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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流带电粒子在电场磁场中的运动.精品文档.带电粒子在电场和磁场中的运动一、根据带电粒子的轨迹进行分析推理 通过非匀强电场中的运动轨迹分析电场力和能的特性，要注意： 1.电场力一定电场线的切线方向且一定指向轨迹曲线的内侧 2.W电=qUab=Eka-Ekb 3.当电场线为曲线时，运动轨迹不会与之重合 例题图9218如图9218，一带负电的粒子以某一速度进入水平向右的匀强电场中，在电场力作用下形成图中所示的运动轨迹M和N是轨迹上的两点，其中M点在轨迹的最右点不计重力，下列表述正确的是()A粒子在M点的速率最大B粒子所受电场力沿电场方向C粒子在电场中的
2、加速度不变D粒子在电场中的电势能始终在增加解析：选C.粒子接近M点过程中电场力做负功，远离M点的过程中电场力做正功，所以在M点粒子的速率应该最小，A、B错误，粒子在匀强电场中运动，所受电场力不变，加速度不变，C正确，因为动能先减小后增加，所以电势能先增加后减小，D错误如图所示，实线是一个电场中的电场线，虚线是一带电粒子在此电场中运动的轨迹，若带电粒子是从a处运动到b的。以下有关a、b两处的比较正确的是( )baAa处的场强较强B带电粒子在b处时电势能较大Cb处的电势较高D带电粒子在a处时速度较小AB如图所示的非匀强电场中，如果电量q=10-5C的点电荷仅在电场力的作用下由A点移动到B点，电场力
3、做功为810-3J，则（ ）ABA电场中A、B两点间的电势差800VB点电荷由A点移到B点电势能增加了810-3JC点电荷由A点移到B点电势能减少了810-3JD点电荷受到的电场力大小，在A点时比在B点时大ACD二、与电容器有关的动态分析将平行半电容器看成产生匀强电场的两个平行金属板：1. 平行板电容器充电后，极板间形成的是匀强电场2. 平行板电容器电容：C=3. 电容器d、s、变化而引起电容器C、Q、U、E的变化的分析方法(1) 确定不变量：电容器保持与电源连接，则U不变；断开与电源连接，则Q不变(2) 用C=分析电容的变化：加入电介质（绝缘板）时，变大 加入金属板时，相当于d变小 （3）根
4、据C=分析Q和U变化，E=或者E=分析场强变化例题如图所示，两块水平放置的平行正对的金属板a、b与电池相连，在距离两板等远的M点有一个带电液滴处于静止状态.若将a板向下平移一小段距离，但仍在M点上方，稳定abM后，下列说法中正确的是（ ）A液滴将加速向下运动BM点电势升高，液滴在M点时电势能将减小CM点的电场强度变小了D在a板移动前后两种情况下，若将液滴从a板移到b板，电场力做功相同BD竖直放置的一对平行金属板的左极板上用绝缘线悬挂了一个带正电的小球，将平行金属板按图9-38-12所示的电路图连接.绝缘线与左极板的夹角为.当滑动变阻器R的滑片在a位置时，电流表的读数为I1，夹角为1；当滑片在b
5、位置时，电流表的读数为I2，夹角为2，则( ) .12，I12，I1I2.1=2，I1=I2.12，I1=I2D三、不计重力的带电粒子在电场中的运动1带电粒子在电场中加速当电荷量为q、质量为m、初速度为v0的带电粒子经电压U加速后，速度变为vt，由动能定理得：qUmvt2mv02若v00，则有vt，这个关系式对任意静电场都是适用的对于带电粒子在电场中的加速问题，应突出动能定理的应用2带电粒子在匀强电场中的偏转电荷量为q、质量为m的带电粒子由静止开始经电压U1加速后，以速度v1垂直进入由两带电平行金属板产生的匀强电场中，则带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，其轨迹是一条抛物线(如图41所示)图41
6、qU1mv12设两平行金属板间的电压为U2，板间距离为d，板长为L(1)带电粒子进入两板间后粒子在垂直于电场的方向上做匀速直线运动，有：vxv1，Lv1t粒子在平行于电场的方向上做初速度为零的匀加速直线运动，有：vyat，yat2，a(2)带电粒子离开极板时侧移距离yat2(与m、q无关)偏转角度的正切值tan 若在偏转极板右侧D距离处有一竖立的屏，在求电子射到屏上的侧移距离时有一个很有用的推论，即：所有离开偏转电场的运动电荷好像都是从极板的中心沿中心与射出点的连线射出的这样很容易得到电荷在屏上的侧移距离y带电粒子在电场中的偏转是类平抛运动，平抛运动的两个重要推论在这里也成立以上公式要求在能够
7、证明的前提下熟记，并能通过以上式子分析、讨论侧移距离和偏转角度与带电粒子的速度、动能、比荷等物理量的关系例题1如图所示，带正电的粒子以一定的初速度v0沿中线进入水平放置的平行金属板内，恰好沿下板的边缘飞出，已知板长为L，板间的电压为U，带电粒子所带电荷量为q，粒子通过平行金属板的时间为t，不计粒子的重力，则 ()A粒子在前时间内，电场力对粒子做的功为B粒子在后时间内，电场力对粒子做的功为C粒子在竖直方向的前和后位移内，电场力做的功之比为12D粒子在竖直方向的前和后位移内，电场力的冲量之比为11【解析】粒子在匀强电场中运动，电场力做的功为：W电qUABqEy，其中y为粒子在电场方向的位移又由题意
8、知：at2，a()2故在前内电场力做的功W1qU，在后内电场力做的功W2前后位移内电场力做的功之比为11又从静止开始的匀加速直线运动通过连续相等位移的时间之比为1(1)()()故I前I后1(1)答案B2如图所示，竖直放置的两个平行金属板间有匀强电场，在两板之间等高处有两个质量相同的带电小球，P小球从紧靠左极板处由静止开始释放，Q小球从两板正中央由静止开始释放，两小球最后都能打在右极板上的同一点则从开始释放到打到右极板的过程中()A它们的运行时间tPtQB它们的电荷量之比qPqQ21来源:学.科.网C它们的动能增加量之比EkPEkQ41D它们的电势能减少量之比EPEQ21【解析】将两小球的运动都
9、沿水平和竖直正交分解，竖直的分运动都为自由落体运动，故它们从开始释放到打在右极板的过程中运行时间相等，选项A错误对于水平分运动，有：t2t2故知qPqQ21，选项B正确P球动能的增量EkPmghqPEd，Q球动能的增量EkQmghqQEmghqPEd，选项C错误同理：EPqPEd，EQqQE，可得EPEQ41，选项D错误答案B3.喷墨打印机的结构简图如图49所示，其中墨盒可以发出墨汁微滴，其半径约为1105 m，此微滴经过带电室时被带上负电，带电荷量的多少由计算机按字体笔画的高低位置输入信号加以控制带电后的微滴以一定的初速度进入偏转电场，带电微滴经过偏转电场发生偏转后打到纸上，显示出字体无信号
10、输入时，墨汁微滴不带电，径直通过偏转板而注入回流槽流回墨盒偏转板长1.6 cm，两板间的距离为0.50 cm，偏转板的右端距纸3.2 cm若墨汁微滴的质量为1.61010 kg，以20 m/s的初速度垂直于电场方向进入偏转电场，两偏转板间的电压是8.0103 V，其打到纸上的点距原射入方向的距离是2.0 mm求这个墨汁微滴通过带电室所带的电荷量的多少(不计空气阻力和重力，可以认为偏转电场只局限于平行板电容器的内部，忽略边缘电场的不均匀性)为了使纸上的字放大10%，请你分析并提出一个可行的方法【解析】设墨汁微滴所带的电荷量为q，它进入偏转电场后做类平抛运动，离开电场后做直线运动打到纸上，则距原入
11、射方向的距离为：yat2Ltan 又a，t，tan 解得：y(L)代入数据得：q1.251013 C要将字体放大10%，只要使y增大为原来的1.1倍，可采用的措施为将两偏转板间的电压增大到8.8103 V，或将偏转板右端与纸的间距增大到3.6 cm答案1.251013 C将两偏转板间的电压增大到8.8103 V，或将偏转板右端与纸的间距增大到3.6 cm【点评】本题也可直接根据推论公式y(L)tan (L)进行计算和平抛运动问题一样，这类题型中偏转角度的正切表达式在解题中往往较为关键，且有tan 2tan (为射出点的位移方向与入射方向的夹角)的特点四、不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动1匀
12、速直线运动：若带电粒子的速度方向与匀强磁场的方向平行，则粒子做匀速直线运动2匀速圆周运动：若带电粒子的速度方向与匀强磁场的方向垂直，则粒子做匀速圆周运动质量为m、电荷量为q的带电粒子以初速度v垂直进入匀强磁场B中做匀速圆周运动，其角速度为，轨道半径为R，运动的周期为T，则有：qvBmmR2mvmR()2mR(2f)2RT(与v、R无关)，f带电粒子在磁场中的运动大体包含五种常见情境，即：无边界磁场、单边界磁场、双边界磁场、矩形边界磁场、圆形边界磁场带电粒子在磁场中的运动问题综合性较强，解这类问题往往要用到圆周运动的知识、洛伦兹力，还要牵涉到数学中的平面几何、解析几何等知识因此，解此类试题，除了
13、运用常规的解题思路(画草图、找“圆心”、定“半径”等)之外，更应侧重于运用数学知识进行分析3对于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的问题，应注意把握以下几点(1)粒子圆轨迹的圆心的确定1.圆心一定在过切点且与速度垂直的直线上2.圆心一定在弦的垂直平分线上常见的三种情况若已知粒子在圆周运动中的两个具体位置及通过某一位置时的速度方向，可在已知的速度方向的位置作速度的垂线，同时作两位置连线的中垂线，两垂线的交点为圆轨迹的圆心，如图42 所示若已知做圆周运动的粒子通过某两个具体位置的速度方向，可在两位置上分别作两速度的垂线，两垂线的交点为圆轨迹的圆心，如图43所示若已知做圆周运动的粒子通过某一具体位置
14、的速度方向及圆轨迹的半径R，可在该位置上作速度的垂线，垂线上距该位置R处的点为圆轨迹的圆心(利用左手定则判断圆心在已知位置的哪一侧)，如图44所示图42图43图44(2)粒子圆轨迹的半径的确定入射点或出射点到圆心的距离，可直接运用公式R 来确定(3)粒子转过的圆心角的确定画出几何图形，利用半径R与题中已知长度的几何关系来确定在利用几何关系时，要注意一个重要的几何特点，即：粒子速度的偏向角等于对应轨迹圆弧的圆心角，并等于弦切角的2倍，如图45所示 图45(4)粒子在磁场中运动的时间的确定来源:Zxxk.Com若粒子在时间t内通过的圆弧所对应的圆心角为，则有：tT(或tT)周期可直接运用公式T 来
15、确定(4)圆周运动中有关对称的规律从磁场的直边界射入的粒子，若再从此边界射出，则速度方向与边界的夹角相等，如图46所示在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子必沿径向射出，如图47所示图46图47(5)带电粒子在有界磁场中运动的极值问题刚好穿出磁场边界的条件通常是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切例题如图所示，在一正交的电场和磁场中，一带电荷量为q、质量为m的金属块沿倾角为的粗糙绝缘斜面由静止开始下滑已知电场强度为E，方向竖直向下；磁感应强度为B，方向垂直纸面向里；斜面的高度为h金属块滑到斜面底端时恰好离开斜面，设此时的速度为v，则()A金属块从斜面顶端滑到底端的过程中，做的是加速度逐渐减小的加速
16、运动B金属块从斜面顶端滑到底端的过程中，机械能增加了qEhC金属块从斜面顶端滑到底端的过程中，机械能增加了mv2mghD金属块离开斜面后将做匀速圆周运动【解析】金属块在下滑的过程中，随着速度的增大，洛伦兹力增大，对斜面的压力减小，故摩擦力f(mgqEqvB)不断减小，金属块做加速度逐渐增大的加速运动，选项A错误又由功能关系得：E机W电WfqEh，选项B错误机械能的变化量为：E机EkEpmv2mgh，选项C正确由题意知，mgqE，故离开斜面后金属块不可能做匀速圆周运动，选项D错误答案C如图甲所示，在第象限内有水平向右的匀强电场，电场强度为E，在第、象限内分别存在如图所示的匀强磁场，磁感应强度大小
17、相等有一个带电粒子以垂直于x轴的初速度v0从x轴上的P点进入匀强电场中，并且恰好与y轴的正方向成45角进入磁场，又恰好垂直进入第象限的磁场已知OP之间的距离为d，则带电粒子在磁场中第二次经过x轴时，在电场和磁场中运动的总时间为()甲AB(25)C(2)D(2)【解析】带电粒子的运动轨迹如图乙所示由题意知，带电粒子到达y轴时的速度vv0，这一过程的时间t1又由题意知，带电粒子在磁场中的偏转轨道半径r2d乙故知带电粒子在第象限中的运动时间为：t2带电粒子在第象限中运动的时间为：t3故t总(2)答案D如图411甲所示，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xy平面(纸面)向
18、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(0，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xR0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：图411甲(1)粒子到达xR0平面时的速度方向与x轴的夹角以及粒子到x轴的距离(2)M点的横坐标xM【解析】(1)粒子做直线运动时，有：qEqBv0做圆周运动时，有：qBv0只有电场时，粒子做类平抛运动，则有：qEmaR0v0tvyat解得：v
19、yv0粒子的速度大小为：vv0速度方向与x轴的夹角为：粒子与x轴的距离为：Hhat2h(2)撤去电场加上磁场后，有：qBvm解得：RR0此时粒子的运动轨迹如图411乙所示圆心C位于与速度v方向垂直的直线上，该直线与x轴和y轴的夹角均为由几何关系可得C点的坐标为：图411乙xC2R0yCHR0h过C点作x轴的垂线，在CDM中，有：lCMRR0，lCDyCh解得：lDMM点的横坐标为：xM2R0答案(1)h(2)2R0【点评】无论带电粒子在匀强电场中的偏转还是在匀强磁场中的偏转，偏转角往往是个较关键的量五、带电粒子在复合场中的运动1高中阶段所涉及的复合场有四种组合形式，即：电场与磁场的复合场；磁场
20、与重力场的复合场；电场与重力场的复合场；电场、磁场与重力场的复合场2带电粒子在复合场中的运动性质取决于带电粒子所受的合外力及初速度，因此应把带电粒子的运动情况和受力情况结合起来进行分析当带电粒子在复合场中所受的合外力为零时，带电粒子做匀速直线运动(如速度选择器)；当带电粒子所受的重力与电场力等值、反向，由洛伦兹力提供向心力时，带电粒子在垂直磁场的平面内做匀速圆周运动；当带电粒子所受的合外力是变力，且与初速度的方向不在一条直线上时，粒子做非匀变速曲线运动，运动轨迹也随之不规范地变化因此，要确定粒子的运动情况，必须明确有几种场，粒子受几种力，重力是否可以忽略3带电粒子所受三种场力的特征(1)洛伦兹
21、力的大小跟速度方向与磁场方向的夹角有关当带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，f洛0；当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时，f洛qvB当洛伦兹力的方向垂直于速度v和磁感应强度B所决定的平面时，无论带电粒子做什么运动，洛伦兹力都不做功(2)电场力的大小为qE，方向与电场强度E的方向及带电粒子所带电荷的性质有关电场力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的电荷量有关外，还与其始末位置的电势差有关(3)重力的大小为mg，方向竖直向下重力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的质量有关外，还与其始末位置的高度差有关注意：微观粒子(如电子、质子、离子)一般都不计重力；对带电小球、液滴、金属块等实际的物体没有特殊交
22、代时，应当考虑其重力；对未知名的、题中又未明确交代的带电粒子，是否考虑其重力，则应根据题给的物理过程及隐含条件具体分析后作出符合实际的决定4带电粒子在复合场中的运动的分析方法(1)当带电粒子在复合场中做匀速运动时，应根据平衡条件列方程求解(2)当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时，往往应用牛顿第二定律和平衡条件列方程联立求解(3)当带电粒子在复合场中做非匀速曲线运动时，应选用动能定理或动量守恒定律列方程求解注意：如果涉及两个带电粒子的碰撞问题，要根据动量守恒定律列方程，再与其他方程联立求解由于带电粒子在复合场中的受力情况复杂，运动情况多变，往往出现临界问题，这时应以题目中的“恰好”、“最大”、
23、“最高”、“至少”等词语为突破口，挖掘隐含条件，并根据临界条件列出辅助方程，再与其他方程联立求解例题如图所示，充电的两平行金属板间有场强为E的匀强电场和方向与电场垂直(垂直纸面向里)的匀强磁场，磁感应强度为B，构成了速度选择器氕核、氘核、氚核以相同的动能(Ek)从两极板中间垂直于电场和磁场射入速度选择器，且氘核沿直线射出不计粒子的重力，则射出时()A动能增加的是氚核B动能增加的是氕核C偏向正极板的是氚核D偏向正极板的是氕核【解析】带电粒子直线通过速度选择器的条件为：v0对于氘核：qEqB对于氕核：qEqB，向正极偏转，动能减少对于氚核：qEqB，向负极偏转，动能增加答案AD在地面附近的真空中，
24、存在着竖直向上的匀强电场和垂直电场方向水平向里的匀强磁场，如图414甲所示磁场的磁感应强度B随时间t的变化情况如图414乙所示该区域中有一条水平直线MN，D是MN上的一点在t0时刻，有一个质量为m、电荷量为q的小球(可看做质点)，从M点开始沿着水平直线以速度v0做匀速直线运动，t0时刻恰好到达N点经观测发现，小球在t2t0至t3t0时间内的某一时刻，又竖直向下经过直线MN上的D点，并且以后小球多次水平向右或竖直向下经过D点求：图414(1)电场强度E的大小(2)小球从M点开始运动到第二次经过D点所用的时间(3)小球运动的周期，并画出运动轨迹(只画一个周期)【解析】(1)小球从M点运动到N点时，
25、有：qEmg解得：E(2)小球从M点到达N点所用时间t1t0小球从N点经过个圆周，到达P点，所以t2t0小球从P点运动到D点的位移xR小球从P点运动到D点的时间t3所以时间tt1t2t32t0或t(31)，t2t0(1)(3)小球运动一个周期的轨迹如图414丙所示图414丙小球的运动周期为：T8t0(或T)答案(1)(2)2t0(3)T8t0运动轨迹如图414丙所示【点评】带电粒子在复合场或组合场中运动的轨迹形成一闭合的对称图形的试题在高考中屡有出现、常见的、在科学技术中的应用带电粒子在电场、磁场中的运动规律在科学技术中有广泛的应用，高中物理中常碰到的有：示波器(显像管)、速度选择器、质谱仪、回旋加速器、霍耳效应传感器、磁流体发电机，电磁流量计等