高考物理復(fù)習(xí) 高效學(xué)習(xí)方略 82磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用課件

一、洛倫茲力、洛倫茲力的方向1定義：磁場(chǎng)對(duì) 的作用力2大?。篎qvBsin ，為v與B的夾角，如圖所示運(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)電荷 (1)當(dāng)vB時(shí)，0或180，F(xiàn) . (2)當(dāng)vB時(shí)，90，F(xiàn) . (3)當(dāng)v0時(shí)，F(xiàn) .0qvB0 3方向 (1)判斷方法： 定則注意四指指向 運(yùn)動(dòng)的方向或 運(yùn)動(dòng)的反方向 (2)特點(diǎn)：FB，F(xiàn)v，即F垂直于 決定的平面 4作用特點(diǎn)：洛倫茲力不能改變運(yùn)動(dòng)電荷的速度大小和電荷的動(dòng)能，即對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷永不做功，但可以改變運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向左手左手正電荷正電荷負(fù)電荷負(fù)電荷B和和v用左手定則判斷負(fù)電荷所受洛倫茲力方向的兩種方法：(1)按正電荷判斷，負(fù)電荷受力方向與正電荷受力的方向相反(2)四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，拇指指向即為負(fù)電荷受力方向二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)在帶電粒子只受洛倫茲力作用的條件下(電子、質(zhì)子、離子等微觀粒子的重力常忽略不計(jì))，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有兩種典型的運(yùn)動(dòng)情況：1當(dāng)vB時(shí)，帶電粒子不受洛倫茲力作用，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做 運(yùn)動(dòng)勻速直線勻速直線 2.當(dāng)vB時(shí)，帶電粒子在垂直于磁感線的平面內(nèi)以入射速度v做運(yùn)動(dòng)，如圖所示 勻速圓周勻速圓周qvB 強(qiáng)弱強(qiáng)弱 荷質(zhì)比荷質(zhì)比 三、質(zhì)譜儀和回旋加速器1質(zhì)譜儀加速電場(chǎng)加速電場(chǎng) 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 2回旋加速器 (1)構(gòu)造：如圖所示，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)中交流交流相等相等 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 半徑半徑R 無關(guān)無關(guān) 以上實(shí)例都應(yīng)用了在電場(chǎng)中加速、在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運(yùn)動(dòng))的原理 1帶電粒子垂直勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到洛倫茲力的作用下列表述正確的是() A洛倫茲力對(duì)帶電粒子做功 B洛倫茲力不改變帶電粒子的動(dòng)能 C洛倫茲力的大小與速度無關(guān) D洛倫茲力不改變帶電粒子的速度方向解析B根據(jù)洛倫茲力的特點(diǎn)，洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功，A錯(cuò)B對(duì)；根據(jù)FqvB，可知洛倫茲力大小與速度有關(guān)，C錯(cuò)；洛倫茲力的作用效果就是改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向，不改變速度的大小，D錯(cuò)2下列關(guān)于安培力和洛倫茲力的說法中正確的是()A放置在磁場(chǎng)中的通電直導(dǎo)線一定受到安培力作用B帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定受到洛倫茲力作用C安培力對(duì)通電直導(dǎo)線一定不做功D洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷一定不做功解析D當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，不受安培力，當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向相同時(shí)，不受洛倫茲力作用，故選項(xiàng)A、B均錯(cuò)誤；安培力可能對(duì)通電導(dǎo)線做功，C錯(cuò)誤；洛倫茲力方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷一定不做功，選項(xiàng)D正確 3“月球勘探者號(hào)”空間探測(cè)器運(yùn)用高科技手段對(duì)月球進(jìn)行了近距離勘探，在月球重力分布、磁場(chǎng)分布及元素測(cè)定方面取得了新的成果月球上的磁場(chǎng)極其微弱，通過探測(cè)器拍攝電子在月球磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，可分析月球磁場(chǎng)的強(qiáng)弱分布情況，如圖所示是探測(cè)器通過月球表面、四個(gè)位置時(shí)，拍攝到的電子運(yùn)動(dòng)軌跡照片(尺寸比例相同)，設(shè)電子速率相同，且與磁場(chǎng)方向垂直，則可知磁場(chǎng)從強(qiáng)到弱的位置排列正確的是() A B C D 4.1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是() A離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器 B離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器 C離子從磁場(chǎng)中獲得能量 D離子從電場(chǎng)中獲得能量解析AD離子從加速器的中間位置進(jìn)入加速器，最后由加速器邊緣飛出，所以選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；加速器中所加的磁場(chǎng)是使離子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，改變速度的方向，而電場(chǎng)用來加速離子，使之獲得能量，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確 5.在垂直紙面水平向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一固定在水平地面上的光滑半圓槽，一個(gè)帶電荷量為q、質(zhì)量為m的小球由如圖所示位置從靜止?jié)L下，小球滾到槽底時(shí)對(duì)槽底的壓力大小等于mg，求圓槽軌道的半徑R.要點(diǎn)一對(duì)洛倫茲力的理解1.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) 2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 3洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較內(nèi)內(nèi) 對(duì)應(yīng)力對(duì)應(yīng)力容容項(xiàng)目項(xiàng)目洛倫茲力洛倫茲力F電場(chǎng)力電場(chǎng)力F性質(zhì)性質(zhì)磁場(chǎng)對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)電荷的作用力電荷的作用力電場(chǎng)對(duì)放入其中電電場(chǎng)對(duì)放入其中電荷的作用力荷的作用力產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件v0且且v不與不與B平平行行電場(chǎng)中的電荷一定電場(chǎng)中的電荷一定受到電場(chǎng)力作用受到電場(chǎng)力作用大小大小FqvB(vB)FqE內(nèi)內(nèi) 對(duì)應(yīng)力對(duì)應(yīng)力容容 項(xiàng)目項(xiàng)目洛倫茲力洛倫茲力F電場(chǎng)力電場(chǎng)力F力方向與場(chǎng)力方向與場(chǎng)方向的關(guān)系方向的關(guān)系一定是一定是FB，F(xiàn)v與電荷電性無關(guān)與電荷電性無關(guān)正電荷受力方向與電正電荷受力方向與電場(chǎng)方向相同，負(fù)電荷場(chǎng)方向相同，負(fù)電荷受力方向與電場(chǎng)方向受力方向與電場(chǎng)方向相反相反做功情況做功情況任何情況下都不做功任何情況下都不做功可能做正功、負(fù)功，可能做正功、負(fù)功，也可能不做功也可能不做功力力F為零時(shí)為零時(shí)場(chǎng)的情況場(chǎng)的情況F為零，為零，B不一定為零不一定為零F為零，為零，E一定為零一定為零作用效果作用效果只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向，不改變速度大小方向，不改變速度大小既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度大小，也可以的速度大小，也可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向(1)洛倫茲力方向與速度方向一定垂直，而電場(chǎng)力的方向與速度方向無必然聯(lián)系電場(chǎng)力的方向總是沿電場(chǎng)線的切線方向(2)安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但各自的表現(xiàn)形式不同，洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷永遠(yuǎn)不做功，而安培力對(duì)通電導(dǎo)線可做正功，可做負(fù)功，也可不做功【例1】如圖所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一足夠長(zhǎng)的絕緣細(xì)棒OO在豎直面內(nèi)垂直于磁場(chǎng)方向放置，細(xì)棒與水平面夾角為.一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的圓環(huán)A套在OO棒上，圓環(huán)與棒間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，且tan .現(xiàn)讓圓環(huán)A由靜止開始下滑，試問圓環(huán)在下滑過程中：(1)圓環(huán)A的最大加速度為多大？獲得最大加速度時(shí)的速度為多大？(2)圓環(huán)A能夠達(dá)到的最大速度為多大？解析分析圓環(huán)下滑過程中的受力情況，隨速度的變化會(huì)造成洛倫茲力變化，進(jìn)而使合外力及加速度均發(fā)生變化【規(guī)律方法】對(duì)帶電體在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)問題的分析可歸納為確定研究對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行受力分析，然后根據(jù)帶電體的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況確定每一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程所遵循的規(guī)律其實(shí)這類問題的解決方法與純力學(xué)問題一樣，無非多了一個(gè)洛倫茲力而已如圖所示，在豎直絕緣的平臺(tái)上，一個(gè)帶正電的小球以水平速度v0拋出，落在地面上的A點(diǎn)，若加一垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則小球的落點(diǎn)() A仍在A點(diǎn) B在A點(diǎn)左側(cè) C在A點(diǎn)右側(cè) D無法確定要點(diǎn)二帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的分析分析方法：找圓心、求半徑、確定轉(zhuǎn)過的圓心角的大小是解決這類問題的前提，確定軌道半徑和給定的幾何量之間的關(guān)系是解題的基礎(chǔ)，有時(shí)需要建立運(yùn)動(dòng)時(shí)間t和轉(zhuǎn)過的圓心角之間的關(guān)系作為輔助 1圓心的確定 (1)基本思路：與速度方向垂直的直線和圖中弦的中垂線一定過圓心 (2)兩種情形 已知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(如圖所示，圖中P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn)) 已知入射點(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)就是圓弧軌道的圓心(如圖所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn)) 2半徑的確定和計(jì)算 利用平面幾何關(guān)系，求出該圓的可能半徑(或圓心角)，并注意以下兩個(gè)重要的幾何特點(diǎn)： (1)粒子速度的偏向角等于圓心角()，并等于AB弦與切線的夾角(弦切角)的2倍(如圖所示)， 即2t.(1)解題時(shí)做圖盡量準(zhǔn)確，以利于幾何關(guān)系的確定(2)特別關(guān)注幾何圖形中邊角關(guān)系，勾股定理與三角函數(shù)是常用的數(shù)學(xué)知識(shí) 坐標(biāo)原點(diǎn)O處有一個(gè)粒子源，在某時(shí)刻發(fā)射大量質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子，它們的速度大小相同，速度方向均在xy平面內(nèi)，與y軸正方向的夾角分布在090范圍內(nèi)已知粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑介于a/2到a之間，從發(fā)射粒子到粒子全部離開磁場(chǎng)經(jīng)歷的時(shí)間恰好為粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期的四分之一求最后離開磁場(chǎng)的粒子從粒子源射出時(shí)的 (1)速度的大小； (2)速度方向與y軸正方向夾角的正弦如圖所示，平行板間的勻強(qiáng)電場(chǎng)范圍內(nèi)存在著與電場(chǎng)正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，帶電粒子以速度v0垂直電場(chǎng)從P點(diǎn)射入平行板間，恰好沿紙面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，從Q飛出，忽略重力，下列說法正確的是()A磁場(chǎng)方向垂直紙面向里B磁場(chǎng)方向與帶電粒子的符號(hào)有關(guān)C帶電粒子從Q沿QP進(jìn)入，也能做勻速直線運(yùn)動(dòng)D若粒子帶負(fù)電，以速度v1沿PQ射入，從Q飛出時(shí)，則v1v0解析AD帶電粒子以速度v0垂直電場(chǎng)從P點(diǎn)射入平行板間，恰好沿紙面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則帶電粒子所受的電場(chǎng)力與洛倫茲力大小相等方向相反，根據(jù)左手定則判斷不論粒子帶何種電荷，磁場(chǎng)方向均垂直紙面向里，所以A正確，B錯(cuò)誤；帶電粒子從Q沿QP進(jìn)入，電場(chǎng)力方向不變，而洛倫茲力反向，故不能做勻速直線運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)誤；粒子帶負(fù)電時(shí)，洛倫茲力方向向下，以速度v1沿PQ射入，從Q飛出，則qv1BqEqv0B，所以v10區(qū)域內(nèi)，有磁感應(yīng)強(qiáng)度B1.0102 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向與xOy平面垂直，在x軸上的P(10,0)點(diǎn)，有一放射源，在xOy平面內(nèi)向各個(gè)方向發(fā)射速率v1.0104 m/s的帶正電的粒子，粒子的質(zhì)量為m1.61025 kg，電荷量為q1.61018 C，求帶電粒子能打到y(tǒng)軸上的范圍易錯(cuò)點(diǎn) 不清楚回旋加速器的原理導(dǎo)致錯(cuò)誤【例】如圖甲所示是用來加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒在加速帶電粒子時(shí)，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，兩盒分別與高頻電源相連帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示，忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間，則下列判斷正確的是() A在Ekt圖中應(yīng)有t4t3t3t2t2t1 B加速電壓越大，粒子最后獲得的動(dòng)能就越大 C粒子加速次數(shù)越多，粒子最大動(dòng)能一定越大 D要想粒子獲得的最大動(dòng)能增大，可增加D形盒的面積【錯(cuò)因剖析】不理解回旋加速器的原理錯(cuò)解1：誤認(rèn)為隨著粒子的速率越來越大，粒子回旋的周期越來越小，錯(cuò)選A；錯(cuò)解2：誤認(rèn)為粒子獲得的最大動(dòng)能與加速電壓有關(guān)，錯(cuò)選B；錯(cuò)解3：誤認(rèn)為粒子加速次數(shù)越多，粒子獲得的動(dòng)能越大，錯(cuò)選C. 1帶電粒子進(jìn)入云室會(huì)使云室中的氣體電離，從而顯示其運(yùn)動(dòng)軌跡 如圖所示，是在有勻強(qiáng)磁場(chǎng)的云室中觀察到的粒子的軌跡，a和b是軌跡上的兩點(diǎn)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直紙面向里該粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)量和電荷量不變，而動(dòng)能逐漸減小，下列說法正確的是() A粒子先經(jīng)過a點(diǎn)，再經(jīng)過b點(diǎn) B粒子先經(jīng)過b點(diǎn)，再經(jīng)過a點(diǎn) C粒子帶負(fù)電 D粒子帶正電 2.如圖所示圓形區(qū)域內(nèi)，有垂直于紙面方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一束質(zhì)量和電荷量都相同的帶電粒子，以不同的速率，沿著相同的方向，對(duì)準(zhǔn)圓心O射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，又都從該磁場(chǎng)中射出，這些粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間有的較長(zhǎng)，有的較短，若帶電粒子在磁場(chǎng)中只受磁場(chǎng)力的作用，則在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的帶電粒子() A速率一定越小 B速率一定越大 C在磁場(chǎng)中通過的路程一定越長(zhǎng) D在磁場(chǎng)中的周期一定越大 3.如圖所示是質(zhì)譜儀工作原理的示意圖，帶電粒子a、b經(jīng)電壓U加速(在A點(diǎn)初速度為0)后，進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，最后分別打在感光板S上的x1、x2處，圖中半圓形的虛線分別表示帶電粒子a、b所通過的路徑，則() Aa的質(zhì)量一定大于b的質(zhì)量 Ba的電荷量一定大于b的電荷量 Ca運(yùn)動(dòng)的時(shí)間大于b運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 Da的比荷大于b的比荷4(2011上海)“上海光源”發(fā)出的光，是接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中做曲線運(yùn)動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射若帶正電的粒子以速度v0進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)做半徑為mv0/qB的勻速圓周運(yùn)動(dòng)(如圖)，式中q為粒子的電荷量，m為其質(zhì)量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，則其運(yùn)動(dòng)的角速度_.粒子運(yùn)行一周所需要的時(shí)間稱為回旋周期如果以上情況均保持不變，僅增大粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速率v0，則回旋周期_(填“增大”“不變”或“減小”)5(2011山東理綜)扭擺器是同步輻射裝置中的插入件，能使粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生扭擺其簡(jiǎn)化模型如圖：、兩處的條形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)邊界豎直，相距為L(zhǎng)，磁場(chǎng)方向相反且垂直于紙面一質(zhì)量為m、電量為q、重力不計(jì)的粒子，從靠近平行板電容器MN板處由靜止釋放，極板間電壓為U，粒子經(jīng)電場(chǎng)加速后平行于紙面射入?yún)^(qū)，射入時(shí)速度與水平方向夾角30 (1)當(dāng)區(qū)寬度L1L、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1B0時(shí)，粒子從區(qū)右邊界射出時(shí)速度與水平方向夾角也為30，求B0及粒子在區(qū)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t. (2)若區(qū)寬度L2L1L、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B2B1B0，求粒子在區(qū)的最高點(diǎn)與區(qū)的最低點(diǎn)之間的高度差h. (3)若L2L1L、B1B0，為使粒子能返回區(qū)，求B2應(yīng)滿足的條件(4)若B1B2、L1L2，且已保證了粒子能從區(qū)右邊界射出為使粒子從區(qū)右邊界射出的方向與從區(qū)左邊界射入的方向總相同，求B1、B2、L1、L2之間應(yīng)滿足的關(guān)系式解析(1)如圖1所示，設(shè)粒子射入磁場(chǎng)區(qū)的速度為v，在磁場(chǎng)區(qū)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R1，由動(dòng)能定理和牛頓第二定律得圖圖1 圖圖2 (4)如圖3(或圖4)所示，設(shè)粒子射出磁場(chǎng)區(qū)時(shí)速度與水平方向的夾角為，由幾何知識(shí)可得L1R1(sin sin )或L1R1(sin sin )L2R2(sin sin )或L2R2(sin sin )聯(lián)立式得B1R1B2R2聯(lián)立式得B1L1B2L2圖圖3圖圖4