最新整理高三物理带电粒子在电磁场中的运动.docx
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2024高考物理真题分项解析专题16带电粒子在电磁场中运动1.(2024高考新课程卷·26).(20分)一质量为m 、电荷量为()0q q >的带电粒子始终在同一水平面内运动,其速度可用图示的直角坐标系内,一个点(),x y P v v 表示,x v 、y v 分别为粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量。
粒子出发时P 位于图中()00,a v 点,粒子在水平方向的匀强电场作用下运动,P 点沿线段ab 移动到()00,b v v 点;随后粒子离开电场,进入方向竖直、磁感应强度大小为B 的匀强磁场,P 点沿以O 为圆心的圆弧移动至()00,c v v -点;然后粒子离开磁场返回电场,P 点沿线段ca 回到a 点。
已知任何相等的时间内P 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等。
不计重力。
求(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期;(2)电场强度的大小;(3)P 点沿图中闭合曲线移动1周回到a 点时,粒子位移的大小。
试题分析题图给出的是粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量关系图像,不要理解成轨迹图像。
在a 点,粒子速度沿y 方向,做类平抛运动,运动到b 点,粒子做匀速圆周运动到c 点,逆方向类平抛运动,轨迹如图。
解题思路本题考查的考点:带电粒子在匀强电场中的类平抛运动和在匀强磁场中的匀速圆周运动。
(1)根据题述,粒子出发时P 位于图中()00,a v 点,粒子在水平方向的匀强电场作用下运动,P 点沿线段ab 移动到()00,b v v 点;可知带电粒子在磁场中做匀速圆周运动时的速度2200v v +2v 0,由qvB=m2v r解得r=02mv qB周期T=2πr/v=2mqBπ(2)根据题述,已知任何相等的时间内P 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等,由于曲线表示的为速度相应的曲线,所以P 点沿图中闭合曲线的加速度相等,故可得02qB v m=qEm 解得2Bv (3)根据题意分析,可知,P 点从b 到c,转过270°。
压轴题08带电粒子在复合场、组合场中的运动1.本专题是电磁场的典型题型之一,包括应用电场力洛伦兹力的知识解决实际问题。
高考中经常在选择题中命题,更是在在计算题中频繁出现。
2024年高考对于复合场、组合场的考查仍然是热点。
2.通过本专题的复习,不仅利于完善学生的知识体系,也有利于培养学生的物理核心素养。
3.用到的相关知识有:电场的知识,磁场的知识等。
近几年的高考命题中一直都是以压轴题的形式存在,重点考查类型带电粒子在复合场中的运动,组合场中的运动等。
考向一:带电体在磁场中的运动1.带电体在匀强磁场中速度变化时洛伦兹力往往随之变化,并进一步导致弹力、摩擦力等的变化,带电体将在变力作用下做变加速运动。
2.利用牛顿运动定律和平衡条件分析各物理量的动态变化时要注意弹力为零的临界状态,此状态是弹力方向发生改变的转折点。
考向二:带电粒子在叠加场中的运动1.三种场的比较力的特点功和能的特点重力场大小:G =mg 方向:竖直向下重力做功与路径无关;重力做功改变物体的重力势能电场大小:F =qE方向:正电荷受力方向与场强方向相同,负电荷受力方向与电强方向相反电场力做功与路径无关;W =qU ;电场力做功改变电势能磁场大小:f =qvB (v ⊥B )方向:可用左手定则判断洛伦兹力不做功,不改变带电粒子的动能2.分析的基本思路(1)弄清叠加场的组成。
(2)进行受力分析,确定带电粒子的运动状态,注意运动情况和受力情况的结合。
(3)画出粒子的运动轨迹,灵活选择不同的运动规律。
①由于洛伦兹力的大小与速度有关,带电粒子在含有磁场的叠加场中的直线运动一定为匀速直线运动,根据平衡条件列式求解。
②当带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动时,一定是电场力和重力平衡,洛伦兹力提供向心力,应用平衡条件和牛顿运动定律分别列方程求解。
③当带电粒子做复杂曲线运动时,一般用动能定理或能量守恒定律求解。
考向三:带电粒子在组合场中的运动带电粒子在电场、磁场组合场中的运动是指粒子从电场到磁场或从磁场到电场的运动。
带电粒子在电磁场中的运动与辐射带电粒子在电磁场中的运动是一个经典物理学中的基本问题,也是电动力学研究的重要内容之一。
在电磁场的作用下,带电粒子受到洛伦兹力的作用,其轨迹和运动性质会发生变化,并且会辐射电磁波。
本文将探讨带电粒子在电磁场中的运动以及与之相关的辐射现象。
一、运动方程在电磁场中,带电粒子受到洛伦兹力的作用,其运动满足运动方程:m(d²r/dt²) = q(E + v × B)其中,m是带电粒子的质量,q是电荷量,r是位置矢量,t是时间,E是电场强度,B是磁感应强度,v是粒子的速度。
这个方程描述了带电粒子在电磁场中受力的情况,即电场和磁场对粒子的作用力。
通过求解这个运动方程,可以得到带电粒子的轨迹以及相应的运动性质。
二、洛伦兹力的效应带电粒子在电磁场中受到洛伦兹力的作用,这个力会改变粒子的运动状态。
具体来说,洛伦兹力可分为电场力和磁场力两个分量。
电场力与电场强度呈正比,其方向与电场强度的方向相同或相反,决定于带电粒子的电荷正负。
而磁场力与速度和磁感应强度的叉乘结果成正比,其方向垂直于速度和磁感应强度所决定的平面。
洛伦兹力的作用使得带电粒子的运动轨迹发生偏离,通常出现螺旋状的运动路径,称为洛伦兹运动。
带电粒子在电场和磁场的共同作用下,可以在特定的运动参数下呈现出稳定的轴向向前加速或向后减速运动。
三、带电粒子的辐射现象带电粒子在电磁场中的运动不仅仅影响其轨迹,还会产生辐射现象。
根据经典电动力学理论,加速运动的带电粒子会辐射出电磁波。
带电粒子辐射的功率与粒子的加速度成正比,具体表示为洛伦兹辐射公式:P = q²a²/6πε₀c³其中,P是辐射功率,q是电荷量,a是加速度,ε₀是真空介电常数,c是光速。
带电粒子的辐射包含两种成分:同步辐射和非同步辐射。
同步辐射主要发生在粒子的运动轨迹与电场方向相平行或完全垂直的情况下,其频率与粒子的圆周运动频率相等。
带电粒子在电磁场中的运动在物理学中,电磁场是一种具有电力和磁力效应的力场。
当带电粒子处于电磁场中时,它会受到电磁力的作用而发生运动。
本文将探讨带电粒子在电磁场中的运动规律及其相关特性。
一、洛伦兹力在电磁场中,带电粒子受到的力被称为洛伦兹力。
洛伦兹力由电场力和磁场力两部分组成,可以用如下公式表示:F = q(E + v × B)其中,F表示洛伦兹力,q为带电粒子的电荷量,E为电场强度,v 为带电粒子的速度,B为磁场强度。
根据洛伦兹力的方向,带电粒子会在电磁场中发生不同的运动。
如果电场力和磁场力方向相同或相反,带电粒子会受到一个向加速度的力,其运动轨迹将呈现弯曲的形状;如果电场力和磁场力方向垂直,带电粒子将受到一个向速度方向的力,其运动轨迹将变成圆形。
二、带电粒子在磁场中的运动当带电粒子以一定的速度进入磁场时,它会受到磁场力的作用,引起其运动轨迹的变化。
带电粒子在磁场中的运动可以通过以下几个特性进行描述:1. 弯曲半径带电粒子在磁场中做圆周运动,其弯曲半径由以下公式确定:r = mv / (qB)其中,r表示圆周运动的弯曲半径,m为带电粒子的质量,v为速度,q为电荷量,B为磁感应强度。
2. 周期带电粒子在磁场中做圆周运动的周期为:T = 2πm / (qB)其中,T表示周期,m为质量,q为电荷量,B为磁感应强度。
3. 轨道速度带电粒子在磁场中的轨道速度由以下公式确定:v = (qBr / m)其中,v表示轨道速度,q为电荷量,B为磁感应强度,r为弯曲半径,m为质量。
三、带电粒子在电场和磁场共存时的运动当带电粒子同时处于电场和磁场中时,其运动将会更为复杂。
在稳恒磁场的作用下,带电粒子将绕磁力线做螺旋线运动。
同时,在电场力的作用下,带电粒子的轨迹将受到偏转。
此时,带电粒子的运动方程可以通过以下公式描述:m(dv/dt) = q(E + v × B)其中,m为质量,v为速度,q为电荷量,E为电场强度,B为磁感应强度。
带电粒子在电磁场中的运动-高中物理专题(含解析)引言本文将讨论带电粒子在电磁场中的运动,涉及到相关的物理概念和解析。
我们将从基本的概念开始,逐步深入探讨。
电磁场的基本概念电磁场是由电荷和电流所产生的。
对于静电场而言,电磁场的作用是通过电荷之间的相互作用传递力;而对于电流产生的磁场来说,电磁场的作用是通过磁力线的变化传递力。
在电磁场中,带电粒子受到电磁力的作用而运动。
带电粒子在电磁场中的运动方程带电粒子在电磁场中的运动方程可以由洛伦兹力得出。
洛伦兹力是指带电粒子在电磁场中所受的力,其方向垂直于粒子速度和磁场方向的平面。
洛伦兹力的大小与带电粒子的电荷量、速度以及磁场的强度有关。
带电粒子在电磁场中的运动方程可以表示为:F = q(E + v × B)其中,F是带电粒子所受的力,q是带电粒子的电荷量,E是电场强度,v是带电粒子的速度,B是磁场强度。
带电粒子在电磁场中的运动类型带电粒子在电磁场中的运动类型有很多种。
根据粒子速度和磁场方向的关系,可以将其分为以下几种情况:1. 带电粒子在电磁场中做匀速直线运动。
2. 带电粒子在电磁场中做匀速圆周运动。
3. 带电粒子在电磁场中做螺旋运动。
实例解析下面我们通过一个实例来解析带电粒子在电磁场中的运动。
假设我们有一个带正电荷的粒子,处于一个均匀磁场和一个均匀电场中。
该粒子以速度v在电场和磁场的交叉方向上运动。
根据洛伦兹力公式,该粒子在电磁场中所受的合力为:F = q(E + v × B)其中q为粒子的电荷量,E为电场强度,B为磁场强度。
根据合力的方向,我们可以确定粒子在电磁场中的运动类型。
具体的运动轨迹可通过求解运动方程得到。
结论带电粒子在电磁场中的运动是由洛伦兹力所驱动的。
根据粒子速度和磁场方向的关系,带电粒子可以做匀速直线运动、匀速圆周运动或螺旋运动。
通过解析带电粒子在电磁场中的运动,我们可以更好地理解电磁场对粒子的影响,为相关领域的研究和应用提供基础知识。
专题三:带电粒子在电磁场中的运动(全国卷高考真题版)1、(2011年全国卷,25题,19分)★★★★如图,与水平面成45°角的平面MN 将空间分成I 和II 两个区域。
一质量为m 、电荷量为q (q >0)的粒子以速度0v 从平面MN 上的0p 点水平右射入I 区。
粒子在I 区运动时,只受到大小不变、方向竖直向下的电场作用,电场强度大小为E ;在II 区运动时,只受到匀强磁场的作用,磁感应强度大小为B ,方向垂直于纸面向里。
求粒子首次从II 区离开时到出发点0p 的距离。
(粒子的重力可以忽略。
)00221()mv v l q E B=+2、(2011年全国新课标卷,25题,19分)★★★★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°;因此,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。
(1)2dqB m (2)23(3-2)d3、(2012年全国大纲版,24题,16分)★★如图,一平行板电容器的两个极板竖直放置,在两极板间有一带电小球,小球用一绝缘清线悬挂于O 点。
先给电容器缓慢充电,使两级板所带电荷量分别为﹢Q 和﹣Q ,此时悬线与竖直方向的夹角为π/6。
再给电容器缓慢充电,直到悬线和竖直方向的夹角增加到π/3,且小球与两极板不接触。
求第二次充电使电容器正极板增加的电荷量。
Q=2Q ∆4、(00年全国卷21题,13分)★★★如图,两个共轴的圆筒形金属电极,外电极接地,其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a 、b 、c 和d ,外筒的外半径为r 0。
高考物理复习:带电粒子在电磁场中的运动1.如图,在直角三角形OPN 区域内存在匀强磁场,磁感应强度大小为B 、方向垂直于纸面向外。
一带正电的粒子从静止开始经电压U 加速后,沿平行于x 辅的方向射入磁场;一段时间后,该粒子在OP 边上某点以垂直于x 轴的方向射出。
已知O 点为坐标原点,N 点在y 轴上,OP 与x 轴的夹角为30°,粒子进入磁场的入射点与离开磁场的出射点之间的距离为d ,不计重力。
求 (1)带电粒子的比荷;(2)带电粒子从射入磁场到运动至x 轴的时间。
【答案】(1)224Ud B (2)23812d B U π⎛⎫+⋅ ⎪ ⎪⎝⎭或23423Bd U π⎛⎫+ ⎪ ⎪⎝⎭【解析】【详解】(1)粒子从静止被加速的过程,根据动能定理得:2012qU mv =,解得:02qUv m= 根据题意,下图为粒子的运动轨迹,由几何关系可知,该粒子在磁场中运动的轨迹半径为:2r d =粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,即:20v qv B m r=联立方程得:224q U m d B= (2)根据题意,粒子在磁场中运动的轨迹为四分之一圆周,长度112=24S r d π⋅=粒子射出磁场后到运动至x轴,运动的轨迹长度2tan 30S r =⋅=o 粒子从射入磁场到运动至x 轴过程中,一直匀速率运动,则12S S t v +=解得:2812d Bt U π⎛⎫=+⋅ ⎪ ⎪⎝⎭或242Bd t U π⎛=+ ⎝⎭1.平面直角坐标系xOy 中,第Ⅰ象限存在垂直于平面向里的匀强磁场,第Ⅲ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v 0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 离开电场进入电场,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,为: (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。
2023届高三物理高考备考一轮总复习—带电粒子在磁场中的运动必刷题一、单选题(共7题)1.质子(11H )和α粒子(42He )以相同的速度垂直进入同一匀强磁场中,它们在垂直于磁场的平面内都做匀速圆周运动,它们的轨道半径和运动周期的关系是( ) A .R P :R a =1:2,T P :T a =1:2 B .R P :R a =2:1,T P :T a =2:1 C .R P :R a =1:2,T P :T a =2:1D .R P :R a =1:4,T P :T a =1:42.如图所示,在边长为a 的正三角形区域内存在着方向垂直于纸面向外、磁感应强度大小为B 的匀强磁场。
一个质量为m 、电荷量为q +的带电粒子(重力不计)从AB 边的中点O 以某一速度v 进入磁场,粒子进入磁场时的速度方向垂直于磁场且与AB 边的夹角为60°。
从AB 边穿出磁场的粒子中,最大速度v 为( )A B .4BqamC D .38Bqam3.如图所示,匀强磁场限定在一个圆形区域内,磁感应强度大小为B ,一个质量为m ,电荷量为q ,初速度大小为v 的带电粒子沿磁场区域的直径方向从P 点射入磁场,从Q 点沿半径方向射出磁场,粒子射出磁场时的速度方向与射入磁场时相比偏转了θ角,忽略重力及粒子间的相互作用力,下列说法错误..的是( )A .粒子带正电B .粒子在磁场中运动的轨迹长度为mv θBqC .粒子在磁场中运动的时间为m θBqD .圆形磁场区域的半径为tan mvθBq4.如图,一束正离子平行纸面、从两极板中央平行极板射入正交的匀强磁场和匀强电场区域里,离子束保持原运动方向未发生偏转,接着进入另一匀强磁场B2,发现这些离于分成几束,不计离子间的相互作用,可以判断这几束粒子()A.质量一定不同B.速率一定不同C.动能一定不同D.比荷一定不同5.圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场,三个完全相同的带电粒子a b c、、,以不同的速率从A点开始对准圆心O沿着AO方向射入磁场,其运动轨迹分别如图所示。
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第八课时:带电粒子在电、磁场中的运动
[知识要点]:
1、带电粒子速度选择器:
选择器内有正交的匀强电场E和匀强磁场B,一束有不同速率的正离子水平地由小孔S进入场区,路径不发生偏转的离子的条件是_____________,即能通过速度选择器的带电粒子必是速度为v=_______的粒子,与它带多少电和电性,质量为多少都无关(书P1043)
2、磁流体发电机
如图是磁流体发电机,其原理是:等离子气体喷入磁场,正、负离子在洛仑兹力作用下发生上、下偏转而聚集到A、B板上,产生电势差.设A、B平行金属板的面积为S,相距l,等离子气体的电阻率为ρ,喷入气体速度为v,板间磁场的磁感强度为B,板外电阻为R,当等离子气体匀速通过AB板间时,A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,即为电源电动势.电动势E=_____________。
R中电流I=_______________
例1、目前,世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机。
如图所示表示了它的发电原理:将一束等离子体垂直于磁场方向喷入磁场,在磁场中有两块金属板A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压。
如果射入的等离子体速度均为v,两金属板的板长为L,板间距离为d,板平面的面积为S,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于速度方向,负载电阻为R,等离子体充满两板间的空间。
当发电机稳定发电时,电流表示数为I,那么板间等离子体的电阻率为()
A.B.C.D.
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)在洛仑兹力作用下横向偏转,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.流量Q=_____________ 例2、为了测量某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计,该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口,在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场,在前后两个内侧固定有金属板作为电极,污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U.若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是()
A.若污水中正离子较多,则前表面比后表面电势高
B.前表面的电势一定低于后表面的电势,与哪种离子多无关
C.污水中离子浓度越高,电压表的示数将越大
D.污水流量Q与U成正比,与a、b无关
4、霍尔效应
如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感强度为B的均匀磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A’之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应,实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=.式中的比例系数k称为霍尔系数.
例3、一种半导体材料称为“霍尔材料”,用它制成的元件称为“霍尔元件”.这种材料有可定向移动的电荷,称为“载流子”,每个载流子的电荷量大小为1元电荷,即q=1.6×10-19C.霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用,如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以自动控制
升降电动机的电源的通断等.在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽ab=1.0×10-2m、长bc=L=4.0×10-2m、厚h=1×10-3m,水平放置在竖直向上的磁感应强度B=1.5T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0A的电流,如图所示,沿宽度产生1.0×10-5V的横电压.?
(1)假定载流子是电子,a、b两端中哪端电势较高??
(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率是多少??
5、磁强计
磁强计实际上是利用霍尔效应来测量磁感强度B的仪器.其原理可解释为:如图所示一块导体接上a、b、c、d四个电极,将导体放在匀强磁场之中,a、b 间通以电流I,c、d间就会出现电势差,只要测出c、d间的电势差U,就可测得B。
设导体中单位体积内的自由电荷数为n,则B的大小为_____________。
[强化练习]
1、一种测量血管中血流速度仪器的原理如图所示,在动脉血管左右两侧加有匀强磁场,上下两侧安装电极并连接电压表,设血管直径是2.0mm,磁场的磁感应强度为0.080T,电压表测出的电压为0.10mV,则血流速度大小为______m/s.(取两位有效数字)
2、一种称为“质量分析器”的装置如图所示.A表示发射带电粒子的离子源,发射的粒子在加速管B中加速,获得一定速率后于C处进入圆形细弯管(四分之一圆弧),在磁场力作用下发生偏转,然后进入漂移管道D,若粒子质量不同或电量不同或速率不同,在一定磁场中的偏转程度也不同.如果给定偏转管道中心轴线的半径、磁场的磁感应强度、粒子的电荷量和速率,则只有一定质量的粒子能从漂移管道D中引出.已知带有正电荷q=1.6×10-19C的磷离子,质量为m=51.1×10-27kg,初速率可认为是零,经加速管B加速后速率为v=7.9×105m/s。
求:(都保留一位有效数字)
(1)加速管B两端的加速电压应为多大?
(2)若圆形弯管中心轴线的半径R=0.28m,为了使磷离子从漂移管道引出,则图中虚线所围正方形区域内应加磁感应强度为多大的匀强磁场?
3、如图(甲)所示为电视机中显像管的原理示意图,电子枪中的灯丝加热阴极而逸出电子,这些电子再经加速电场加速后,从O点进入由磁偏转线圈产生的偏转磁场中,经过偏转磁场后打到荧光屏MN上,使荧光屏发出荧光形成图像,不计逸出电子的初速度和重力。
已知电子的质量为m、电荷量为e,加速电场的电压为U0偏转线圈产生的磁场分布在边长为L的正方形区域abcd内,磁场方向垂直纸面,且磁感应强度随时间的变化规律如图(乙)所示。
在每个周期内磁感应强度都是从-B0均匀变化到B0。
磁场区域的左边界的中点与O点重合,ab边与00/平行,右边界bc与荧光屏之间的距离为S。
由于磁场区域较小,且电子运动的速度很大,所以在每个电子通过磁场区域的过程中,可认为磁感应强度不变,即为匀强磁场,不计电子之间的相互作用。
(1)求电子射出电场时的速度大小。
(2)为使所有的电子都能从磁场的bc边射出,求偏转线圈产生磁场的磁感应强度的最大值。
(3)荧光屏上亮线的最大长度是多少?
4、家用微波炉是一种利用微波的电磁能加热食物的新灶具,主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成.如图为磁控管的示意图,一群电子在垂直于管的某截面内做匀速圆周运动,在管内有平行于管轴线方向的匀强磁场,磁感强度为B,在运动中这群电子时而接近电极1,时而接近电极2,从而使电极附近的电场强度发生周期性变化.由于这一。