2019高考物理一輪復(fù)習(xí) 第九章 磁場(chǎng) 微專題72 帶電粒子在交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)加練半小時(shí) 粵教版.docx

微專題72 帶電粒子在交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方法點(diǎn)撥(1)先分析在一個(gè)周期內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，明確運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，判斷周期性變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響；(2)畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，分析軌跡在幾何關(guān)系方面的周期性1(2017廣東肇慶第二次模擬)如圖1甲所示，豎直擋板MN左側(cè)空間有方向豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向里的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的范圍足夠大，電場(chǎng)強(qiáng)度E40N/C，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的關(guān)系圖像如圖乙所示，選定磁場(chǎng)垂直紙面向里為正方向t0時(shí)刻，一質(zhì)量m8104 kg、電荷量q2104 C的微粒在O點(diǎn)具有豎直向下的速度v0.12 m/s，O是擋板MN上一點(diǎn)，直線OO與擋板MN垂直，取g10m/s2.求：圖1(1)微粒再次經(jīng)過(guò)直線OO時(shí)與O點(diǎn)的距離；(2)微粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中離開(kāi)直線OO的最大高度；(3)水平移動(dòng)擋板，使微粒能垂直射到擋板上，擋板與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足的條件2(2017北京平谷區(qū)零模)當(dāng)今醫(yī)學(xué)成像診斷設(shè)備PET/CT堪稱“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)高科技之冠”，它在醫(yī)療診斷中，常利用能放射電子的同位素碳11作為示蹤原子，碳11是由小型回旋加速器輸出的高速質(zhì)子轟擊氮14獲得的加速質(zhì)子的回旋加速器如圖2甲所示D形盒裝在真空容器中，兩D形盒內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩D形盒間的交變電壓的大小為U.若在左側(cè)D1盒圓心處放有粒子源S不斷產(chǎn)生質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q.假設(shè)質(zhì)子從粒子源S進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)的初速度不計(jì)，不計(jì)質(zhì)子所受重力，忽略相對(duì)論效應(yīng)圖2(1)第1次被加速后質(zhì)子的速度大小v1是多大？(2)若質(zhì)子在D形盒中做圓周運(yùn)動(dòng)的最大半徑為R，且D形盒間的狹縫很窄，質(zhì)子在加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間可忽略不計(jì)那么，質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間t總是多少？(3)要把質(zhì)子從加速器中引出，可以采用靜電偏轉(zhuǎn)法引出器原理如圖乙所示，一對(duì)圓弧形金屬板組成弧形引出通道，內(nèi)、外側(cè)圓弧形金屬板分別為兩同心圓的一部分，圓心位于O點(diǎn)內(nèi)側(cè)圓弧的半徑為r0，外側(cè)圓弧的半徑為r0d.在內(nèi)、外金屬板間加直流電壓，忽略邊緣效應(yīng)，兩板間產(chǎn)生徑向電場(chǎng)，該電場(chǎng)可以等效為放置在O處的點(diǎn)電荷Q在兩圓弧之間區(qū)域產(chǎn)生的電場(chǎng)，該區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)的電勢(shì)可表示為k(r為該點(diǎn)到圓心O點(diǎn)的距離)質(zhì)子從M點(diǎn)進(jìn)入圓弧形通道，質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的最大半徑R對(duì)應(yīng)的圓周，與圓弧形通道正中央的圓弧相切于M點(diǎn)若質(zhì)子從圓弧通道外側(cè)邊緣的N點(diǎn)射出，則質(zhì)子射出時(shí)的動(dòng)能Ek是多少？要改變質(zhì)子從圓弧通道中射出時(shí)的位置，可以采取哪些辦法？3如圖3甲所示，兩平行金屬板A、B長(zhǎng)L8cm，兩極板間距d6cm，A、B兩極板間的電勢(shì)差UAB100V一比荷為1106C/kg的帶正電粒子(不計(jì)重力)從O點(diǎn)沿電場(chǎng)中心線垂直電場(chǎng)線以初速度v02104 m/s飛入電場(chǎng)，粒子飛出平行板電場(chǎng)后經(jīng)過(guò)界面MN、PS間的無(wú)電場(chǎng)區(qū)域，已知兩界面MN、PS間的距離為s8cm.帶電粒子從PS分界線上的C點(diǎn)進(jìn)入PS右側(cè)的區(qū)域，當(dāng)粒子到達(dá)C點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，PS右側(cè)區(qū)域有磁感應(yīng)強(qiáng)度按圖乙變化的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(垂直紙面向里為正方向)求：圖3(1)PS分界線上的C點(diǎn)與中心線OO的距離y；(2)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后第二次經(jīng)過(guò)中心線OO時(shí)與PS分界線的距離x.4(2018福建三明一中模擬)如圖4甲所示，在平行邊界MN、PQ之間存在寬度為L(zhǎng)的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)周期性變化的規(guī)律如圖乙所示，取豎直向下為電場(chǎng)正方向；在平行邊界MN、EF之間存在寬度為s、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，在PQ右側(cè)有寬度足夠大、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域.在區(qū)域中距PQ為L(zhǎng)的A點(diǎn)，有一質(zhì)量為m、電荷量為q、重力不計(jì)的帶正電粒子以初速度v0沿豎直向上方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，以此作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間粒子又恰好回到A點(diǎn)，如此循環(huán)，粒子循環(huán)運(yùn)動(dòng)一周，電場(chǎng)恰好變化一個(gè)周期，已知粒子離開(kāi)區(qū)域進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)，速度恰好與電場(chǎng)方向垂直，sin530.8，cos530.6.圖4(1)求區(qū)域的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1.(2)若E0，要實(shí)現(xiàn)上述循環(huán)，確定區(qū)域的磁場(chǎng)寬度s的最小值以及磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B2.(3)若E0，要實(shí)現(xiàn)上述循環(huán)，求電場(chǎng)的變化周期T.答案精析1(1)1.2m(2)2.48m(3)L(1.2n0.6) m(n0,1,2，)解析(1)根據(jù)題意可以知道，微粒所受的重力Gmg8103N電場(chǎng)力大小FqE8103N因此重力與電場(chǎng)力平衡微粒先在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則qvBm由式解得：R0.6m由T得：T10s則微粒在5s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)圓周，再次經(jīng)過(guò)直線OO時(shí)與O點(diǎn)的距離：l2R將數(shù)據(jù)代入上式解得：l1.2m(2)微粒運(yùn)動(dòng)半周后向上勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t5s，軌跡如圖所示，位移大小：xvt由式解得：x1.88m因此，微粒離開(kāi)直線OO的最大高度：HxR2.48m(3)若微粒能垂直射到擋板上的某點(diǎn)P，P點(diǎn)在直線OO下方時(shí)，由圖像可以知道，擋板MN與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足：L(2.4n0.6) m (n0,1,2，)若微粒能垂直射到擋板上的某點(diǎn)P，P點(diǎn)在直線OO上方時(shí)，由圖像可以知道，擋板MN與O點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足：L(2.4n1.8) m (n0,1,2，)兩式合寫(xiě)成L(1.2n0.6) m (n0,1,2)2見(jiàn)解析解析(1)質(zhì)子第一次被加速，由動(dòng)能定理：qUmv解得：v1(2)質(zhì)子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力提供向心力：qvBm質(zhì)子在做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為：T設(shè)質(zhì)子在D形盒中被電場(chǎng)加速了n次，由動(dòng)能定理：nqUmv2質(zhì)子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期恒定，在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為：t總T解得：t總(3)設(shè)M、N兩點(diǎn)的電勢(shì)分別為1、2，由能量守恒定律：q1mv2q2Ek由題可知：1k，2k解得：Ek改變圓弧通道內(nèi)、外金屬板間所加直流電壓的大小(改變圓弧通道內(nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)弱)，或者改變圓弧通道內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，可以改變質(zhì)子從圓弧通道中射出時(shí)的位置3(1)4cm(2)12cm解析(1)粒子在電場(chǎng)中的加速度a粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t1粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)豎直方向分速度vyat1粒子在MN與PS間運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)位移y1atcm出電場(chǎng)后：y2vyt2聯(lián)立解得：y2cm所以C點(diǎn)與中心線OO的距離yy1y24cm(2)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)速度與水平方向夾角為，tan所以30粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度v104m/s設(shè)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道半徑為R則qvB所以R4cm粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T2106s在t106s內(nèi)粒子的偏轉(zhuǎn)角t120豎直向上偏移h1Rcos302cm在106106s內(nèi)通過(guò)OO，這段時(shí)間內(nèi)豎直向上偏移h2h12cm因?yàn)閔1h2y4cm則粒子在t106s時(shí)剛好第二次到達(dá)OO此時(shí)x2(RRsin30)12cm.4(1)(2)(3)L解析(1)粒子在區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑RL由洛倫茲力提供向心力知qv0B1聯(lián)立解得B1(2)粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)沿電場(chǎng)方向的速度vyatv0，設(shè)離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)速度的偏轉(zhuǎn)角為，tan ，53所以粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的速度vv0粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的距離yat22L畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖如圖所示，粒子在區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心O2與在區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心O1的連線必須與邊界垂直才能完成上述運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系知粒子在區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑rL所以sr(1sin 53)即s的最小值為根據(jù)r解得B2(3)電場(chǎng)變化的周期等于粒子運(yùn)動(dòng)的周期粒子在區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t1粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t2粒子在區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t3所以周期Tt1t2t3L.