高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 磁場(chǎng)第2講 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用課件 教科版選修31.ppt

第2講磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 2013屆高考一輪物理復(fù)習(xí)課件選修3 1第八章磁場(chǎng) 教科版 1 洛倫茲力 磁場(chǎng)對(duì) 的作用力叫洛倫茲力 洛倫茲力 洛倫茲力的方向 考綱要求 洛倫茲力的公式 考綱要求 洛倫茲力的方向 1 判定方法左手定則 掌心 磁感線 穿入掌心 四指 指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的 拇指 指向 的方向 2 運(yùn)動(dòng)電荷 垂直 反方向 洛倫茲力 2 方向特點(diǎn) f b f v 即f垂直于b和v決定的 注意 洛倫茲力不做功 洛倫茲力的大小 1 v b時(shí) 洛倫茲力f 0 或180 2 v b時(shí) 洛倫茲力f 90 3 v 0時(shí) 洛倫茲力f 3 平面 0 0 qvb 若v b 帶電粒子不受洛倫茲力 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做 運(yùn)動(dòng) 若v b 帶電粒子僅受洛倫茲力作用 在垂直于磁感線的平面內(nèi)以入射速度v做 運(yùn)動(dòng) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 考綱要求 1 2 勻速直線 勻速圓周 質(zhì)譜儀 1 構(gòu)造 如圖8 2 1所示 由粒子源 和照相底片等構(gòu)成 2 原理 粒子由靜止被加速電場(chǎng)加速 根據(jù)動(dòng)能定理可得關(guān)系式 質(zhì)譜儀和回旋加速器 考綱要求 圖8 2 1 1 粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn) 做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 根據(jù)牛頓第二定律得關(guān)系式qvb 由兩式可得出需要研究的物理量 如粒子軌道半徑 粒子質(zhì)量 比荷 r m 加速電場(chǎng) 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 回旋加速器 1 構(gòu)造 如圖8 2 2所示 d1 d2是半圓金屬盒 d形盒的縫隙處接 電源 d形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 2 原理 交流電的周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期 粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過程中一次一次地經(jīng)過d形盒縫隙 兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向 粒子就會(huì)被一次一次地加速 圖8 2 2 2 子獲得的最大動(dòng)能由 和d形盒 決定 與加速電壓 可見粒 交流 磁感應(yīng)強(qiáng)度 半徑 無關(guān) 相等 2011 遵義高三檢測(cè) 關(guān)于電場(chǎng)力與洛倫茲力 以下說法正確的是 a 電荷只要處在電場(chǎng)中 就會(huì)受到電場(chǎng)力 而電荷靜止在磁場(chǎng)中 也可能受到洛倫茲力b 電場(chǎng)力對(duì)在電場(chǎng)中的電荷一定會(huì)做功 而洛倫茲力對(duì)在磁場(chǎng)中的電荷卻不會(huì)做功c 電場(chǎng)力與洛倫茲力一樣 受力方向都在電場(chǎng)線和磁感線上d 只有運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中才可能會(huì)受到洛倫茲力的作用解析靜止在磁場(chǎng)中的電荷不可能受到洛倫茲力 a錯(cuò) 盡管電場(chǎng)力對(duì)電荷可以做功 但如果電荷在電場(chǎng)中不動(dòng)或沿等勢(shì)面移動(dòng) 電場(chǎng)力做功為零 b錯(cuò) 洛倫茲力的方向與磁感線垂直 與運(yùn)動(dòng)方向垂直 c錯(cuò) 只有d是正確的 答案d 1 2011 黃山高三檢測(cè) 下列各圖中 運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向 磁感應(yīng)強(qiáng)度方向和電荷的受力方向之間的關(guān)系正確的是 2 解析根據(jù)左手定則 a中f方向應(yīng)向上 b中f方向應(yīng)向下 故a錯(cuò) b對(duì) c d中都是v b f 0 故c d都錯(cuò) 答案b 如圖8 2 3所示 半徑為r的圓形空間內(nèi) 存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 一個(gè)帶電粒子 不計(jì)重力 從a點(diǎn)以速度v0垂直于磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中 并從b點(diǎn)射出 若 aob 120 則該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為 圖8 2 3 3 答案d 1922年英國物理學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明 同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8 2 4所示 則下列相關(guān)說法中正確的是 a 該束帶電粒子帶負(fù)電b 速度選擇器的p1極板帶正電 圖8 2 4 4 c 在b2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子 質(zhì)量越大 答案bd 2012 石家莊教學(xué)檢測(cè) 勞倫斯和利文斯設(shè)計(jì)出回旋加速器 工作原理示意圖如圖8 2 5所示 置于高真空中的d形金屬盒半徑為r 兩盒間的狹縫很小 帶電粒子穿過的時(shí)間可忽略 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直 高頻交流電頻率為f 加 圖8 2 5 5 速電壓為u0 若a處粒子源產(chǎn)生的質(zhì)子質(zhì)量為m 電荷量為 q 在加速器中被加速 且加速過程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力的影響 則下列說法正確的是 a 質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2 rfb 質(zhì)子離開回旋加速器時(shí)的最大動(dòng)能與加速電壓u成正比 d 不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度b和交流電頻率f 該回旋加速器也能用于 粒子加速 答案ac 洛倫茲力和安培力的關(guān)系洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力 而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 洛倫茲力方向的特點(diǎn) 1 洛倫茲力的方向總是垂直于運(yùn)動(dòng)電荷速度方向和磁場(chǎng)方向確定的平面 2 當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí) 洛倫茲力的方向也隨之變化 3 用左手定則判斷負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的洛倫茲力時(shí) 要注意將四指指向電荷運(yùn)動(dòng)的反方向 考點(diǎn)一對(duì)洛倫茲力的理解 1 2 3 洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較 用絕緣細(xì)線懸掛一個(gè)質(zhì)量為m 帶電荷量為 q的小球 讓它處于圖8 2 6所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 由于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng) 小球靜止在圖中位置 這時(shí)懸線與豎直方向夾角為 并被拉緊 則磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度和方向是 典例1 圖8 2 6 答案c 在如圖8 2 7所示的空間中 存在電場(chǎng)強(qiáng)度為e的勻強(qiáng)電場(chǎng) 同時(shí)存在沿x軸負(fù)方向 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 一質(zhì)子 電荷量為e 在該空間恰沿y軸正方向以速度v勻速運(yùn)動(dòng) 據(jù)此可以判斷出 變式1 圖8 2 7 a 質(zhì)子所受電場(chǎng)力大小等于ee 運(yùn)動(dòng)中電勢(shì)能減小 沿z軸正方向電勢(shì)升高b 質(zhì)子所受電場(chǎng)力大小等于ee 運(yùn)動(dòng)中電勢(shì)能增大 沿z軸正方向電勢(shì)降低c 質(zhì)子所受電場(chǎng)力大小等于evb 運(yùn)動(dòng)中電勢(shì)能不變 沿z軸正方向電勢(shì)升高d 質(zhì)子所受電場(chǎng)力大小等于evb 運(yùn)動(dòng)中電勢(shì)能不變 沿z軸正方向電勢(shì)降低 解析解答本題是利用左手定則判斷洛倫茲力的方向 根據(jù)平衡條件判斷電場(chǎng)力方向及電場(chǎng)方向 注意運(yùn)用電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系 沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)降低 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b的方向沿x軸負(fù)方向 質(zhì)子沿y軸正方向運(yùn)動(dòng) 由左手定則可確定洛倫茲力沿z軸正方向 由于質(zhì)子受電場(chǎng)力和洛倫茲力作用沿y軸正方向做勻速直線運(yùn)動(dòng) 故電場(chǎng)力ee等于洛倫茲力evb 方向沿z軸負(fù)方向 即電場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向 質(zhì)子在運(yùn)動(dòng)過程中電場(chǎng)力不做功 電勢(shì)能不變 沿z軸正方向即電場(chǎng)反方向電勢(shì)升高 故c正確 a b d錯(cuò)誤 答案c 圓心的確定 1 已知入射點(diǎn) 出射點(diǎn) 入射方向和出射方向時(shí) 可通過入射點(diǎn)和出射點(diǎn)分別作垂直于入射方向和出射方向的直線 兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心 如圖8 2 8甲所示 圖中p為入射點(diǎn) m為出射點(diǎn) 考點(diǎn)二帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1 甲乙圖8 2 8 2 已知入射方向 入射點(diǎn)和出射點(diǎn)的位置時(shí) 可以通過入射點(diǎn)作入射方向的垂線 連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn) 作其中垂線 這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌跡的圓心 如圖8 2 8乙所示 p為入射點(diǎn) m為出射點(diǎn) 半徑的確定可利用物理學(xué)公式或幾何知識(shí) 勾股定理 三角函數(shù)等 求出半徑大小 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定 2 3 如圖8 2 9所示 長(zhǎng)方形abcd長(zhǎng)ad 0 6m 寬ab 0 3m o e分別是ad bc的中點(diǎn) 以ad為直徑的半圓內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 邊界上無磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度b 0 25t 一群不計(jì)重力 質(zhì)量m 3 10 7kg 電荷量q 2 10 3c的帶電粒子 以速度v 5 102m s沿垂 典例2 圖8 2 9 直ad方向且垂直于磁場(chǎng)射入磁場(chǎng)區(qū)域 不考慮粒子間的相互作用 1 若從o點(diǎn)射入的帶電粒子剛好沿oe直線射出 求空間所加電場(chǎng)的大小和方向 2 若只有磁場(chǎng)時(shí) 某帶電粒子從o點(diǎn)射入 求該粒子從長(zhǎng)方形abcd射出的位置 解析 1 若從o點(diǎn)射入的帶電粒子剛好沿oe直線射出 則粒子所受的洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡 即qvb qe 得e vb 125v m由左手定則可判斷洛倫茲力方向向上 所以電場(chǎng)力向下 因?yàn)榱Ｗ訋д?所以電場(chǎng)方向與bc邊平行向下 2 如圖所示 若只有磁場(chǎng)時(shí) 某帶電粒子從o點(diǎn)射入 由左手定則可知粒子射入后向上偏轉(zhuǎn) 答案 1 125v m 與bc邊平行向下 2 e點(diǎn)上方距e點(diǎn)0 22m處 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的程序解題法 三步法 1 畫軌跡 即畫出軌跡 并確定圓心 幾何方法求半徑 2 找聯(lián)系 軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度 運(yùn)動(dòng)速度相聯(lián)系 偏轉(zhuǎn)角度與圓心角 運(yùn)動(dòng)時(shí)間相聯(lián)系 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與周期相聯(lián)系 3 用規(guī)律 即牛頓第二定律和圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 特別是周期公式 半徑公式 如圖8 2 10所示 在某空間實(shí)驗(yàn)室中 有兩個(gè)靠在一起的等大的圓柱形區(qū)域 分別存在著等大反向的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度b 0 10t 磁場(chǎng)區(qū)域 變式2 圖8 2 10 左側(cè)區(qū)圓心為o1 磁場(chǎng)向里 右側(cè)區(qū)圓心 為o2 磁場(chǎng)向外 兩區(qū)域切點(diǎn)為c 今有質(zhì)量m 3 2 10 26kg 帶電荷量q 1 6 10 19c的某種離子 從左側(cè)區(qū)邊緣的a點(diǎn)以速度v 106m s正對(duì)o1的方向垂直磁場(chǎng)射入 它將穿越c點(diǎn)后再從右側(cè)區(qū)穿出 求 1 該離子通過兩磁場(chǎng)區(qū)域所用的時(shí)間 2 離子離開右側(cè)區(qū)域的出射點(diǎn)偏離最初入射方向的側(cè)移距離為多大 側(cè)移距離指垂直初速度方向上移動(dòng)的距離 解析 1 離子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 在左右兩區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡是對(duì)稱的 如右圖 設(shè)軌跡半徑為r 圓周運(yùn)動(dòng)的周期為t 2 在圖中過o2向ao1作垂線 聯(lián)立軌跡對(duì)稱關(guān)系側(cè)移總距離d 2rsin2 2m 答案 1 4 19 10 6s 2 2m 10 帶電粒子的磁偏轉(zhuǎn) 模型 有界磁場(chǎng)中的臨界問題 1 模型概述帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題一直是高考的熱點(diǎn) 此類模型較為復(fù)雜 常見的磁場(chǎng)邊界有單直線邊界 雙直線邊界 矩形邊界和圓形邊界等 因?yàn)槭怯薪绱艌?chǎng) 則帶電粒子運(yùn)動(dòng)的完整圓周往往會(huì)被破壞 可能存在最大 最小面積 最長(zhǎng) 最短時(shí)間等問題 2 模型分類 單直線邊界型 當(dāng)粒子源在磁場(chǎng)中 且可以向紙面內(nèi)各個(gè)方向以相同速率發(fā)射同種帶電粒子時(shí)以圖8 2 11 甲 中帶負(fù)電粒子的運(yùn)動(dòng)為例 規(guī)律要點(diǎn) 圖8 2 11 雙直線邊界型當(dāng)粒子源在一條邊界上向紙面內(nèi)各個(gè)方向以相同速率發(fā)射同一種粒子時(shí) 以圖8 2 11 乙 中帶負(fù)電粒子的運(yùn)動(dòng)為例 規(guī)律要點(diǎn) 最值相切 粒子能從另一邊界射出的上 下最遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軌道分別與兩直線相切 如圖8 2 11 乙 所示 對(duì)稱性 過粒子源s的垂線為ab的中垂線 在如圖 乙 中 a b之間有帶電粒子射出 最值相切規(guī)律可推廣到矩形區(qū)域磁場(chǎng)中 圓形邊界 1 圓形磁場(chǎng)區(qū)域規(guī)律要點(diǎn) 相交于圓心 帶電粒子沿指向圓心的方向進(jìn)入磁場(chǎng) 則出磁場(chǎng)時(shí)速度矢量的反向延長(zhǎng)線一定過圓心 即兩速度矢量相交于圓心 如圖8 2 12 甲 直徑最小 帶電粒子從直徑的一個(gè)端點(diǎn)射入磁場(chǎng) 則從該直徑的另一端點(diǎn)射出時(shí) 磁場(chǎng)區(qū)域面積最小 如圖8 2 12 乙 所示 2 環(huán)狀磁場(chǎng)區(qū)域規(guī)律要點(diǎn) 徑向出入 帶電粒子沿 逆 半徑方向射入磁場(chǎng) 若能返回同一邊界 則一定逆 沿 半徑方向射出磁場(chǎng) 最值相切 當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡與圓相切時(shí) 粒子有最大速度vm而