2026屆高三物理一輪復(fù)習(xí)課件第11章磁場安培力與洛倫茲力專題10帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動及實際應(yīng)用

這是一份2026屆高三物理一輪復(fù)習(xí)課件第11章磁場安培力與洛倫茲力專題10帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動及實際應(yīng)用，共60頁。PPT課件主要包含了內(nèi)容索引，電磁流量計，知識鞏固，類平拋，勻速圓周，洛倫茲力，典例示范等內(nèi)容，歡迎下載使用。
第一環(huán)節(jié)　必備知識落實
第二環(huán)節(jié)　關(guān)鍵能力形成
第三環(huán)節(jié)　核心素養(yǎng)提升
1.復(fù)合場(1)疊加場:靜電場、磁場、重力場共存,或其中某兩種場共存。(2)組合場:電場與磁場各位于一定的區(qū)域內(nèi),并不重疊或在同一區(qū)域,但電場、磁場交替出現(xiàn)。2.帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動形式(1)靜止或勻速直線運(yùn)動。當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場中所受合外力為零時,將處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。
(2)勻速圓周運(yùn)動。當(dāng)帶電粒子所受的重力與靜電力大小相等,方向相反時,帶電粒子在洛倫茲力的作用下,在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動。(3)較復(fù)雜的曲線運(yùn)動。當(dāng)帶電粒子所受合外力的大小和方向均變化,且與初速度方向不在同一直線上時,粒子做非勻變速曲線運(yùn)動,這時粒子運(yùn)動軌跡既不是圓弧,也不是拋物線。(4)分階段運(yùn)動。帶電粒子可能依次通過幾個情況不同的復(fù)合場區(qū)域,其運(yùn)動情況隨區(qū)域發(fā)生變化,其運(yùn)動過程由幾種不同的運(yùn)動階段組成。
1.質(zhì)譜儀(1)構(gòu)造:如圖所示,質(zhì)譜儀由粒子源、加速電場、勻強(qiáng)磁場和照相底片組成。
2.回旋加速器(1)構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓形金屬盒,D形盒的縫隙處接交流電源,D形盒處于勻強(qiáng)磁場中。
6.霍爾效應(yīng)在勻強(qiáng)磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體,當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時,導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),其原理如圖所示。
7.電視顯像管電視顯像管是應(yīng)用電子束磁偏轉(zhuǎn)的原理來工作的,使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的。顯像管工作時,由陰極發(fā)射電子束,利用磁場來使電子束偏轉(zhuǎn),實現(xiàn)電視技術(shù)中的掃描,使整個熒光屏都在發(fā)光。
追本溯源速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾效應(yīng)和電磁流量計有什么共性的地方?提示 速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)的兩極產(chǎn)生穩(wěn)定電勢差時,霍爾效應(yīng)中霍爾電勢差達(dá)到穩(wěn)定時,電磁流量計電勢差達(dá)到穩(wěn)定時,其本質(zhì)都是粒子勻速通過相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,靜電力與洛倫茲力平衡。
1.(多選)一個帶電粒子以初速度v0垂直于電場方向向右射入勻強(qiáng)電場區(qū)域,穿出電場后接著又進(jìn)入勻強(qiáng)磁場區(qū)域。設(shè)電場和磁場區(qū)域有明確的分界線,且分界線與電場強(qiáng)度方向平行,如圖中的虛線所示。下圖所示的幾種情況可能出現(xiàn)的是(　　)
解析:A、C選項中粒子在電場中向下偏轉(zhuǎn),所以粒子帶正電,進(jìn)入磁場后, A圖中粒子應(yīng)逆時針旋轉(zhuǎn),C圖中粒子應(yīng)順時針旋轉(zhuǎn),故A正確,C錯誤。同理可以判斷B錯誤,D正確。
2.處于一勻強(qiáng)磁場中的一段載流導(dǎo)體,若導(dǎo)體內(nèi)的自由移動的電荷沿x軸正方向運(yùn)動,會受到洛倫茲力作用,在導(dǎo)體內(nèi)就會形成一電場EH,這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。下圖中對電場EH的方向描述正確的是(　　)
解析:正電荷沿x軸正方向運(yùn)動,由左手定則可知,受到的洛倫茲力方向豎直向上,正電荷向上偏,所以形成的電場方向豎直向下,故A、B錯誤。負(fù)電荷沿x軸正方向運(yùn)動,由左手定則可知,受到的洛倫茲力方向豎直向下,負(fù)電荷向下偏,所以形成的電場方向豎直向下,故C錯誤,D正確。
3.霍爾元件廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域,霍爾元件一般用半導(dǎo)體材料制成,有的半導(dǎo)體中的載流子(自由電荷)是自由電子,有的半導(dǎo)體中的載流子是空穴(相當(dāng)于正電荷)。下圖為用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件的工作原理示意圖,厚度為h,寬度為d,當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時,在導(dǎo)體上下表面會產(chǎn)生電勢差,下列說法正確的是(　　)
A.若元件的載流子是自由電子,上表面的電勢低于下表面的電勢B.若元件的載流子是空穴,上表面的電勢低于下表面的電勢C.保持電流I不變,僅增大h時,上下表面的電勢差增大D.保持電流I不變,僅增大d時,上下表面的電勢差增大
整合構(gòu)建1.是否考慮粒子重力的三種情況(1)對于微觀粒子,如電子、質(zhì)子、離子等,因為其重力一般情況下與靜電力或磁場力相比太小,故可以忽略;而對于一些宏觀物體,如帶電小球、液滴、金屬塊等一般應(yīng)當(dāng)考慮其重力。(2)在題目中有明確說明是否要考慮重力的,這種情況比較正規(guī),也比較簡單。(3)不能直接判斷是否要考慮重力的,在進(jìn)行受力分析與運(yùn)動分析時,要由分析結(jié)果確定是否要考慮重力。
2.“電偏轉(zhuǎn)”和“磁偏轉(zhuǎn)”的比較
3.常見運(yùn)動情況分類(1)先電場后磁場。①先在電場中做加速直線運(yùn)動,然后進(jìn)入磁場做圓周運(yùn)動。(如圖甲、乙所示)在電場中利用動能定理或運(yùn)動學(xué)公式求粒子剛進(jìn)入磁場時的速度。
②先在電場中做類平拋運(yùn)動,然后進(jìn)入磁場做圓周運(yùn)動。(如圖丙、丁所示)在電場中利用平拋運(yùn)動知識求粒子進(jìn)入磁場時的速度。
(2)先磁場后電場。對于粒子從磁場進(jìn)入電場的運(yùn)動,常見的有兩種情況:①進(jìn)入電場時粒子速度方向與電場方向相同或相反;②進(jìn)入電場時粒子速度方向與電場方向垂直。(如圖戊、己所示)
思維點(diǎn)撥(1)帶電粒子在第Ⅰ象限內(nèi)做____________運(yùn)動,在第Ⅱ象限內(nèi)做____________運(yùn)動。?(2)粒子恰不能進(jìn)入第Ⅲ象限的條件是運(yùn)動軌跡與x軸____________。?
方法歸納帶電粒子在組合場中運(yùn)動的分析思路及技巧1.基本思路:?2.解題關(guān)鍵:抓住聯(lián)系兩個場的紐帶——速度。
考向2 組合場中多粒子運(yùn)動問題
特別提醒明確以下四個問題:一是由幾種粒子組成,它們的電荷量和質(zhì)量有什么關(guān)系;二是粒子怎么進(jìn),即從邊界進(jìn)入時速度的大小和方向,以及進(jìn)入時的位置;三是軌跡向哪個方向偏轉(zhuǎn),方法是根據(jù)左手定則,由速度方向和磁場方向確定出洛倫茲力的方向,然后在速度方向和力的方向之間結(jié)合速度方向與軌跡相切的特點(diǎn)畫出運(yùn)動軌跡;四是從哪個邊界出磁場,與哪個邊界相切。
訓(xùn)練突破1.(2023·山東卷)如圖所示,在0≤x≤2d、0≤y≤2d的區(qū)域OPNQ中,存在沿y軸正方向、電場強(qiáng)度大小為E的勻強(qiáng)電場,電場的周圍分布著垂直于紙面向外的恒定勻強(qiáng)磁場。一個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子從OP的中點(diǎn)A進(jìn)入電場(不計粒子重力)。
(1)若粒子初速度為零,粒子從上邊界垂直于QN第二次離開電場后,垂直于NP再次進(jìn)入電場,求磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小。(2)若改變電場強(qiáng)度大小,粒子以一定的初速度從A點(diǎn)沿y軸正方向第一次進(jìn)入電場,離開電場后從P點(diǎn)第二次進(jìn)入電場,在電場的作用下從Q點(diǎn)離開。①求改變后電場強(qiáng)度E'的大小和粒子的初速度v0。②通過計算判斷粒子能否從P點(diǎn)第三次進(jìn)入電場。
整合構(gòu)建1.帶電粒子在疊加場中無約束情況下的運(yùn)動情況分類(1)磁場力、重力并存。①若重力和洛倫茲力平衡,則帶電體做勻速直線運(yùn)動。②若重力和洛倫茲力不平衡,則帶電體將做復(fù)雜的曲線運(yùn)動,因洛倫茲力不做功,故機(jī)械能守恒,由此可求解問題。(2)靜電力、磁場力并存(不計重力的微觀粒子)。①若靜電力和洛倫茲力平衡,則帶電體做勻速直線運(yùn)動。②若靜電力和洛倫茲力不平衡,則帶電體將做復(fù)雜的曲線運(yùn)動,因洛倫茲力不做功,可用動能定理求解問題。
(3)靜電力、磁場力、重力并存。①若三力平衡,一定做勻速直線運(yùn)動。②若重力與靜電力平衡,一定做勻速圓周運(yùn)動。③若合力不為零且與速度方向不垂直,將做復(fù)雜的曲線運(yùn)動,因洛倫茲力不做功,可用能量守恒或動能定理求解問題。
2.帶電粒子在疊加場中有約束情況下的運(yùn)動帶電體在復(fù)合場中受輕桿、輕繩、圓環(huán)、軌道等約束的情況下,除受場力外,還受彈力、摩擦力作用,常見的運(yùn)動形式有直線運(yùn)動和圓周運(yùn)動,此時解題要通過受力分析明確變力、恒力做功情況,并注意洛倫茲力不做功的特點(diǎn),運(yùn)用動能定理、能量守恒定律結(jié)合牛頓運(yùn)動定律求出結(jié)果。
考向1 帶電粒子在無約束疊加場中的運(yùn)動【典例3】 如圖所示,兩塊水平放置、相距為d的長金屬板接在電壓可調(diào)的電源上。兩板之間的右側(cè)區(qū)域存在方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場。將噴墨打印機(jī)的噴口靠近上板下表面,從噴口連續(xù)不斷噴出質(zhì)量均為m、水平速度均為v0、帶相等電荷量的墨滴。調(diào)節(jié)電源電壓至U,墨滴在電場區(qū)域恰能沿水平向右做勻速直線運(yùn)動;進(jìn)入電場、磁場共存區(qū)域后,最終垂直打在下板的M點(diǎn)。(1)判斷墨滴所帶電荷的種類,并求其電荷量。(2)求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值。(3)現(xiàn)保持噴口方向不變,使其豎直下移到兩板中間的位置。為了使墨滴仍能到達(dá)下板M點(diǎn),應(yīng)將磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)至B',則B'的大小為多少?
思維點(diǎn)撥(1)墨滴在電場區(qū)域受到____________力和____________力。二力____________時,墨滴做勻速直線運(yùn)動。?(2)進(jìn)入磁場區(qū)域后,墨滴受到的合力等于__________,因此做__________運(yùn)動。?(3)墨滴垂直打到M點(diǎn)時,圓周半徑為____________。?
(3)根據(jù)題設(shè),墨滴運(yùn)動軌跡如圖所示,設(shè)圓周運(yùn)動半徑為R‘
方法歸納粒子在疊加場中運(yùn)動分析思路?????
考向2 帶電粒子在有約束疊加場中的運(yùn)動【典例4】 如圖所示,絕緣粗糙的豎直平面MN左側(cè)同時存在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,電場方向水平向右,電場強(qiáng)度大小為E,磁場方向垂直紙面向外,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的小滑塊從A點(diǎn)由靜止開始沿MN下滑,到達(dá)C點(diǎn)時離開MN做曲線運(yùn)動。A、C兩點(diǎn)間距離為h,重力加速度為g。
(1)求小滑塊運(yùn)動到C點(diǎn)時的速度大小vC。(2)求小滑塊從A點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)過程中克服摩擦力做的功Wf。(3)若D點(diǎn)為小滑塊在靜電力、洛倫茲力及重力作用下運(yùn)動過程中速度最大的位置,當(dāng)小滑塊運(yùn)動到D點(diǎn)時撤去磁場,此后小滑塊繼續(xù)運(yùn)動到水平地面上的P點(diǎn)。已知小滑塊在D點(diǎn)時的速度大小為vD,從D點(diǎn)運(yùn)動到P點(diǎn)的時間為t,求小滑塊運(yùn)動到P點(diǎn)時速度的大小vP。
(3)如圖所示,小滑塊速度最大時,速度方向與靜電力、重力的合力方向垂直。撤去磁場后小滑塊將做類平拋運(yùn)動,等效加速度為g'
訓(xùn)練突破2.(2022·山東卷)中國“人造太陽”在核聚變實驗方面取得新突破,該裝置中電磁場約束和加速高能離子,其部分電磁場簡化模型如圖所示。在三維坐標(biāo)系Oxyz中,0