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2022届高考物理一轮复习 第9章 磁场 第3节 带电粒子在复合场中的运动教案 新人教版2022届高考物理一轮复习 第9章 磁场 第3节 带电粒子在复合场中的运动教案 新人教版年级：姓名：- 19 -第3节带电粒子在复合场中的运动一、带电粒子在复合场中的运动1复合场与组合场(1)复合场：电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存，如图甲。甲乙(2)组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，或在同一区域，电场、磁场分时间段或分区域交替出现。如图乙。2带电粒子在复合场中的常见运动(1)静止或匀速直线运动：当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动。(2)匀速圆周运动：当带电粒子所受的重力与电场力大小相等、方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动。二、质谱仪和回旋加速器装置原理图规律质谱仪带电粒子由静止被加速电场加速qUmv2，在磁场中做匀速圆周运动qvBm，则比荷回旋加速器交变电流的周期和带电粒子做圆周运动的周期相同，带电粒子在圆周运动过程中每次经过D形盒缝隙都会被加速。由qvBm得Ekm一、思考辨析(正确的画“”，错误的画“”)1带电粒子在匀强磁场中只受洛伦兹力和重力时，不可能做匀加速直线运动。()2带电粒子在复合场中不可能处于静止状态。()3带电粒子在复合场中不可能做匀速圆周运动。()4不同比荷的粒子在质谱仪磁场中做匀速圆周运动的半径不同。()5粒子在回旋加速器中做圆周运动的半径、周期都随粒子速度的增大而增大。()6在速度选择器中做匀速直线运动的粒子的比荷可能不同。()二、走进教材1(人教版选修31P102T3改编)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为()A11 B12 C121 D144D离子在加速电场有qUmv2，在磁场中偏转有qvBm，联立解得R，经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，即R相同，因此有，离子和质子的质量比约为144，故选D。2(人教版选修31P98T4改编)(2020宜昌模拟)如图是磁流体发电机的示意图，在间距为d的平行金属板A、C间，存在磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场，两金属板通过导线与变阻器R相连，等离子体以速度v平行于两金属板垂直射入磁场。若要减小该发电机的电动势，可采取的方法是()A增大d B增大B C增大R D减小vD由等离子在磁场和电场受的电场力与磁场力平衡，即Bqv，得发电机的电动势EBdv，要想减小电动势，则可以通过减小B、d或v实现，D正确。 带电粒子在组合场中的运动1组合场电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，电场、磁场交替出现。2“磁偏转”和“电偏转”的比较电偏转磁偏转偏转条件带电粒子以vE进入匀强电场(不计重力)带电粒子以vB进入匀强磁场(不计重力)受力情况只受恒定的电场力FEq只受大小恒定的洛伦兹力FqvB运动情况类平抛运动匀速圆周运动运动轨迹抛物线圆弧求解方法利用类平抛运动的规律xv0t，yat2，a，tan 牛顿第二定律、向心力公式r，T，t(2018全国卷)如图，在y0的区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E；在y v丙 v乙，选项A、B错误；三个小球在运动过程中，只有重力做功，即它们的机械能守恒，选项D正确；甲球在最高点处的动能最大，因为势能相等，所以甲球的机械能最大，甲球的释放位置最高，选项C正确。2.(多选)如图所示为一个质量为m、电荷量为q的圆环，可在水平放置的足够长的粗糙细杆上滑动，细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中，不计空气阻力，现给圆环向右的初速度v0，在以后的运动过程中，圆环运动的速度图象可能是下列选项中的()ABCDAD带电圆环在磁场中受到向上的洛伦兹力，当重力与洛伦兹力相等时，圆环将做匀速直线运动，A正确；当洛伦兹力大于重力时，圆环受到摩擦力的作用，并且随着速度的减小而减小，圆环将做加速度减小的减速运动，最后做匀速直线运动，D正确；如果重力大于洛伦兹力，圆环也受摩擦力作用，且摩擦力越来越大，圆环将做加速度增大的减速运动，故B、C错误。磁场、电场与重力场叠加3.(2017全国卷)如图所示，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上(与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里。三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等，质量分别为ma、mb、mc。已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是()AmambmcBmbmamcCmcmambDmcmbmaB设三个微粒的电荷量均为q，a在纸面内做匀速圆周运动，说明洛伦兹力提供向心力，重力与电场力平衡，即magqEb在纸面内向右做匀速直线运动，三力平衡，则mbgqEqvBc在纸面内向左做匀速直线运动，三力平衡，则mcgqvBqE比较式得：mbmamc，选项B正确。 电场和磁场技术的应用电和磁与科技、生活联系紧密，电和磁相结合的试题是高考命题的热点。近年高考试题频繁的以STSE为切入点，考查电磁学中的主干知识。质谱仪分离和检测粒子1作用：测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。2原理(如图所示)：(1)加速电场：qUmv2。(2)偏转磁场：qvB，l2r；由以上两式可得r，m，。示例1(2020天津名校联考)如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器内有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直磁场边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点，不计粒子重力，下列说法中正确的是()A加速电场的电压UERB极板M比极板N电势低CPQ2BD若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子的比荷相等D在加速电场中，由动能定理得qUmv20，粒子在静电分析器中做圆周运动，电场力提供向心力，由牛顿第二定律得qEm，解得UER，A项错误；粒子在磁场中从P点运动到Q点，由左手定则可知粒子带正电，又因为带正电粒子在加速电场中受到的电场力向右，所以电场线方向向右，则M板的电势高于N板的电势，B项错误；粒子在磁分析器中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得qvBm，解得粒子在磁场中运动的轨迹半径为r，则PQ2r，若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上的同一点，则粒子做圆周运动的直径相等，根据PQ的表达式可知，该群粒子的比荷相等，C项错误，D项正确。回旋加速器加速带电粒子1构造：如图所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源。2原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次。3粒子获得的最大动能：由qvmB、Ekmmv得Ekm，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和金属盒半径R决定，与加速电压无关。4粒子在磁场中运动的总时间：粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n，粒子在磁场中运动的总时间tT。示例2如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图，在D形盒边上的缝隙间放置一对中心开有小孔a、b的平行金属板M、N。每当带正电的粒子从a孔进入时，就立即在两板间加上恒定电压，粒子经加速后从b孔射出时，立即撤去电压。而后粒子进入D形盒中的匀强磁场，做匀速圆周运动。缝隙间无磁场，不考虑相对论效应，则下列说法正确的是()A两D形盒中的磁场方向均垂直纸面向外B粒子做圆周运动的周期不断变大C粒子每运动一周运动轨迹直径的增加量越来越小D增大两板间电压，粒子最终获得的最大动能变大C带正电的粒子在匀强磁场中做逆时针方向的匀速圆周运动，根据左手定则，可判断出两D形盒中的磁场方向均垂直纸面向里，选项A错误；根据带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，可知洛伦兹力提供向心力，则有qvB，解得带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径r，周期T，所以粒子做圆周运动的周期不变，选项B错误；由于mv，所以r，粒子每运动一周动能的增加量EkqU，粒子每运动一周运动轨迹直径的增加量d2r2()(n1,2,3，)，当n逐渐增大时，d逐渐减小，即粒子每运动一周运动轨迹直径的增加量越来越小，选项C正确；由r可知，最大动能Ekmax(式中R为D形盒的半径)，由此可知，粒子最终获得的最大动能与加速电压的大小无关，所以增大两板间电压，粒子最终获得的最大动能不变，选项D错误。粒子在D形盒中运动的周期不变；粒子最终获得的最大动能与回旋加速器的D形盒半径有关，与加速次数、加速电场的电压都无关。霍尔元件前、后表面间产生电压1、定义：高为h、宽为d的导体(自由电荷是电子或正电荷)置于匀强磁场B中，当电流通过导体时，在导体的上表面A和下表面A之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压。2、电势高低的判断：如图，导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，若自由电荷是电子，则下表面A的电势高。若自由电荷是正电荷，则下表面A的电势低。3、霍尔电压的计算：导体中的自由电荷(电荷量为q)在洛伦兹力作用下偏转，A、A间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，A、A间的电势差(U)就保持稳定，由qvBq，InqvS，Shd；联立得Uk，k称为霍尔系数。示例3(2020北京延庆区模拟)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏暮熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、高为b、长为c的长方体半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流I时，电子的定向移动速度为v，当显示屏闭合时元件处垂直于上表面、方向向下、磁感应强度为B的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的()A前表面的电势比后表面的低B前、后表面间的电压UBveC前、后表面间的电压U与I成正比D自由电子受到的洛伦兹力大小为C元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，电子的定向移动速度v的方向与电流方向相反，由左手定则可判断出电子向后表面偏转，后表面带负电荷，所以前表面的电势比后表面的高，选项A错误；电子在霍尔元件中定向移动，由平衡条件有电子受到的洛伦兹力大小f，故evB，解得前、后表面间的电压UBva，由于Ineabv(式中n为单位体积内电子的个数)，联立解得U，所以前、后表面间的电压U与I成正比，选项B、D错误，C正确。半导体霍尔元件的载流子有两种：自由电子(可视为负载流子)和空穴(可视为正载流子)。对于载流子为空穴的半导体霍尔元件，空穴的定向移动方向与电流方向相同。对于载流子为自由电子的半导体霍尔元件，自由电子的定向移动方向与电流方向相反。电磁流量计检测污水，碧水蓝天1流量(Q)的定义：单位时间流过导管某一截面的导电流体的体积。2公式：QSv；S为导管的横截面积，v是导电液体的流速。3导电液体的流速(v)的计算。示例4(多选)(2020湖北武汉名校4月调研)全国各省市打响碧水蓝天保卫战，调查组在某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，水平放置，其长为L、直径为D，左右两端开口，匀强磁场方向竖直向上(图中未画出)，在前后两个内侧面a、c上固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经测量管时，a、c两端电压为U，显示仪器显示污水流量为Q(单位时间内排出的污水体积)，下列说法正确的是()Aa侧电势比c侧电势低B若污水中正离子较多，则a侧电势比c侧电势高；若污水中负离子较多，则a侧电势比c侧电势低C污水中离子浓度越高，显示仪器的示数越大DU与污水流量Q成正比，与L无关AD由左手定则可知，污水中正离子受到洛伦兹力作用偏向c，负离子受到洛伦兹力作用偏向a，c侧为高电势，所以a侧电势比c侧电势低，与污水中正负离子的数量无关，选项A正确，B错误；显示仪器显示污水流量为QvS，而UBDv，联立解得U，即U与污水流量Q成正比，与L无关，选项D正确；由Q可知，显示仪器的示数与污水中离子浓度无关，选项C错误。