解. 如圖5所示,帶電粒子以速率v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),若帶正電,其軌跡為a,若帶負(fù)電,其軌跡為b. 2.磁場(chǎng)方向不確定形成多解 磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量,如果題述條件只給出磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,而未說(shuō)明磁感應(yīng)強(qiáng)度方向,則應(yīng)考慮因磁場(chǎng)方向不確定而導(dǎo)致的多解. 如圖6所示,帶正電粒子以速率v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),若B垂直紙面向里,其軌跡為a,若B垂直紙面向外,其軌跡為b.   圖5         圖

6、6 3.臨界狀態(tài)不惟一形成多解 帶電粒子在洛倫茲力作用下飛越有界磁場(chǎng)時(shí),由于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧狀,因此,它可能穿過(guò)去了,也可能轉(zhuǎn)過(guò)180°從入射面邊界反向飛出,如圖7所示,于是形成了多解. 4.運(yùn)動(dòng)的往復(fù)性形成多解 帶電粒子在部分是電場(chǎng),部分是磁場(chǎng)的空間運(yùn)動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)往往具有往復(fù)性,從而形成多解.如圖8所示.   圖7         圖8 典例剖析 1.帶電粒子性質(zhì)的不確定形成多解 圖9 例5 如圖9所示,直線邊界MN上方有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng), 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,磁場(chǎng)區(qū)域足夠大.今有一質(zhì)量為m,帶電荷量為q 的帶電粒子,從邊界MN上某點(diǎn)垂直磁場(chǎng)方向射入,射入時(shí)的速度

7、 大小為v,方向與邊界MN的夾角為θ,求帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間. 2.磁場(chǎng)方向不確定形成多解 例6 某電子以固定的正點(diǎn)電荷為圓心在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng),磁場(chǎng)方向垂直于它的運(yùn)動(dòng)平面,電子所受正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)力是洛倫茲力的3倍.若電子電荷量為e、質(zhì)量為m,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,不計(jì)重力,則電子運(yùn)動(dòng)的角速度可能是 (  ) A. B. C. D. 3.運(yùn)動(dòng)方向不確定形成多解 圖10 例7 如圖10所示,絕緣擺線長(zhǎng)為L(zhǎng),擺球帶正電(電荷量為q,質(zhì)量為m) 懸于O點(diǎn),當(dāng)它在磁感應(yīng)

8、強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中來(lái)回?cái)[動(dòng)經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)C 時(shí)速率為v,則擺線的拉力為多大? 4.運(yùn)動(dòng)的往復(fù)性形成多解 例8 如圖11所示,在NOQ范圍內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng) 磁場(chǎng)Ⅰ,在MOQ范圍內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅱ, M、O、N在一條直線上,∠MOQ=60°,這兩個(gè)區(qū)域磁場(chǎng)的 磁感圖11 應(yīng)強(qiáng)度大小均為B.離子源中的離子帶電荷量為+q,質(zhì) 量為m,通過(guò)小孔O1進(jìn)入兩板間電壓為U的加速電場(chǎng)區(qū)域(可認(rèn) 為初速度為零),離子經(jīng)電場(chǎng) 加速后由小孔O2射出,再?gòu)腛點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ,此時(shí)速度方向沿紙面垂直于磁場(chǎng)邊界 MN,不計(jì)離子的重力. (1)若加速電場(chǎng)兩板間電壓U=U0,求離子進(jìn)入

9、磁場(chǎng)后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R0; (2)在OQ上有一點(diǎn)P,P點(diǎn)到O點(diǎn)距離為L(zhǎng),若離子能通過(guò)P點(diǎn),求加速電壓U和從O點(diǎn)到P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間. 思維突破 多解問(wèn)題的審題 正確解答多解問(wèn)題的前提和關(guān)鍵是審題,只有細(xì)致、周密、準(zhǔn)確的審題,才能體會(huì)出題目中條件的不確定因素,從而把題目定性為多解問(wèn)題而進(jìn)行討論分析.審題時(shí)應(yīng)克服習(xí)慣性思維或先入為主的思維模式,想當(dāng)然地認(rèn)為帶電粒子就是帶正電,粒子運(yùn)動(dòng)就是向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),這樣多解題就變成了單解題,答案不全面或解答錯(cuò)誤.本題型的四個(gè)例題,就是從形成多解的四個(gè)不確定條件出發(fā),討論了形成多解的不同結(jié)果. A組 臨界與極值問(wèn)題 圖12 1. 如圖12所示,

10、邊界OA與OC之間分布有垂直紙面向里的 勻強(qiáng)磁場(chǎng),邊界OA上有一粒子源S.某一時(shí)刻,從S平行于 紙面向各個(gè)方向發(fā)射出大量帶正電的同種粒子(不計(jì)粒子的 重力及粒子間的相互作用),所有粒子的初速度大小相同, 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間有大量粒子從邊界OC射出磁場(chǎng).已知∠AOC =60°,從邊界OC射出的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間等 于T/2(T為粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期),則從邊界OC射出的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的 時(shí)間可能為 (  ) A. B.

11、 C. D. 圖13 2.如圖13所示,半徑為r=0.1 m的圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域邊界跟y軸相切于 坐標(biāo)原點(diǎn)O,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.332 T,方向垂直紙面向里.在O處有 一放射源,可沿紙面向各個(gè)方向射出速率均為v=3.2×106 m/s的α粒 子.已知α粒子質(zhì)量m=6.64×10-27 kg,電荷量q=3.2×10-19 C,不 計(jì)α粒子的重力.求α粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間. B組 多解問(wèn)題 3. 垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域?qū)挾葹閐,一個(gè)電子以速度v沿圖14所示 方向垂直磁場(chǎng)方向及磁場(chǎng)邊界射入該區(qū)域,恰好不能飛過(guò)場(chǎng)區(qū),

12、采取 如下哪些方法,可能使該電子飛到場(chǎng)區(qū)右側(cè) (  ) A.增大磁感應(yīng)強(qiáng)度   B.改變v的方向 圖14 C.減小d D.將磁場(chǎng)反向 圖15 4.如圖15所示,垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)分布在正方形abcd區(qū) 域內(nèi),O點(diǎn)是cd邊的中點(diǎn).一個(gè)帶正電的粒子僅在磁場(chǎng)力的作 用下,從O點(diǎn)沿紙面以垂直于cd邊的速度射入正方形內(nèi),經(jīng)過(guò) 時(shí)間t0剛好從c點(diǎn)射出磁場(chǎng).現(xiàn)設(shè)法使該帶電粒子從O點(diǎn)沿紙面 以與Od成30°的方向,以大小不同的速率射入正方形內(nèi),那么下 列說(shuō)法中正確的是

13、 (  ) A.若該帶電粒子從ab邊射出,它經(jīng)歷的時(shí)間可能為t0 B.若該帶電粒子從bc邊射出,它經(jīng)歷的時(shí)間可能為t0 C.若該帶電粒子從cd邊射出,它經(jīng)歷的時(shí)間為t0 D.若該帶電粒子從ad邊射出,它經(jīng)歷的時(shí)間可能為 課時(shí)規(guī)范訓(xùn)練 (限時(shí):60分鐘) 一、選擇題 1. 一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)α粒子沿垂直于磁感線方向從同一點(diǎn)射入一個(gè)勻 強(qiáng)磁場(chǎng)中,若它們?cè)诖艌?chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡是重合的,如圖1所示, 則它們?cè)诖艌?chǎng)中 (  ) 圖1 A.運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相

14、等 B.加速度的大小相等 C.速度的大小相等 D.動(dòng)能的大小相等 2. 初速度為v0的電子,沿平行于通電長(zhǎng)直導(dǎo)線的方向射出,直導(dǎo)線中電流方 向與電子的初速度方向如圖2所示,則 (  ) 圖2 A.電子將向右偏轉(zhuǎn),速率不變 B.電子將向左偏轉(zhuǎn),速率改變 C.電子將向左偏轉(zhuǎn),速率不變 D.電子將向右偏轉(zhuǎn),速率改變 圖3 3. 如圖3所示,在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的邊界上,有兩個(gè)電荷量絕 對(duì)值相同、質(zhì)量相同的正、負(fù)粒子(不計(jì)重力),從A點(diǎn)以相同的速度 先后射入磁場(chǎng)中,入射方向與邊界成θ角,則正、負(fù)粒子在磁場(chǎng)中(  ) A.運(yùn)動(dòng)

15、時(shí)間相同 B.運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑相同 C.重新回到邊界時(shí)速度大小和方向相同 D.重新回到邊界時(shí)與A點(diǎn)的距離相等 圖4 4.如圖4所示,一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為+q的帶電粒子,不計(jì)重 力,在a點(diǎn)以某一初速度水平向左射入磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ,沿曲線 abcd運(yùn)動(dòng),ab、bc、cd都是半徑為R的圓?。W釉诿慷螆A弧 上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間都為t.規(guī)定垂直紙面向外的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)? 正,則磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨x變化的 關(guān)系可能是圖中的 (  ) 圖5 5.如圖5所示,L1和L2為兩條平行的虛線,L1上方和L2下方 都是垂直紙面向外的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的

16、勻強(qiáng)磁場(chǎng),A、B兩點(diǎn) 都在L1上.帶電粒子從A點(diǎn)以初速v斜向下與L1成45°角射 出,經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)后正好過(guò)B點(diǎn),經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)速度方向也斜向下,且方 向與A點(diǎn)方向相同.不計(jì)重力影響,下列說(shuō)法中正確的是 (  ) A.該粒子一定帶正電 B.該粒子一定帶負(fù)電 C.若將帶電粒子在A點(diǎn)時(shí)初速度變大(方向不變),它仍能經(jīng)過(guò)B點(diǎn) D.若將帶電粒子在A點(diǎn)時(shí)初速度變小(方向不變),它不能經(jīng)過(guò)B點(diǎn) 6. 一電子以垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的速度vA,從A處進(jìn)入長(zhǎng)為d、寬為h的 磁場(chǎng)區(qū)域如圖6所示,發(fā)生偏移而從B處離開(kāi)磁場(chǎng),若電荷量為e,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,圓弧AB的長(zhǎng)為L(zhǎng),則

17、 (  ) 圖6 A.電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t= B.電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t= C.洛倫茲力對(duì)電子做功是BevA·h D.電子在A、B兩處的速度相同 圖7 7. 如圖7所示,在x軸上方的空間存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁 場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B.許多相同的離子,以相同的速率v,由O點(diǎn)沿紙面向各個(gè)方向(y>0)射入磁場(chǎng)區(qū)域.不計(jì)離子所受重力,不計(jì)離子間的相互影響.圖中曲線表示離子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域邊 界,其中邊界與y軸交點(diǎn)為M,邊界與x軸交點(diǎn)為N,且OM=ON=L.由此可判斷 (  ) A.這些離子是帶負(fù)電的 B.這些離子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為L(zhǎng) C.這些離

18、子的比荷為= D.當(dāng)離子沿y軸正方向射入磁場(chǎng)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)N點(diǎn) 8. 如圖8所示,直角三角形ABC中存在一勻強(qiáng)磁場(chǎng),比荷相同的兩個(gè)粒 子沿AB方向自A點(diǎn)射入磁場(chǎng),分別從AC邊上的P、Q兩點(diǎn)射出,則 (  ) A.從P射出的粒子速度大 B.從Q射出的粒子速度大 圖8 C.從P射出的粒子,在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng) D.兩粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間一樣長(zhǎng) 二、非選擇題 圖9 9.不計(jì)重力的帶正電粒子,質(zhì)量為m,電荷量為q,以與y軸成30°角 的速度v0從y軸上的a點(diǎn)射入圖9中第一象限所在區(qū)域.為了使該帶 電粒子能從x軸上的b點(diǎn)以與x軸成60°角的速度射出,可在

19、適當(dāng)?shù)? 地方加一個(gè)垂直于xOy平面、磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),若此磁場(chǎng) 分布在一個(gè)圓形區(qū)域內(nèi),試求這個(gè)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的最小面積. 10.如圖10甲所示,M、N為豎直放置且彼此平行的兩塊平板,板間距離為d,兩板中央各有一個(gè)小孔O、O′且正對(duì),在兩板間有垂直于紙面方向的磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖乙所示.有一束正離子在t=0時(shí)垂直于M板從小孔O射入磁場(chǎng).已知正離子質(zhì)量為m,帶電荷量為q,正離子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的周期都為T(mén)0,不考慮由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的電場(chǎng)的影響,不計(jì)離子所受重力.求: 圖10 (1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的大?。? (2)要使正離子從O′孔垂

20、直于N板射出磁場(chǎng),正離子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度v0的可能值. 圖11 11.如圖11所示,一足夠長(zhǎng)的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿(mǎn)方向垂直紙面向里的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在ad邊中點(diǎn)O,垂直于磁場(chǎng)射入一速度方向跟ad邊夾角θ=30°、大小為v0的帶正電粒子.已知粒子質(zhì)量為m,電荷量為q,ad邊長(zhǎng)為L(zhǎng),ab邊足夠 長(zhǎng),粒子重力不計(jì),求: (1)粒子能從ab邊上射出磁場(chǎng)的v0大小范圍; (2)如果帶電粒子不受上述v0大小范圍的限制,求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間. 復(fù)習(xí)講義 課堂探究 例1 ≤B≤ 例2 (1)5×10-2 m (2)37° 74° 例3 (1) (2)(2-)L (3)

21、 例4 (1) (2) (3)(+1)()2 例5 若粒子帶正電,則運(yùn)動(dòng)時(shí)間為,若粒子帶負(fù)電,則運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 例6 AC  例7 見(jiàn)解析 解析 當(dāng)擺球在最低點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)時(shí),擺球受到的洛倫茲力的方向豎直向上,由牛頓第二定律得FT-mg+qvB=m,則FT=mg-qvB+m. 當(dāng)擺球在最低點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)時(shí),擺球受到的洛倫茲力的方向豎直向下,由牛頓第二定律得FT-mg-qvB=m,則FT=mg+qvB+m. 例8 (1)  (2)見(jiàn)解析 解析 (2)離子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,設(shè)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R,由幾何關(guān)系可知OP′=P′P″=R 要保證離子通過(guò)P點(diǎn),則L=nR 解得U=,其中n=1,2,3,… 離子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T= t=n··=,其中n=1,2,3,… 分組訓(xùn)練 1.ABC  2.6.5×10-8 s 3.BC  4.C  課時(shí)規(guī)范訓(xùn)練 1.D  2.A  3.BCD  4.C 5.C  6.B  7.D  8.BD  9.π()2 10.(1) (2)(n=1,2,3…) 11.(1)

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