带电粒子在电场和磁场中 专题
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高中物理带电粒子在电场中的运动题20套(带答案)一、高考物理精讲专题带电粒子在电场中的运动1.如图所示,xOy平面处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外.点P — L,0处有一粒子源,可向各个方向发射速率不同、电荷量为q、质量为m的带负电3粒子.不考虑粒子的重力.(1)若粒子1经过第一、二、三象限后,恰好沿x轴正向通过点Q (0, -L),求其速率V1;(2)若撤去第一象限的磁场,在其中加沿y轴正向的匀强电场,粒子2经过第一、二、三象限后,也以速率V1沿x轴正向通过点Q,求匀强电场的电场强度E以及粒子2的发射速率V2;(3)若在xOy平面内加沿y轴正向的匀强电场E。
,粒子3以速率V3沿y轴正向发射,求在运动过程中其最小速率v.某同学查阅资料后,得到一种处理相关问题的思路:带电粒子在正交的匀强磁场和匀强电场中运动,若所受洛伦兹力与电场力不平衡而做复杂的曲线运动时,可将带电粒子的初速度进行分解,将带电粒子的运动等效为沿某一方向的匀速直线运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动. 请尝试用该思路求解.222.BLq (3) J E°v2且【答案】(1) 2BLq⑵3m 9m 1 B v B【解析】【详解】2(1)粒子1在一、二、三做匀速圆周运动,则qvi B m"r12 . 2.3 .由几何憨可知:r1 L r1 ——L得到:V i 2BL q 3m(2)粒子2在第一象限中类斜劈运动,有:在第二、三象限中原圆周运动,由几何关系:又 v 2 V i 22Eh,得到:V 22痴BLq9m(3)如图所示,将 V 3分解成水平向右和 v 和斜向的V ,则qvB而 V V 2 V 2所以,运动过程中粒子的最小速率为2.如图所示,竖直面内有水平线 MN 与竖直线PQ 交于P 点,O 在水平线MN 上,OP 间距为d, 一质量为 m 、电量为q 的带正电粒子,从 。
处以大小为V o 、方向与水平线夹角为 0= 60o 的速度,进入大小为 日的匀强电场中,电场方向与竖直方向夹角为0= 60o,粒子到达PQ 线上的A 点时,其动能为在 。
1、一带电粒子以一定的初速度垂直进入匀强电场,在电场中做类平抛运动。
下列说法正确的是:A. 粒子的电势能一直减小B. 粒子的动能一直增大C. 粒子的速度方向与电场力方向的夹角一直减小D. 粒子的加速度方向与电场力方向相反(答案:A)2、一个带正电的粒子,在电场中仅受电场力作用,从A点运动到B点。
在此过程中,粒子的速度大小随时间变化的图象可能是:A. 速度大小不变B. 速度大小均匀增大C. 速度大小先减小后增大D. 速度大小先增大后减小(答案:C,若粒子先做减速运动,电场力方向与初速度方向相反,后做加速运动,则可能出现此情况)3、带电粒子以相同的速度分别垂直进入水平方向的匀强电场和匀强磁场中,粒子将:A. 在电场和磁场中都做匀速圆周运动B. 在电场中做类平抛运动,在磁场中做匀速圆周运动C. 在电场和磁场中都做匀变速曲线运动D. 在电场中做匀变速直线运动,在磁场中做匀速直线运动(答案:B)4、一带电粒子在电场中运动,只受电场力作用,下列说法正确的是:A. 粒子的运动轨迹一定与电场线重合B. 粒子的速度方向一定与电场力方向相同C. 粒子的速度大小一定变化D. 粒子的动能可能不变(答案:D,如粒子在匀强电场中做匀速圆周运动,动能不变)5、一初速度为零的带电粒子,经过电压为U的加速电场后,垂直进入电势差为U的匀强偏转电场。
已知加速电场和偏转电场的宽度相同,下列说法正确的是:A. 偏转距离随着加速电压U的增大而增大B. 偏转距离与加速电压U无关C. 粒子从偏转电场射出时的速度随着加速电压U的增大而增大D. 粒子从偏转电场射出时的速度方向与加速电压U无关(答案:B)6、带电粒子在电场中偏转时,下列说法正确的是:A. 电场力对粒子一定做正功B. 电场力对粒子可能不做功C. 粒子的电势能可能增加D. 粒子的动能一定增加(答案:B,若粒子初速度与电场力方向垂直且向电场力反方向偏转,则电场力先做负功,电势能增加,动能减小)7、一带电粒子在匀强电场中运动,电场力与运动方向成某一角度,粒子只受电场力作用。
高中物理带电粒子在电场中的运动题20套(带答案)及解析一、高考物理精讲专题带电粒子在电场中的运动1.如图所示,xOy 平面处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B ,方向垂直纸面向外.点3,03P L ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭处有一粒子源,可向各个方向发射速率不同、电荷量为q 、质量为m 的带负电粒子.不考虑粒子的重力.(1)若粒子1经过第一、二、三象限后,恰好沿x 轴正向通过点Q (0,-L ),求其速率v 1;(2)若撤去第一象限的磁场,在其中加沿y 轴正向的匀强电场,粒子2经过第一、二、三象限后,也以速率v 1沿x 轴正向通过点Q ,求匀强电场的电场强度E 以及粒子2的发射速率v 2;(3)若在xOy 平面内加沿y 轴正向的匀强电场E o ,粒子3以速率v 3沿y 轴正向发射,求在运动过程中其最小速率v.某同学查阅资料后,得到一种处理相关问题的思路:带电粒子在正交的匀强磁场和匀强电场中运动,若所受洛伦兹力与电场力不平衡而做复杂的曲线运动时,可将带电粒子的初速度进行分解,将带电粒子的运动等效为沿某一方向的匀速直线运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动. 请尝试用该思路求解. 【答案】(1)23BLq m (2221BLq32230B E E v B +⎛⎫ ⎪⎝⎭【解析】 【详解】(1)粒子1在一、二、三做匀速圆周运动,则2111v qv B m r =由几何憨可知:()2221133r L r L ⎛⎫=-+ ⎪ ⎪⎝⎭得到:123BLqv m=(2)粒子2在第一象限中类斜劈运动,有:133L v t=,212qE h t m = 在第二、三象限中原圆周运动,由几何关系:12L h r +=,得到289qLB E m=又22212v v Eh =+,得到:22219BLqv m=(3)如图所示,将3v 分解成水平向右和v '和斜向的v '',则0qv B qE '=,即0E v B'= 而'223v v v ''=+ 所以,运动过程中粒子的最小速率为v v v =''-'即:22003E E v v B B ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭2.如图所示,竖直平面内有一固定绝缘轨道ABCDP ,由半径r =0.5m 的圆弧轨道CDP 和与之相切于C 点的水平轨道ABC 组成,圆弧轨道的直径DP 与竖直半径OC 间的夹角θ=37°,A 、B 两点间的距离d =0.2m 。
专题四电场和磁场第1课时电场和磁场基本问题1.电场强度的三个公式(1)E=Fq是电场强度的定义式,适用于任何电场。
电场中某点的场强是确定值,其大小和方向与试探电荷q无关,试探电荷q充当“测量工具”的作用。
(2)E=k Qr2是真空中点电荷所形成的电场场强的决定式,E由场源电荷Q和场源电荷到某点的距离r决定。
(3)E=Ud是场强与电势差的关系式,只适用于匀强电场。
注意:式中d为两点间沿电场方向的距离。
2.电场能的性质(1)电势与电势能:φ=E p q。
(2)电势差与电场力做功:U AB=W ABq=φA-φB。
(3)电场力做功与电势能的变化:W=-ΔE p。
3.等势面与电场线的关系(1)电场线总是与等势面垂直,且从电势高的等势面指向电势低的等势面。
(2)电场线越密的地方,等差等势面也越密。
(3)沿等势面移动电荷,电场力不做功,沿电场线移动电荷,电场力一定做功。
4.带电粒子在磁场中的受力情况(1)磁场只对运动的电荷有力的作用,对静止的电荷无力的作用。
(2)洛伦兹力的大小和方向:F洛=q v B sin θ。
注意:θ为v与B的夹角。
F的方向由左手定则判定,四指的指向应为正电荷运动的方向或负电荷运动方向的反方向。
5.洛伦兹力做功的特点由于洛伦兹力始终和速度方向垂直,所以洛伦兹力永不做功。
1.主要研究方法(1)理想化模型法。
如点电荷。
(2)比值定义法。
如电场强度、电势的定义方法,是定义物理量的一种重要方法。
(3)类比的方法。
如电场和重力场的类比;电场力做功与重力做功的类比;带电粒子在匀强电场中的运动和平抛运动的类比。
2.静电力做功的求解方法(1)由功的定义式W=Fl cos α来求。
(2)利用结论“电场力做功等于电荷电势能变化量的负值”来求,即W=-ΔE p。
(3)利用W AB=qU AB来求。
3.电场中的曲线运动的分析采用运动合成与分解的思想方法。
4.匀强磁场中的圆周运动解题关键找圆心:若已知进场点的速度和出场点,可以作进场点速度的垂线,依据是F洛⊥v,与进出场点连线的垂直平分线的交点即为圆心;若只知道进场位置,则要利用圆周运动的对称性定性画出轨迹,找圆心,利用平面几何知识求解问题。
2021届高三专题训练专题十一、带电粒子在电场和磁场中的运动一、选择题1.(仿真模拟冲刺标准练)如图所示,某空间存在正交的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,磁场方向垂直纸面水平向里.一带电微粒由a点以一定的初速度进入电磁场,刚好能沿直线ab斜向上运动,则下列说法正确的是( )A.微粒可能带正电,也可能带负电B.微粒的动能可能变大C.微粒的电势能一定减少D.微粒的机械能一定不变解析:C 本题考查了带电微粒在复合场中的运动,意在考查考生综合能量的相关规律处理问题的能力.微粒受到重力、电场力和洛伦兹力作用,在复合场中做直线运动,其合力为零,根据做直线运动的条件可知微粒的受力情况如图所示,所以微粒一定带负电,A错误;微粒一定做匀速直线运动,否则速度变化,洛伦兹力大小变化,微粒将做曲线运动,因此微粒的动能保持不变.B错误;微粒由a 沿直线ab运动的过程中,电场力做正功,电势能一定减小,C正确;在微粒的运动过程中,洛伦兹力不做功,电场力做正功,则微粒的机械能一定增加,D 错误.2. (浙江省余姚中学2020-2021学年高二上学期10月质量检测)如图所示的虚线区域内,充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场。
一带电粒子a (不计重力)以一定的初速度由左边界的O 点射入磁场、电场区域,恰好沿直线由区域右边界的O'(图中未标出)穿出.若撤去该区域内的磁场而保留电场不变,另一个同样的粒子b (不计重力)仍以相同初速度由O 点射入,从区域右边界穿出,则粒子b ( )A. 穿出位置一定在 0O'点下方B.穿出位置一定在0'点上方C.运动时,在电场中的电势能一定减小D. 在电场中运动时,动能一定减小 【答案】C3.(甘肃省甘南藏族自治州卓尼县柳林中学2020-2021学年度第一学期高三期中试卷)(多选)如图所示,在水平的匀强电场中,一个质量为m 、电荷量为+q 的小球,系在一根长为L 的绝缘细线一端,小球可以在竖直平面内绕O 点做圆周运动,AB 为圆周的水平直径,CD 为竖直直径。
专题三第二讲 带电粒子在电场、磁场中的运动1.(2020·浙江7月选考)如图所示,一质量为m 、电荷量为q (q >0)的粒子以速度v 0从MN 连线上的P 点水平向右射入大小为E 、方向竖直向下的匀强电场中。
已知MN 与水平方向成45°角,粒子的重力可以忽略,则粒子到达MN 连线上的某点时( )A .所用时间为m v 0qEB .速度大小为3v 0C .与P 点的距离为22m v 02qED .速度方向与竖直方向的夹角为30°解析:C 粒子从P 点垂直电场方向出发到达MN 连线上某点时,由几何知识得沿水平方向和竖直方向的位移大小相等,即v 0t =12at 2,其中a =Eq m ,联立解得t =2m v 0qE ,A 项错误;粒子在MN 连线上某点时,粒子沿电场方向的速度v =at =2v 0,所以合速度大小v =(2v 0)2+v 02=5v 0,B 项错误;该点到P 点的距离s =2x =2v 0t =22m v 02qE ,C 项正确;由平行四边形定则可知,在该点速度方向与竖直方向夹角的正切值tan θ=v 02v 0=12,则θ≠30°,D 项错误。
2.(2021·河北高考)如图,距离为d 的两平行金属板P 、Q 之间有一匀强磁场,磁感应强度大小为B 1,一束速度大小为v 的等离子体垂直于磁场喷入板间,相距为L 的两光滑平行金属导轨固定在与导轨平面垂直的匀强磁场中,磁感应强度大小为B 2,导轨平面与水平面夹角为θ,两导轨分别与P 、Q 相连,质量为m 、电阻为R 的金属棒ab 垂直导轨放置,恰好静止,重力加速度为g ,不计导轨电阻、板间电阻和等离子体中的粒子重力,下列说法正确的是( )A .导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上,v =mgR sin θB 1B 2Ld B .导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下,v =mgR sin θB 1B 2LdC .导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上,v =mgR tan θB 1B 2LdD .导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下,v =mgR tan θB 1B 2Ld解析:B 等离子体垂直于磁场喷入板间时,根据左手定则可得等离子体中的正离子向金属板Q 偏转,负离子向金属板P 偏转,所以金属板Q 带正电荷,金属板P 带负电荷,则电流方向由金属棒a 端流向b 端。
高考物理带电粒子在磁场中的运动专题训练答案及解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图纸面内的矩形 ABCD 区域存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,对边 AB ∥CD 、AD ∥BC ,电场方向平行纸面,磁场方向垂直纸面,磁感应强度大小为 B .一带电粒子从AB 上的 P 点平行于纸面射入该区域,入射方向与 AB 的夹角为 θ(θ<90°),粒子恰好做匀速直线运动并从 CD 射出.若撤去电场,粒子以同样的速度从P 点射入该区域,恰垂直 CD 射出.已知边长 AD=BC=d ,带电粒子的质量为 m ,带电量为 q ,不计粒子的重力.求:(1)带电粒子入射速度的大小;(2)带电粒子在矩形区域内作直线运动的时间; (3)匀强电场的电场强度大小.【答案】(1)cos qBd m θ(2)cos sin m qB θθ (3)2cos qB dm θ【解析】 【分析】画出粒子的轨迹图,由几何关系求解运动的半径,根据牛顿第二定律列方程求解带电粒子入射速度的大小;带电粒子在矩形区域内作直线运动的位移可求解时间;根据电场力与洛伦兹力平衡求解场强. 【详解】(1) 设撤去电场时,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R ,画出运动轨迹如图所示,轨迹圆心为O .由几何关系可知:cos d Rθ=洛伦兹力做向心力:200v qv B m R= 解得0cos qBdv m θ=(2)设带电粒子在矩形区域内作直线运动的位移为x ,有sin d xθ= 粒子作匀速运动:x=v 0t 联立解得cos sin m t qB θθ=(3)带电粒子在矩形区域内作直线运动时,电场力与洛伦兹力平衡:Eq=qv 0B解得2qB dE mcos θ=【点睛】此题关键是能根据粒子的运动情况画出粒子运动的轨迹图,结合几何关系求解半径等物理量;知道粒子作直线运动的条件是洛伦兹力等于电场力.2.如图所示,在竖直面内半径为R 的圆形区域内存在垂直于面向里的匀强磁场,其磁感应强度大小为B ,在圆形磁场区域内水平直径上有一点P ,P 到圆心O 的距离为2R,在P 点处有一个发射正离子的装置,能连续不断地向竖直平面内的各方向均匀地发射出速率不同的正离子. 已知离子的质量均为m ,电荷量均为q ,不计离子重力及离子间相互作用力,求:(1)若所有离子均不能射出圆形磁场区域,求离子的速率取值范围; (2)若离子速率大小02BqRv m=,则离子可以经过的磁场的区域的最高点与最低点的高度差是多少。
2020年高考物理二轮热点专题训练---- 《带电粒子在电场、磁场中的运动》一 选择题1.(多选)如图所示,平行板电容器与直流电源连接,上极板接地.一带负电的油滴位于电容器的P 点且处于静止状态.现将下极板竖直向下缓慢地移动一小段距离.则( )A .带电油滴将竖直向下运动B .带电油滴的机械能将增加C .P 点的电势将升高D .电容器的电容增大,极板带电荷量增加 【答案】AC【解析】将下极板竖直向下缓慢地移动一小段距离,间距d 增大,由C =εr S4πkd可得电容器的电容减小,而U 一定,由C =Q U 可得电荷量Q 减少,选项D 错误;根据E =Ud 可得板间场强减小,重力大于电场力,带电油滴将竖直向下运动,电场力做负功,机械能减少,选项A 正确、B 错误;因上极板接地,电势为0,P 点电势φP =-Ey 随E 的减小而增大,选项C 正确.2.(多选)如图所示,在一等腰直角三角形ACD 区域内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁场的磁感应强度大小为B .一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子(不计重力)从AC 边的中点O 垂直于AC 边射入该匀强磁场区域,若该三角形的两直角边长均为2L ,则下列关于粒子运动的说法中正确的是( )A.若该粒子的入射速度为v =qBLm ,则粒子一定从CD 边射出磁场,且距点C 的距离为LB.若要使粒子从CD 边射出,则该粒子从O 点入射的最大速度应为v =2qBLmC.若要使粒子从AC 边射出,则该粒子从O 点入射的最大速度应为v =qBl2mD.该粒子以不同的速度入射时,在磁场中运动的最长时间为m πqB【答案】ACD【解析】根据洛伦兹力充当向心力可知:Bqv =m v 2r ,若v =qBLm ,解得:r =L ;根据几何关系可知,粒子一定从CD 边距C 点为L 的位置离开磁场;故A 正确;根据洛伦兹力充当向心力可知,v =Bqrm ,因此半径越大,速度越大;根据几何关系可知,使粒子与AD 边相切时速度最大,则由几何关系可知,最大半径为一定大于2L ;故B 错误;若要使粒子从AC 边射出,则该粒子从O 点入射的最大半径为L 2;因此最大速度应为v =qBL2m ;故C 正确;粒子运行周期为2πmBq ,根据几何关系可知,粒子在磁场中最大圆心角为180°;故最长时间为m πqB;故D 正确. 3.(多选)一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,在两极板间有一带正电小球(电荷量很小)固定在P 点,如图所示.以U 表示两极板间的电压,E 表示两极板间的场强,E p 表示该小球在P 点的电势能,若保持负极板不动,而将正极板移至图中虚线所示位置,则( )A .U 变小B .U 不变C .E 变大D .E p 不变【答案】AD【解析】根据电容器充电后与电源断开可知,Q 不变,将正极板移至图中虚线所示位置,间距d 减小,由C =εr S 4k πd ,知电容C 增大,又U =Q C ,电压U 减小,因E =U d =Q Cd =4k πQ εr S ,E 不变,P 点到下极板的距离不变,则P 点与下极板的电势差不变,P 点的电势φ不变,P 点电势能E p =φq 不变,选项A 、D 正确.4.如图所示,倾斜放置的平行板电容器两极板与水平面的夹角为θ,极板间距为d ,带负电的微粒质量为m 、带电荷量为q ,微粒从极板M 的左边缘A 处以初速度v 0水平射入极板间,沿直线运动并从极板N 的右边缘B 处射出,则( )A .微粒到达B 点时动能为12mv 20B .微粒的加速度大小等于g sin θC .两极板间的电势差U MN =mgdq cos θD .微粒从A 点到B 点的过程中电势能减少mgdcos θ【答案】C【解析】微粒的受力情况如图所示,微粒做匀减速直线运动,到达B 点时动能小于12mv 20,选项A 错误;由牛顿第二定律得mg tan θ=ma ,加速度a =g tan θ,选项B 错误;又电场力Eq=mgcos θ,两极板间的电场强度E=mgq cos θ,两板间的电势差U MN=Ed=mgdq cos θ,选项C正确;微粒从A向B运动,电场力做负功,电势能增加,选项D错误.5.(多选)如图所示,直线MN与水平方向成60°角,MN的右上方存在垂直纸面向外的匀强磁场,左下方存在垂直纸面向里的匀强磁场,两磁场的磁感应强度大小均为B.一粒子源位于MN上的a点,能水平向右发射不同速率、质量为m(重力不计)、电荷量为q(q>0)的同种粒子,所有粒子均能通过MN上的b点,已知ab=L,则粒子的速度可能是()A.3BqL6m B.3BqL3mC.3BqL2m D.3BqLm【答案】AB【解析】由题意可知粒子可能的运动轨迹如图所示,所有圆弧的圆心角均为120°,所以粒子运动的半径为r=33·Ln(n=1,2,3,…),由洛伦兹力提供向心力得Bqv=mv2r,则v=Bqrm=3BqL3m·1n(n=1,2,3,…),所以A、B对.6.图为可测定比荷的某装置的简化示意图,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10-3 T,在x轴上距坐标原点L=0.50 m的P处为离子的入射口,在y轴上安放接收器,现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104 m/s的速率从P处射入磁场,若粒子在y 轴上距坐标原点L =0.50 m 的M 处被观测到,且运动轨迹半径恰好最小,设带电粒子的质量为m ,电量为q ,不计其重力.则上述粒子的比荷qm(C/kg)是( )A .3.5×107B .4.9×107C .5.3×107D .7×107【答案】B【解析】设粒子在磁场中的运动半径为r ,画出粒子的轨迹图如图所示。
物理专题三 带电粒子在复合场(电场磁场)中的运动解决这类问题时一定要重视画示意图的重要作用。
⑴带电粒子在匀强电场中做类平抛运动。
这类题的解题关键是画出示意图,要点是末速度的反向延长线跟初速度延长线的交点在水平位移的中点。
⑵带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。
这类题的解题关键是画好示意图,画示意图的要点是找圆心、找半径和用对称。
例1 右图是示波管内部构造示意图。
竖直偏转电极的板长为l =4cm ,板间距离为d =1cm ,板右端到荧光屏L =18cm ,(本题不研究水平偏转)。
电子沿中心轴线进入偏转电极时的速度为v 0=1.6×107m/s ,电子电荷e =1.6×10-19C ,质量为0.91×10-30kg 。
为了使电子束不会打在偏转电极的极板上,加在偏转电极上的电压不能超过多少?电子打在荧光屏上的点偏离中心点O 的最大距离是多少?[解:设电子刚好打在偏转极板右端时对应的电压为U ,根据侧移公式不难求出U (当时对应的侧移恰好为d /2):2212⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=v l dm Ue d ,得U =91V ;然后由图中相似形对应边成比例可以求得最大偏离量h =5cm 。
]例2 如图甲所示,在真空中,足够大的平行金属板M 、N 相距为d ,水平放置。
它们的中心有小孔A 、B ,A 、B 及O 在同一条竖直线上,两板的左端连有如图所示的电路,交流电源的内阻忽略不计,电动势为U ,U 的方向如图甲所示,U 随时间变化如图乙所示,它的峰值为ε。
今将S 接b 一段足够长时间后又断开,并在A 孔正上方距A 为h (已知d h <)的O 点释放一个带电微粒P ,P 在AB 之间刚好做匀速运动,再将S 接到a 后让P 从O 点自由下落,在t=0时刻刚好进入A 孔,为了使P 一直向下运动,求h 与T 的关系式?[解析:当S 接b 一段足够长的时间后又断开,而带电微粒进入A 孔后刚好做匀速运动,说明它受到的重力与电场力相等,有d q mg ε= 若将S 接a 后,刚从t=0开始,M 、N 两板间的电压为,2ε,故带电粒子进入电场后,所受到的电场力为mg d q F 22==ε,也就是以大小为g 、方向向上的加速度作减速运动。
带电粒子在电场和磁场中的运动
一、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v 0的带电粒子经电压U 加速后,速度变为v t ,由动
能定理得:qU =12m v t 2-12m v 02.若v 0=0,则有v t =2qU
m ,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U 1加速后,以速度v 1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4-1所示).
图4-1 qU 1=12m v 12 设两平行金属板间的电压为U 2,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:
v x =v 1,L =v 1t
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:
v y =at ,y =12at 2,a =qE m =qU 2md .
(2)带电粒子离开极板时 侧移距离y =12at 2=qU 2L 22md v 12=U 2L 2
4dU 1
轨迹方程为:y =U 2x 2
4dU 1
(与m 、q 无关) 偏转角度φ的正切值tan φ=at v 1=qU 2L md v 12=U 2L 2dU 1
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 ′=(D +L 2)tan φ.
二、不计重力的带电粒子在磁场中的运动
1.匀速直线运动: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ω,轨道半径为R ,运动的周期为T ,则有:
q v B =m v 2R =mRω2=m v ω=mR (2πT )2=mR (2πf )2
R =m v qB
T =2πm qB (与v 、R 无关),f =1T =qB 2πm .
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4-2 所示.
②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4-3所示.
③若已知做圆周运动的粒子通过某一具体位置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4-4所示.
图4-2 图4-3 图4-4
(2)粒子圆轨迹的半径的确定
①可直接运用公式R =m v qB 来确定.
②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φ等于对应轨迹圆弧的圆心角α,并等于弦切角θ的2倍,如图4-5所示.
图4-5
(3)粒子做圆周运动的周期的确定
①可直接运用公式T =2πm qB 来确定.
②利用周期T 与题中已知时间t 的关系来确定.若粒子在时间t 内通过的圆弧所对应的圆
心角为α,则有:t =α360°·T (或t =α2π·T ).
(4)圆周运动中有关对称的规律
①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4-6所示.
②在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子必沿径向射出,如图4-7所示.
图4-6 图4-7
(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.
三、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:①电场与磁场的复合场;②磁场与重力场的复合场;③电场与重力场的复合场;④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=q v B .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:①微观粒子(如电子、质子、离子)一般都不计重力;②对带电小球、液滴、金属块等实际的物体没有特殊交代时,应当考虑其重力;③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”、“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.。