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2022年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題7 帶電粒子在復(fù)合場中的運動學(xué)案(含解析)

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1、2022年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題7 帶電粒子在復(fù)合場中的運動學(xué)案(含解析) 考向預(yù)測 近幾年高考中,關(guān)于此部分內(nèi)容的命題方向有:在帶電粒子在組合場中的運動、帶電體在復(fù)合場中的運動、電磁場技術(shù)的應(yīng)用。題目以計算題為主,難度較大。 高頻考點:帶電粒子在組合場中的運動問題;考查帶電粒子在復(fù)合場中的運動問題;考查以帶電粒子在組合場、復(fù)合場中的運動規(guī)律為工作原理的儀器在科學(xué)領(lǐng)域、生活實際中的應(yīng)用。知識與技巧的梳理 考點一、帶電粒子在組合場中的運動 例 (xx·天津卷T13)平面直角坐標(biāo)系xOy中,第Ⅰ象限存在垂直于平面向里的勻強(qiáng)磁場,第Ⅲ象限存在沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場,如圖所示。一

2、帶負(fù)電的粒子從電場中的Q點以速度v0沿x軸正方向開始運動,Q點到y(tǒng)軸的距離為到x軸距離的2倍。粒子從坐標(biāo)原點O離開電場進(jìn)入磁場,最終從x軸上的P點射出磁場,P點到y(tǒng)軸距離與Q點到y(tǒng)軸距離相等。不計粒子重力,問: (1)粒子到達(dá)O點時速度的大小和方向; (2)電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小之比。 【審題立意】有關(guān)帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運動,可以根據(jù)帶電粒子受力情況,用牛頓第二定律求出加速度,結(jié)合運動學(xué)公式確定帶電粒子的速度;對于帶電粒子在磁場中的運動情況,一般是確定圓心位置,根據(jù)幾何關(guān)系求半徑,結(jié)合洛倫茲力提供向心力求解未知量。 【解題思路】(1)在電場中,粒子做類平拋運動,設(shè)Q點到x軸距離

3、為L,到y(tǒng)軸距離為2L,粒子的加速度為a,運動時間為t,有 2L=v0t?、? L=at2 ② 設(shè)粒子到達(dá)O點時沿y軸方向的分速度為vy,vy=at?、? 設(shè)粒子到達(dá)O點時速度方向與x軸正方向夾角為α,有tan α=?、? 聯(lián)立①②③④式得α=45°?、? 即粒子到達(dá)O點時速度方向與x軸正方向成45°角斜向上。 設(shè)粒子到達(dá)O點時速度大小為v,由運動的合成有v=?、? 聯(lián)立①②③⑥式得v=v0?!、? (2)設(shè)電場強(qiáng)度為E,粒子電荷量為q,質(zhì)量為m,粒子在電場中受到的電場力為F,由牛頓第二定律可得F=ma ⑧ 又F=qE?、? 設(shè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑

4、為R,所受的洛倫茲力提供向心力,有qvB=m?、? 由幾何關(guān)系可知R=L ? 聯(lián)立①②⑦⑧⑨⑩?式得=?!? 【參考答案】(1)v0,與x軸正方向成45°角斜向上 (2) 【技能提升】解決帶電粒子在組合場中運動問題的思路方法 【變式訓(xùn)練】1. 如圖所示的平面直角坐標(biāo)系xOy,在第Ⅰ象限內(nèi)有平行于y軸的勻強(qiáng)電場,方向沿y軸正方向;在第Ⅳ象限的正三角形abc區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場,方向垂直于xOy平面向里,正三角形邊長為L,且ab邊與y軸平行。一質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從y軸上的P(0,h)點,以大小為v0的速度沿x軸正方向射入電場,通過電場后從x軸上的a(2h,0)點進(jìn)入第Ⅳ象限,又經(jīng)

5、過磁場從y軸上的某點進(jìn)入第Ⅲ象限,且速度與y軸負(fù)方向成45°角,不計粒子所受的重力。求: (1)電場強(qiáng)度E的大??; (2)粒子到達(dá)a點時速度的大小和方向; (3)abc區(qū)域內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的最小值。 解析:(1)設(shè)粒子在電場中運動的時間為t,則有 x=v0t=2h,y=at2=h,qE=ma 聯(lián)立以上各式可得E=。 (2)粒子到達(dá)a點時沿y軸負(fù)方向的分速度為vy=at=v0 所以v= = v0,方向指向第Ⅳ象限與x軸正方向成45°角。 (3)粒子在磁場中運動時,有qvB=m 當(dāng)粒子從b點射出時,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小值,此時有r=L,所以B=。 2. 如圖所示,在平面

6、直角坐標(biāo)系xOy的x軸上方存在著垂直坐標(biāo)平面向里的勻強(qiáng)磁場,x軸下方存在著沿x軸正方向的勻強(qiáng)電場。一帶正電粒子從y軸上的A點以初速度v0出發(fā),射入勻強(qiáng)磁場,經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后恰好經(jīng)x軸上的C點垂直x軸進(jìn)入勻強(qiáng)電場,一段時間后到達(dá)y軸上的D點。已知OC===,不計粒子的重力。 (1)求粒子到達(dá)D點時的速度大小。 (2)求勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B與勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度大小E的比值。 (3)若撤去原來的勻強(qiáng)電場,然后在x軸下方添加一圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小是x軸上方勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的2倍,使帶電粒子經(jīng)過該磁場偏轉(zhuǎn)后剛好也能夠通過D點且速度與y軸負(fù)方向成θ=60°角,試計算該圓形勻強(qiáng)磁場

7、區(qū)域的最小面積。 解析:(1)由題意可知,粒子到達(dá)C點時的速度大小仍為v0,粒子在勻強(qiáng)電場中做類平拋運動,設(shè)粒子到達(dá)D點所用時間為t,沿x軸方向的分速度大小為vx,則有 l=v0t,=t 以上兩式聯(lián)立可解得vx=v0 所以粒子到達(dá)D點時的速度大小為vD=v0。 (2)如圖甲所示,設(shè)粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運動的半徑為R,則由幾何關(guān)系有 l2+2=R2 解得R=l 又因為qv0B=m 所以B= 在勻強(qiáng)電場中有vx=·,代入數(shù)據(jù)可得E= 故=。 (3)由qv0B=m可知,當(dāng)B變?yōu)樵瓉淼?倍時,粒子在磁場中做圓周運動的半徑應(yīng)變?yōu)樵瓉淼囊话?,設(shè)粒子在圓形磁場區(qū)域中做勻速圓周運動的

8、半徑為R1,則R1=l 粒子軌跡如圖所示,由幾何關(guān)系可知∠MO2N=60° 故MN=l 當(dāng)MN為圓形磁場的直徑時,圓形磁場區(qū)域面積最小,故 Smin=π2 代入數(shù)據(jù)可得Smin=πl(wèi)2。 考點二、帶電粒子在疊加場中的運動 例1. (xx·全國I卷T25)真空中存在電場強(qiáng)度大小為E1的勻強(qiáng)電場,一帶電油滴在該電場中豎直向上做勻速直線運動,速度大小為v0。在油滴處于位置A時,將電場強(qiáng)度的大小突然增大到某值,但保持其方向不變。持續(xù)一段時間t1后,又突然將電場反向,但保持其大小不變;再持續(xù)同樣一段時間后,油滴運動到B點。重力加速度大小為g。 (1)求油滴運動到B點時的速度; (2)求

9、增大后的電場強(qiáng)度的大??;為保證后來的電場強(qiáng)度比原來的大,試給出相應(yīng)的t1和v0應(yīng)滿足的條件。已知不存在電場時,油滴以初速度v0做豎直上拋運動的最大高度恰好等于B、A兩點間距離的兩倍。 【審題立意】本題考查帶電體在重力場與電場組成的疊加場中的運動問題。解答此題要充分理解物理過程,把握物理情景,找出物理規(guī)律,綜合運用牛頓運動定律、勻變速直線運動規(guī)律。同時此題的數(shù)學(xué)運算過程較為復(fù)雜,要注意仔細(xì)運算。 【解題思路】(1)設(shè)油滴質(zhì)量和電荷量分別為m和q,油滴速度方向向上為正。油滴在電場強(qiáng)度大小為E1的勻強(qiáng)電場中做勻速直線運動,故勻強(qiáng)電場方向向上。 在t=0時,電場強(qiáng)度突然從E1增加至E2時,油滴做

10、豎直向上的勻加速運動,加速度方向向上,大小a1滿足:qE2-mg=ma1 ① 油滴在時刻t1的速度為:v1=v0+a1t1 ② 電場強(qiáng)度在時刻t1突然反向,油滴做勻變速運動,加速度方向向下,大小a2滿足: qE2+mg=ma2 ③ 油滴在時刻t2=2t1的速度為:v2=v1-a2t1 ④ 由①②③④式得:v2=v0-2gt1 ⑤ (2)由題意,在t=0時刻前有:qE1=mg ⑥ 油滴從t=0到時刻t1的位移為:s1=v0t1+a1t12 ⑦ 油滴在從時刻t1到時刻t2=2t1的時間間隔內(nèi)的位移為:s2=v1t1-a2t12 ⑧ 由題給條件有:v02=2g(2h) ⑨ 式中h

11、是B、A兩點之間的距離。 若B點在A點之上,依題意有:s1+s2=h ⑩ 由①②③⑥⑦⑧⑨⑩式得:E2=E1 ? 為使E2>E1,應(yīng)有:2-2+2>1 ? 即當(dāng)0 ? 才是可能的;條件?式和?式分別對應(yīng)于v2>0和v2<0兩種情形。 若B點在A點之下,依題意有:s1+s2=-h(huán) ? 由①②③⑥⑦⑧⑨?式得:E2=E1 ? 為使E2>E1,應(yīng)有:2-2-2>1 ? 即t1> ? 另一解為負(fù),不合題意,已舍去。 【參考答案】(1)v0-2gt1 (2)見解析 例2. (xx·曲阜模擬)如圖所示,直角坐標(biāo)系xOy的第二象限內(nèi)有一垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場B

12、1=B0和豎直向上的勻強(qiáng)電場E1(大小未知),第一象限內(nèi)有一垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場B2和豎直向上的勻強(qiáng)電場E2,且E2=,第四象限內(nèi)有水平向左的勻強(qiáng)電場E3,且E3=E2。現(xiàn)有一比荷為=k的帶正電小球從第二象限內(nèi)的A點(h,h)以一定初速度水平向右射出,小球沿直線運動,小球進(jìn)入第一象限后恰好做勻速圓周運動,并從x軸上的C點與x軸正方向成60°角進(jìn)入第四象限內(nèi)運動,最終通過C點正下方的D點,已知重力加速度為g,求: (1)小球的初速度v0及電場強(qiáng)度E1的大小; (2)第一象限內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大??; (3)CD的長度L; (4)小球從A點運動到D點所經(jīng)歷的時間t。 【審題立意】本題考查

13、帶電體在重力場、電場、磁場組成的混合場中的運動問題。解答此題可按以下步驟分析: “明”:小球在第二象限內(nèi)做直線運動,在第一象限內(nèi)做勻速圓周運動,第四象限內(nèi)做類平拋運動。 “畫”:畫出在各象限內(nèi)的運動軌跡,如圖所示。 “析”:在第二象限做勻速直線運動,F(xiàn)合=0。 在第一象限做勻速圓周運動: E2q=mg,qB2v=m。 在第四象限做類平拋運動:F合= =2mg。 【解題思路】(1)因小球在第二象限內(nèi)受豎直向下的重力、洛倫茲力和豎直向上的電場力作用沿直線運動,所以一定有:B0qv0+mg=qE1 小球在第一象限內(nèi)做勻速圓周運動,所以必有:q=mg,B2qv0=m 聯(lián)立解得:E1=

14、=,v0==。 (2)小球運動軌跡如圖所示,由圖知小球在第一象限內(nèi)運動半徑滿足: h+Rsin 30°=R,即R=2h 由(1)知:B2= 聯(lián)立并代入v0得:B2=。 (3)在第四象限內(nèi),因qE3=mg,其合力大小為2mg,方向恰好與CD成60°角,即小球從C到D做類平拋運動,由類平拋運動規(guī)律知: Lsin 30°=·t32,Lcos 30°=v0t3 聯(lián)立得:L=,t3=。 (4)小球在第二象限內(nèi)運行時間:t1== 小球在第一象限內(nèi)運行時間:t2=== 小球從A點運動到D點所經(jīng)歷的時間:t=t1+t2+t3=B0hk+。 【參考答案】(1)  (2) (3) (4)B

15、0hk+ 【技能提升】“兩分析、一應(yīng)用”巧解復(fù)合場問題 1.受力分析,關(guān)注幾場疊加 (1)磁場、重力場并存,受重力和洛倫茲力; (2)電場、磁場并存(不計重力的微觀粒子),受電場力和洛倫茲力; (3)電場、磁場、重力場并存,受電場力、洛倫茲力和重力。 2.運動分析,典型運動模型構(gòu)建:(1)帶電體受力平衡,做勻速直線運動;(2)帶電體受力恒定,做勻變速直線運動;(3)帶電體受力大小恒定且方向指向圓心,做勻速圓周運動;(4)帶電體受力方向變化復(fù)雜,做曲線運動等。 3.選用規(guī)律,兩種觀點解題:(1)帶電體做勻速直線運動,則用平衡條件求解(即二力或三力平衡);(2)帶電體做勻速圓周運動,

16、應(yīng)用向心力公式或勻速圓周運動的規(guī)律求解;(3)帶電體做勻變速直線或曲線運動,應(yīng)用牛頓運動定律和運動學(xué)公式求解;(4)帶電體做復(fù)雜的曲線運動,應(yīng)用能量守恒定律或動能定理求解。 【變式訓(xùn)練】1. 如圖所示,在真空空間中,有沿水平方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場B,還有方向豎直向上的勻強(qiáng)電場E,三個帶電液滴(可視為質(zhì)點)甲、乙、丙帶有等量同種電荷。已知甲靜止,乙水平向左勻速運動,丙水平向右勻速運動,則下列說法正確的是(  ) A.三個液滴都帶負(fù)電 B.丙質(zhì)量最大,甲質(zhì)量次之,乙質(zhì)量最小 C.若僅撤去磁場,甲可能做勻加速直線運動 D.若僅撤去電場,乙和丙可能做勻速圓周運動 解析:甲靜止,不受洛

17、倫茲力,由受力平衡,有m甲g=qE,重力和電場力等值、反向、共線,故電場力向上,由于電場E的方向豎直向上,故三個液滴都帶正電,選項A錯誤;乙受力平衡,有m乙g+qv乙B=qE,故m甲>m乙;丙受力平衡,有m丙g=qE+qv丙B,故m丙>m甲,選項B正確;甲靜止,不受洛倫茲力,電場力和重力相平衡,所以僅撤去磁場甲仍然靜止,選項C錯誤;僅撤去電場,乙和丙除受洛倫茲力外,還受豎直向下的重力作用,速度將增大,洛倫茲力的大小和方向隨速度的大小和方向變化而變化,乙和丙不可能做勻速圓周運動,選項D錯誤。 答案:B 2. 如圖所示,平面直角坐標(biāo)系的第二象限內(nèi)存在水平向左的勻強(qiáng)電場和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,

18、一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的小球從A點以速度v0沿直線AO運動,AO與x軸負(fù)方向成37°角,在第四象限內(nèi)的區(qū)域Ⅰ內(nèi)加一最小電場強(qiáng)度的勻強(qiáng)電場后,可使小球繼續(xù)做直線運動到MN上的C點,MN右側(cè)區(qū)域Ⅱ內(nèi)存在豎直向上的勻強(qiáng)電場和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,小球在區(qū)域Ⅱ內(nèi)做勻速圓周運動并恰好沒從右邊界飛出,已知小球在C點的速度大小為2v0,重力加速度為g,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,求: (1)小球的帶電性質(zhì); (2)第二象限內(nèi)電場強(qiáng)度E1的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的大??; (3)區(qū)域Ⅰ內(nèi)最小電場強(qiáng)度E2的大小和方向; (4)區(qū)域Ⅱ內(nèi)電場強(qiáng)度E3的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小。 解析

19、:(1)帶電小球在第二象限內(nèi)受重力、電場力和洛倫茲力作用做直線運動,因洛倫茲力與速度關(guān)聯(lián),所以此三力滿足圖(a)所示關(guān)系且小球只能做勻速直線運動,由受力特點及左手定則可判定小球帶正電。 (2)由圖(a)知tan 37°=,得E1= cos 37°=,得B1=。 (3)當(dāng)區(qū)域Ⅰ中的電場強(qiáng)度最小時,小球做直線運動,此時受力如圖(b)所示(電場力方向與速度方向垂直),小球做勻加速直線運動,由圖知cos 37°=,得E2=,方向與x軸正方向成53°角向上。 (4)小球在區(qū)域Ⅱ內(nèi)做勻速圓周運動,所以mg=qE3,得E3=,小球恰好不從右邊界穿出,小球運動軌跡如圖(c)所示。 由(3)知

20、F=mgsin 37°,即a=gsin 37° 由運動學(xué)規(guī)律知(2v0)2-v=2a·OC 解得OC= 由幾何關(guān)系知=tan 37°,得r= 由洛倫茲力提供向心力知B2q·2v0=m 聯(lián)立得B2=。 考點三、電磁場技術(shù)的應(yīng)用 【知識回顧】1.質(zhì)譜儀: (1)用途:測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。 (2)原理:由粒子源S發(fā)出的速度幾乎為零的粒子經(jīng)過加速電場U加速后,以速度v= 進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場中作勻速圓周運動,運動半徑為r= ,粒子經(jīng)過半個圓周運動后打到照相底片D上,通過測量D與入口間的距離d,進(jìn)而求出粒子的比荷=或粒子的質(zhì)量m=。 2.速度選擇器:帶電粒子束射入正交的勻強(qiáng)電場和

21、勻強(qiáng)磁場組成的區(qū)域中,滿足平衡條件qE=qvB的帶電粒子可以沿直線通過速度選擇器。速度選擇器只對粒子的速度大小和方向做出選擇,而對粒子的電性、電荷量不能進(jìn)行選擇性通過。 3.回旋加速器: (1)用途:加速帶電粒子。 (2)原理:帶電粒子在電場中加速,在磁場中偏轉(zhuǎn),交變電壓的周期與帶電粒子在磁場中作勻速圓周運動的周期相同。 (3)粒子獲得的最大動能Ek=,其中rn表示D形盒的最大半徑。 【跟蹤訓(xùn)練】1. (xx屆高三·大同調(diào)研)質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具。圖中的鉛盒A中的放射源放出大量的帶正電粒子(可認(rèn)為初速度為零),從狹縫S1進(jìn)入電壓為U的加速電場區(qū)加速后,再

22、通過狹縫S2,從小孔G垂直于MN射入偏轉(zhuǎn)磁場,該偏轉(zhuǎn)磁場是以直線MN為切線、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直于紙面向外半徑為R的圓形勻強(qiáng)磁場。現(xiàn)在MN上的F點(圖中未畫出)接收到該粒子,且GF=R。則該粒子的比荷為(粒子的重力忽略不計)(  ) A. B. C. D. 解析:粒子運動軌跡如圖所示。設(shè)粒子被加速后獲得的速度為v,由動能定理有:qU=mv2,由幾何關(guān)系可得,粒子在磁場中做圓周運動的偏轉(zhuǎn)角θ=60°,則粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌跡半徑r=,又Bqv=m,解得=,故C正確。 答案:C 2. (xx屆高三·太原摸底)(多選)如圖所示,一束帶電粒子以

23、一定的初速度沿直線通過由相互正交的勻強(qiáng)磁場B和勻強(qiáng)電場E組成的速度選擇器,然后粒子通過平板S上的狹縫P,進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場B′,最終打在A1A2上。下列表述正確的是(  ) A.粒子帶負(fù)電 B.所有打在A1A2上的粒子,在磁場B′中運動時間都相同 C.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于 D.粒子打在A1A2上的位置越靠近P,粒子的比荷越大 解析:由粒子在磁場中的運動軌跡,根據(jù)左手定則可知,粒子帶正電,選項A錯誤;在速度選擇器中滿足:Eq=Bqv,可得v=,選項C正確;在磁場中運動的周期為:T=,由于進(jìn)入磁場中的粒子的比荷不一定相同,故周期不同,運動時間不一定相同,選項B錯誤;粒子在磁場中

24、運動的半徑:r=,粒子打在A1A2上的位置越靠近P,則粒子的運動半徑越小,故粒子的比荷越大,選項D正確。 答案:CD 3. 如圖所示為一種獲得高能粒子的裝置——環(huán)形加速器,環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場。質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動。A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當(dāng)粒子飛經(jīng)A板時,A板電勢升高為+U,B板電勢仍保持為零,粒子在兩極板間的電場中加速。每當(dāng)粒子離開電場區(qū)域時,A板電勢又降為零,粒子在電場中一次次加速,動能不斷增大,而在環(huán)形區(qū)域內(nèi)繞行半徑不變(設(shè)極板間距遠(yuǎn)小于R)。下列關(guān)于環(huán)形加速器的說法,正確的是(  ) A.環(huán)形區(qū)域內(nèi)的磁

25、感應(yīng)強(qiáng)度大小Bn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為= B.環(huán)形區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小Bn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為= C.A、B板之間的電壓可以始終保持不變 D.粒子每次繞行一圈所需的時間tn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為= 解析:因粒子每繞行一圈,其增加的能量為qU,所以繞行第n圈時獲得的總動能為mv=nqU,得第n圈的速度vn=。在磁場中,由牛頓第二定律得qBnvn=m,解得Bn=,所以=,A項錯誤、B項正確;如果A、B板之間的電壓始終保持不變,粒子在A、B兩極板之間飛行時,電場對其做功qU,從而使之加速,在磁場內(nèi)飛行時,電場又對粒子做功-qU,從而使之減速.粒子繞行一周電場對其所做總功為零,動能不會增加,達(dá)不到加速效果,C項錯誤;根據(jù)t=得tn=2πR,得=,D項錯誤。 答案:B

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