第四部分带电粒子在复合场中的运动学案

1专题:带电粒子在复合场中的运动知识目标一、复合场及其特点这里所说的复合场是指电场、磁场、重力场并存，或其中某两种场并存。带电粒子在这些复合场中运动时，必须同时考虑电场力、洛仑兹力和重力的作用或某两种力的作用，因此对粒子的运动形式的分析极为重要。二、带电粒子在复合场电运动的基本分析1.当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止．2.当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动．3.当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动．4.当带电粒子所受的合外力不断变化的时，粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理．三、电场力和洛仑兹力的比较1.在电场中的电荷，不管其运动与否，均受到电场力的作用；而磁场仅仅对运动着的、且速度与磁场方向不平行的电荷有洛仑兹力的作用．2.电场力的大小F＝Eq，与电荷的运动的速度无关；而洛仑兹力的大小f=Bqvsinα,与电荷运动的速度大小和方向均有关．3.电场力的方向与电场的方向或相同、或相反；而洛仑兹力的方向始终既和磁场垂直，又和速度方向垂直．4.电场力既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向，而洛仑兹力只能改变电荷运动的速度方向，不能改变速度大小5.电场力可以对电荷做功，能改变电荷的动能；洛仑兹力不能对电荷做功，不能改变电荷的动能．6.匀强电场中在电场力的作用下，运动电荷的偏转轨迹为抛物线；匀强磁场中在洛仑兹力的作用下，垂直于磁场方向运动的电荷的偏转轨迹为圆弧．四、对于重力的考虑重力考虑与否分三种情况．（1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就不计其重力；而对于一些实际物体，如带电小球、液滴等不做特殊交待时就应当考虑其重力．（2)在题目中有明确交待的是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单．（3)对未知名的带电粒子其重力是否考虑要结合题意．五、复合场中的特殊物理模型1．粒子速度选择器如图所示，粒子经加速电场后得到一定的速度v0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛仑兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，则有qv0B＝qE,v0=E/B，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关。若v＜E/B，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加．若v＞E/B，洛仑兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少．2.磁流体发电机如图所示，由燃烧室O燃烧电离成的正、负离子（等离子体）以高速喷入偏转磁场B中．在洛仑兹力作用下，正、负离子分别向上、下极板偏转、积累，从而在板间形成一个向下的电场．两板间形成一定的电势差．当qvB=qU/d时电势差稳定U＝dvB，这就相当于一个可以对外供电的电源．3.电磁流量计．电磁流量计原理可解释为：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向左流动．导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛仑兹力作用下纵向偏转，a,b间出现电势差．当自由电荷所受电场力和洛仑兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定．由Bqv=Eq=Uq/d，可得v=U/Bd.流量Q=Sv=πUd/4B4.质谱仪图5-6-132如图所示组成：离子源O，加速场U，速度选择器（E,B），偏转场B2，胶片．原理：加速场中qU=½mv2选择器中:v=E/B1偏转场中:d＝2r，qvB2＝mv2/r比荷:122qEmBBd质量122BBdqmE作用：主要用于测量粒子的质量、比荷、研究同位素．5.回旋加速器组成：两个D形盒，大型电磁铁，高频振荡交变电压，两缝间可形成电压U作用：电场用来对粒子（质子、氛核,a粒子等）加速，磁场用来使粒子回旋从而能反复加速．要求：粒子在磁场中做圆周运动的周期等于交变电源的变化周期．关于回旋加速器的几个问题：(1)回旋加速器中的D形盒，它的作用是静电屏蔽，使带电粒子在圆周运动过程中只处在磁场中而不受电场的干扰，以保证粒子做匀速圆周运动‘(2)回旋加速器中所加交变电压的频率f,与带电粒子做匀速圆周运动的频率相等:12qBfTm(3)回旋加速器最后使粒子得到的能量，可由公式2222122KqBREmvm来计算，在粒子电量，、质量m和磁感应强度B一定的情况下，回旋加速器的半径R越大，粒子的能量就越大．规律方法题型一——带电粒子在复合场中的直线运动（1）匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受到的合力为零时，带电粒子可以做匀速直线运动。（2）匀变速直线运动当带电粒子在复合场中受到的合力为恒力时，带电粒子将做匀变速直线运动。当带电粒子受到洛伦兹力作用时，要做匀变速直线运动，一般要在光滑平面上或穿在光滑杆上。（3）变加速直线运动当一带电粒子在复合场中受到合力为变力时，带电粒子可做变加速直线运动。这一类题对学生的能力要求很高，要正确解答这类问题，必须能够正确地分析物理过程，弄清加速度、速度的变化规律。1、如图所示，足够长的光滑绝缘斜面与水平面间的夹角为，放在水平方向的匀强电场和匀强磁场中，电场强度E=50V/m，方向水平向左，磁场方向垂直纸面向外。一个电荷量C，质量m=0.40kg的光滑小球，以初速度=20m/s从斜面底端向上滑，然后又下滑，共经过3s脱离斜面。求磁场的磁感应强度。（g取10）(5T)【变式】如图所示，在互相垂直的水平方向的匀强电场（E已知）和匀强磁场（B已知）中，有一固3定的竖直绝缘杆，杆上套有一个质量为m，电荷量为＋q的小球，它们之间的动摩擦因数为，现由静止释放小球，试分析小球运动的加速度和速度的变化情况，并求出最大速度。（）题型二——带电粒子在分离的电场和磁场中的运动这类问题是将电场和磁场组合在一起，带电粒子经过电场加速（或偏转），再进入匀强磁场。1．运动特点：先做加速（或偏转）运动，再做匀速圆周运动。2．物理规律：由动能动理求速度，或者根据类平抛的规律求相关的物理量。由洛伦滋力提供向心力求解相关物理量。2、如图所示，在直角坐系中的第Ⅰ象限中存在沿y轴负方向的匀强电场，在第Ⅳ象限中存在垂直纸面的匀强磁场，一质量为m、带电量为q的粒子（不计重力）在y轴上的A（0，3）以平行x轴的初速度=120m/s射入电场区，然后从电场区进入磁场区，又从磁场区进入电场区，并通过x轴上P点（4.5，0）和Q点（8，0）各一次。已知该粒子的荷质比为，求磁感应强度的大小与方向？解析：（1），方向垂直纸面向里。（2），垂直纸面向外。【变式】如图所示，A、B为两竖直的金属板，C、D为两水平放置的平行金属板，B板的开口恰好沿CD的中分线，A、B板间的加速电压V，C、D板间所加电压为V，一静止的碳离子（kg，C），自A板经加速电场加速后，由B板右端口进入CD板间，其中C、D板的长度L=2.4m，碳离子恰好沿D板右边缘飞出，进入E右侧匀强磁场区域，最后在P点沿水平方向飞出磁场区。已知磁场的磁感应强度B=1T，方向垂直纸面向里。求：（1）在偏转电场中的运动时间；4（2）碳离子在D板右边缘飞出偏转电场时速度的大小及方向；（3）磁场的宽度。解析：（1）。（2）m/s（3）题型三——磁偏转技术的应用例.电视机显像管中电子束的偏转是用磁偏转技术实现的，电子束经电压为U的加速电场加速后，进入一圆形磁场区，如图所示，磁场方向垂直圆面，磁场区的中心为O，半径为r，当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕中心M点，为了使电子束射到屏幕边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感应强度B为多大？解析:12tan2mvBre高考真题1.串列加速器是用来产生高能离子的装置.图11-4-3中虚线框内为其主体的原理图，其中加速管的中部b处有很高的正电势U，a、c两端均有电极接地（电势为零）.现将速度很小的负一价碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b处的特殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小，这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动.已知碳离子的质量m=2.0×10-26kg,U=7.5×105V,B=0.5T,n=2,元电荷e=1.6×10-19C,求R.图11-4-3答案：R=0.75m2.为了诊断病人的心脏功能和动脉中血液粘滞情况需测量血管中血液的流速和流量.如图11-4-4为电磁流量计的示意图，将血管置于磁感应强度为B的匀强磁场中，测得血管两侧电压为U，已知管的直径为d，试Cabvθ5求出血液在血管中的流速v为多少？流量Q（单位时间内流过的体积）是多少？（重力不计）图11-4-4答案：BdUBdU43．目前,世界上正在研究的一种新型发电机叫磁流体发电机,它可以把气体的内能直接转化为电能,如图5-6-13所示,表示出了它的发电原理:将一束等离子体(即高温下申离的气体,含有大量的带正电和带负电的微粒,而从整体上呈中性),喷射入磁场,在场中有两块金属极板A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压,如果射入磁场的离子体的速度为v,金属平板的面积为S,极间距离为d,匀强磁场磁感强度为B,方向与v垂直,可调节的电阻R接在两极之间,设电离气体充满两极间的空间,其电阻率为ρ.求（1）通过电阻R的电流的大小和方向.（2）两板间的电压.（3）两极间的电场强度为最大的条件,以及最大电场强度值.（１）B到R到ABdvs/（Rs+ρd）(2)BdvsR/（Rs+ρd）(3)外电路断开电场强度最大Emax=BV4.（2011全国理综）.如图，在区域I（0≤x≤d）和区域II（d≤x≤2d）内分别存在匀强磁场，磁感应强度大小分别为B和2B，方向相反，且都垂直于Oxy平面。一质量为m、带电荷量q（q＞0）的粒子a于某时刻从y轴上的P点射入区域I，其速度方向沿x轴正向。已知a在离开区域I时，速度方向与x轴正方向的夹角为30°；此时，另一质量和电荷量均与a相同的粒子b也从p点沿x轴正向射入区域I，其速度大小是a的1/3。不计重力和两粒子之间的相互作用力。求（1）粒子a射入区域I时速度的大小；（2）当a离开区域II时，a、b两粒子的y坐标之差。解析：（1）mqBdva21(2)dyybapp)23(325（2011广东）、如图19（a）所示，在以O为圆心，内外半径分别为1R和2R的圆环区域内，存在辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场，内外圆间的电势差U为常量，1020,3RRRR,一电荷量为+q，质量为m的图5-6-136粒子从内圆上的A点进入该区域，不计重力。（1）已知粒子从外圆上以速度1v射出，求粒子在A点的初速度0v的大小（2）若撤去电场，如图19（b）,已知粒子从OA延长线与外圆的交点C以速度2v射出，方向与OA延长线成45°角，求磁感应强度的大小及粒子在磁场中运动的时间（3）在图19（b）中，若粒子从A点进入磁场，速度大小为3v，方向不确定，要使粒子一定能够从外圆射出，磁感应强度应小于多少？答案：（1）v0=mUqv221（2）B1=)(2122RRqmvt=rv22（3）B2＜)(2123RRqmv6.2010·全国卷Ⅰ·26如下图，在03xa区域内存在与xy平面垂直的匀强磁场，磁感应强度的大小为B.在t=0时刻，一位于坐标原点的粒子源在xy平面内发射出大量同种带电粒子，所有粒子的初速度大小相同，方向与y轴正方向的夹角分布在0～180°范围内。已知沿y轴正方向发射的粒子在0tt时刻刚好从磁场边界上(3,)Paa点离开磁场。求：⑴粒子在磁场中做圆周运动的半径R及粒子的比荷q／m;⑵此时刻仍在磁场中的粒子的初速度方向与y轴正方向夹角的取值范围；⑶从粒子发射到全部粒子离开磁场所用的时间。【答案】⑴aR332032Btmq⑵速度与y轴的正方向的夹角范围是60°到120°⑷从粒子发射到全部离开所用时间为02t