2019年高考物理考纲解读与热点难点突破专题07带电粒子在复合场中的运动教学案2.pdf
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1、专题 07 带电粒子在复合场中的运动专题 07 带电粒子在复合场中的运动 【2019 年高考考纲解读】【2019 年高考考纲解读】 (1)主要考查三种常见的运动规律,即匀变速直线运动、平抛运动及圆周运动一般出现在试卷的压 轴题中 (2)以电磁技术的应用为背景材料,联系实际考查学以致用的能力,一般出现在压轴题中 (3)偶尔出现在选择题中,给出一段技术应用的背景材料,考查带电粒子在场中的运动规律及特点 【命题趋势】 (1)考查带电粒子在组合场中的运动问题; (2)考查带电粒子在复合场中的运动问题; (3)考查以带电粒子在组合场、 复合场中的运动规律为工作原理的仪器在科学领域、 生活实际中的应用 【
2、重点、难【重点、难 点剖析】点剖析】 一、带电粒子在“组合场”中的运动一、带电粒子在“组合场”中的运动 (1)组合场:指电场、磁场、重力场有两种场同时存在,但各位于一定的区域内且并不重叠,且带电粒 子在一个场中只受一种场力的作用。 (2)对“组合场”问题的处理方法 最简单的方法是进行分段处理,要注意在两种区域的交界处的边界问题与运动的连接条件,根据受力 情况分析和运动情况分析,大致画出粒子的运动轨迹图,从而有利于直观地解决问题。 【方法技巧】解决带电粒子在组合场中运动的一般思路和方法: (1)明确组合场是由哪些场组合成的。 (2)判断粒子经过组合场时的受力和运动情况,并画出相应的运动轨迹简图。
3、 (3)带电粒子经过电场时利用动能定理和类平抛运动知识分析。 (4)带电粒子经过磁场区域时通常用圆周运动知识结合几何知识来处理。 二、带电粒子在复合场中的运动二、带电粒子在复合场中的运动 1 1.正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题的前提 带电粒子在复合场中做什么运动,取决于带电粒子所受的合外力及初始运动的速度,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。 2 2.灵活选用力学规律是解决问题的关键 当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时,应根据平衡条件列方程求解;当带电粒子在复合场中做匀速 圆周运动时,往往同时应用牛顿第二定律和平衡条件列方程联立求解;当带电粒子在复合场中做非匀
4、变速曲 线运动时,应选用动能定理或能量守恒定律列方程求解。 由于带电粒子在复合场中受力情况复杂,往往出现临界问题,此时应以题目中出现的“恰好”“最 大”“最高”“至少”等词语为突破口,挖掘隐含条件,根据临界条件列出辅助方程,再与其他方程联立 求解。 三、带电粒子在周期性的电场三、带电粒子在周期性的电场、磁场中的运动、磁场中的运动 带电粒子在交变电场或磁场中运动情况较复杂,运动情况不仅取决于场的变化规律,还与粒子进入场 的时刻有关,一定要从粒子的受力情况着手,分析出粒子在不同时间间隔内的运动情况,若交变电压的变 化周期远大于粒子穿越电场的时间,那么粒子在穿越电场的过程中,可看做匀强电场。 【变式
5、探究】 【2017天津卷】 平面直角坐标系xOy中, 第象限存在垂直于平面向里的匀强磁场, 第 现象存在沿y轴负方向的匀强电场,如图所示。一带负电的粒子从电场中的Q点以速度v0沿x轴正方向开 始运动,Q点到y轴的距离为到x轴距离的 2 倍。粒子从坐标原点O离开电场进入磁场,最终从x轴上的P 点射出磁场,P点到y轴距离与Q点到y轴距离相等。不计粒子重力,问: (1)粒子到达O点时速度的大小和方向; (2)电场强度和磁感应强度的大小之比。 【答案】(1) 0 2vv ,方向与x轴方向的夹角为 45角斜向上 (2) 2 0 v B E 【解析】(1)粒子在电场中由Q到O做类平抛运动,设O点速度v与+
6、x方向夹角为,Q点到x轴的 距离为L,到y轴的距离为 2L,粒子的加速度为a,运动时间为t,根据类平抛运动的规律,有: x方向:tvL 0 2 y方向: 2 2 1 atL 粒子到达O点时沿y轴方向的分速度为: atvy 又: 0 tan v vy 解得:1tan,即 45 ,粒子到达O点时速度方向与x轴方向的夹角为 45角斜向上。 粒子到达O点时的速度大小为 【变式探究】(2016全国卷,15)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子,其示意图如图 1 所 示,其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。 若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加
7、速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开 磁场,需将磁感应强度增加到原来的 12 倍。此离子和质子的质量比约为( ) 图 1 A11 B12 C121 D144 【答案】D 【解析】设质子的质量和电荷量分别为m1、q1,一价正离子的质量和电荷量为m2、q2。对于任意粒子, 在加速电场中,由动能定理得 qUmv20,得v 1 2 2qU m 在磁场中qvBm v2 r 由式联立得m,由题意知,两种粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径相同,加速电压U不变,其 B2r2q 2U 中B212B1,q1q2,可得 144,故选项 D 正确。 m2 m1 B B 由式解得r2 2 B mEd q (
8、2)设粒子在第n层磁场中运动的速度为vn,轨迹半径为rn(各量的下标均代表 粒子所在层数,下同) nqEdmv 1 2 2n qvnBm v rn 图 1 由式得 rnsin nrn1sin n1d 由式看出r1sin 1,r2sin 2,rnsin n为一等差数列,公差为d,可得 rnsin nr1sin 1(n1)d 图 2 当n1 时,由图 2 看出 r1sin 1d 由式得 sin nB nqd 2mE 【变式探究】(2015江苏单科,15,16 分)一台质谱仪的工作原理如图所示,电荷量均为q、质 量不同的离子飘入电压为U0的加速电场,其初速度几乎为零这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁
9、 场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在底片上已知放置底片的区域MNL,且OML. 某次测量发现MN中左侧 区域MQ损坏,检测不到离子,但右侧 区域QN仍能正常检测到离子在适当调 2 3 1 3 节加速电压后,原本打在MQ的离子即可在QN检测到 (1)求原本打在MN中点P的离子质量m; (2)为使原本打在P的离子能打在QN区域,求加速电压U的调节范围; (3)为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整,求需要调节U的最少次数(取 lg 2 0.301,lg 30.477,lg 50.699) 【答案】(1) (2)U (3)3 次 9qB2L2 32U0 100U0 81
10、16U0 9 (2)由(1)知,U离子打在Q点时rL,U 16U0r2 9L2 5 6 100U0 81 离子打在N点时rL,U,则电压的范围 16U0 9 U 100U0 81 16U0 9 (2)加电场后,小球从O点到A点和B点,高度分别降低了 和,设电势能分别减小 EpA和 EpB, d 2 3d 2 由能量守恒及式得 EpA3Ek0Ek0mgdEk0 1 2 2 3 EpB6Ek0Ek0mgdEk0 3 2 在匀强电场中,沿任一直线,电势的降落是均匀的设直线OB上的M点与A点等电势,M与O点的距 离为x,如图,则有 x 3 2d EpA EpB 解得xd.MA为等势线,电场必与其垂线O
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