2020高考物理大一輪復(fù)習(xí)新課改省份專用講義第八章第47課時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)重點(diǎn)突破課含答案

1、第47課時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(重點(diǎn)突破課)考點(diǎn)一帶電粒子在電場(chǎng)中的直線運(yùn)動(dòng)帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和直線運(yùn)動(dòng)是電場(chǎng)問(wèn)題中的常見(jiàn)類型，也是解決帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的基礎(chǔ)。是否考慮帶電粒子的重力，選擇什么樣的方法解決問(wèn)題，是解此類問(wèn)題的2個(gè)思考點(diǎn)。1電場(chǎng)中重力的處理方法(1)基本粒子：如電子、質(zhì)子、粒子、離子等微觀粒子，除有說(shuō)明或明確暗示外，一般都不考慮重力(但并不忽略質(zhì)量)。(2)帶電體：如塵埃、液滴、小球等，除有特殊說(shuō)明或明確暗示外，一般都不能忽略重力。2解決電場(chǎng)中直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的兩種觀點(diǎn)(1)動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：根據(jù)帶電粒子受到的電場(chǎng)力，用牛頓第二定律求出加速度，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)

2、情況。此方法只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)。(2)功和能量觀點(diǎn)：根據(jù)電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子所做的功等于帶電粒子動(dòng)能的變化求解。此方法既適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)，也適用于非勻強(qiáng)電場(chǎng)。典例(多選)(2019泰安檢測(cè))在如圖1所示的兩平行金屬板間加上如圖2所示的電壓。第1s內(nèi)，一點(diǎn)電荷在兩極板間處于靜止?fàn)顟B(tài)，第2s末點(diǎn)電荷仍運(yùn)動(dòng)且未與極板接觸。則第2s內(nèi)，點(diǎn)電荷(g取10m/s2)()A做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小為10m/s2B做變加速直線運(yùn)動(dòng)，平均加速度大小為5m/s2C做變加速直線運(yùn)動(dòng)，第2s末加速度大小為10m/s2D第2s末速度大小為10m/s解析由題意知，第1s內(nèi)點(diǎn)電荷受重力和電場(chǎng)力作用處于平衡狀態(tài)，故電場(chǎng)力方向向上

3、，大小與重力相等；第2s內(nèi)電壓變大，故電場(chǎng)強(qiáng)度變大，電場(chǎng)力變大，第2s末電場(chǎng)強(qiáng)度增加為第1s末的兩倍，故電場(chǎng)力變?yōu)?倍，故合力變?yōu)橄蛏?，大小為mg，故此時(shí)加速度大小為10m/s2，且第2s內(nèi)合力隨時(shí)間均勻增加，故加速度隨時(shí)間均勻增加，做變加速直線運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤，C正確；第2s內(nèi)平均加速度大小為：a0102m/s25m/s2，B正確；根據(jù)速度時(shí)間公式，第2s末速度大小為：v51m/s5m/s，D錯(cuò)誤。答案BC規(guī)律方法電場(chǎng)中直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的解題流程集訓(xùn)沖關(guān)1.如圖所示，從F處釋放一個(gè)無(wú)初速度的電子向B板方向運(yùn)動(dòng)，下列對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的描述中錯(cuò)誤的是(設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)均為U)()A電子到達(dá)B板時(shí)的動(dòng)能是UeB電子

4、從B板到達(dá)C板動(dòng)能變化量為零C電子到達(dá)D板時(shí)的動(dòng)能是3UeD電子在A板和D板之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)E解析：選C電子在AB之間做勻加速運(yùn)動(dòng)，且eUk，A正確；在BC之間做勻速運(yùn)動(dòng)，B正確；在CD之間做勻減速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)D板時(shí)，速度減為零，隨后反向做勻加速運(yùn)動(dòng)，在CB之間做勻速運(yùn)動(dòng)，在BA之間做勻減速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)A板時(shí)，速度減為零，之后按上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程往復(fù)運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)誤，D正確。2(2016四川高考)中國(guó)科學(xué)院2015年10月宣布中國(guó)將在2020大的粒子加速器。加速器是人類揭示物質(zhì)本源的關(guān)鍵設(shè)備，在放射治學(xué)等方面有廣泛應(yīng)用。如圖所示，某直線加速器由沿軸線分布的一系成，相鄰漂移管分別接在高頻脈沖電源的兩極。質(zhì)子從K

5、點(diǎn)沿軸線進(jìn)年開(kāi)始建造世界上最療、食品安全、材料科列金屬圓管(漂移管)組入加速器并依次向右內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間視為電源周期的。質(zhì)子的荷質(zhì)比取1108C/kg。求：穿過(guò)各漂移管，在漂移管內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在漂移管間被電場(chǎng)加速，加速電壓視為不變。設(shè)質(zhì)子進(jìn)入漂移管B時(shí)速度為8106m/s，進(jìn)入漂移管E時(shí)速度為1107m/s，電源頻率為1107Hz，漂移管間縫隙很小，質(zhì)子在每個(gè)管12(1)漂移管B的長(zhǎng)度；(2)相鄰漂移管間的加速電壓。解析：(1)設(shè)質(zhì)子進(jìn)入漂移管B的速度為vB，電源頻率、周期分別為f、T，漂移管B的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則1TTf，LvB2解得L0.4m。(2)設(shè)質(zhì)子進(jìn)入漂移管E的速度為vE，相鄰漂移管間的加

6、速電壓為U，電場(chǎng)力對(duì)質(zhì)子所做的功為W，質(zhì)子從漂移管B運(yùn)動(dòng)到漂移管E電場(chǎng)力做功W，質(zhì)子的電荷量為q、質(zhì)量為m，則WqUW3W11W2mvE22mvB2(2)在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間：tv。ymv0dvv2v2，tanvy。mv02d22mv02dtanU2l，yU2l24U1d考法1偏轉(zhuǎn)量的分析解得U6104V。答案：(1)0.4m(2)6104V考點(diǎn)二帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的處理方法和平拋運(yùn)動(dòng)相似，就是運(yùn)動(dòng)的合成與分解，分解為沿初速度方向和沿電場(chǎng)方向的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)用相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解決問(wèn)題。其中運(yùn)動(dòng)時(shí)間、偏轉(zhuǎn)位移和偏轉(zhuǎn)角的分析，都是高考考查的重點(diǎn)。1運(yùn)動(dòng)情況(1)條件

7、分析：不計(jì)重力的帶電粒子垂直于電場(chǎng)線方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)。(2)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：類平拋運(yùn)動(dòng)。(3)處理方法：運(yùn)動(dòng)的合成與分解。沿初速度方向：做勻速直線運(yùn)動(dòng)。沿電場(chǎng)方向：做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。2基本規(guī)律設(shè)粒子帶電荷量為q，質(zhì)量為m(忽略重力影響)，兩平行金屬板間的電壓為U，板長(zhǎng)為l，板間距離為d，則有FqEqU(1)加速度：ammmd。l0vxv0(3)速度qUlvatvqUlxyxlv0t(4)位移1qUl2yat2。考法細(xì)研2U1d例1如圖所示，含有大量11H、12H、24He的粒子流無(wú)初速度進(jìn)沿平行金屬板中心線上的O點(diǎn)進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，最后打在熒光屏上。入某一加速電場(chǎng)，然后不計(jì)粒子重力，下列

8、有atU2ql解析對(duì)于質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子，加速過(guò)程有qU1mv02，偏轉(zhuǎn)過(guò)程有tany，其中2v關(guān)熒光屏上亮點(diǎn)分布的說(shuō)法正確的是()A出現(xiàn)三個(gè)亮點(diǎn)，偏離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的是11HB出現(xiàn)三個(gè)亮點(diǎn)，偏離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的是24HeC出現(xiàn)兩個(gè)亮點(diǎn)D只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)1v0v0dmv02U2l1U2ql2U2l22U1d2mdv024U1dl為偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)長(zhǎng)度，d為寬度，聯(lián)立得tan，與粒子比荷無(wú)關(guān)；偏轉(zhuǎn)量y，與粒子比荷無(wú)關(guān)，粒子從同一點(diǎn)離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后沿同一方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系知，熒光屏上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)，選項(xiàng)D正確。答案D考法2偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的臨界極值問(wèn)題例2如圖所示為研究電子槍中電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化模型示

9、意圖。已知電子的質(zhì)量是m，電荷量為e，在xOy平面的ABCD區(qū)域內(nèi)，存在兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)大小均為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域和，兩電場(chǎng)區(qū)域的邊界均是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形(不計(jì)電子所受重力)。eELmv2解得v2EeL(1)在AB邊的中點(diǎn)處由靜止釋放電子，求電子在ABCD區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間和電子離開(kāi)ABCD區(qū)域的位置坐標(biāo)；(2)在電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置由靜止釋放電子，電子恰能從ABCD區(qū)域左下角D處離開(kāi)，求所有釋放點(diǎn)的位置。解析(1)電子在電場(chǎng)區(qū)域中做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)能定理得12m1且有L2vt1Ee解得t12mL電子在中間區(qū)域做勻速運(yùn)動(dòng)，有Lvt32Ee解得t3mL進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)域后電子做類平拋運(yùn)動(dòng)，假設(shè)

10、電子能穿出CD邊，由類平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律知，電子在電場(chǎng)區(qū)域中運(yùn)動(dòng)時(shí)間2Eet2t3mL在沿y軸方向上，根據(jù)牛頓第二定律可得eEma1LLy電子沿y軸方向上運(yùn)動(dòng)的位移為2at224，粒子將打在極板上，不能飛出電場(chǎng)，選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤；若只減小粒子的比荷，則粒子在豎直方向的位移y，粒子能飛出電場(chǎng)，解析：選C設(shè)極板長(zhǎng)為L(zhǎng)，極板間的距離為d，粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q、加速度為a，沿平行板面方向2222mv2d2d2選項(xiàng)C正確。2.如圖所示，一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電小球(可視為質(zhì)點(diǎn))，從速度v0水平拋出，兩長(zhǎng)為L(zhǎng)的平行金屬板M、N傾斜放置且與x軸正方向37(重力加速度為g，sin370.6)。(1)若

11、小球恰好能垂直于M板從其中心小孔B進(jìn)入兩板間，求小球拋出y軸上的A點(diǎn)以初間的夾角為時(shí)的初速度v0大4mg，在滿足(1)中條件的情況下，為使小球不打在N板上，求兩平行金屬板M、N之間的垂直距離的最小值d。小球在豎直方向上下落的距離為：hgt2小及在y軸上的拋出點(diǎn)A的坐標(biāo)；(2)若該平行金屬板M、N間有如圖所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)，且勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小與小球質(zhì)量之間的關(guān)系滿足E5q解析：(1)設(shè)小球由y軸上的A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到金屬板M的中心小孔B的時(shí)間為t，由題意，在與x軸平行的方向上，有：L2cosv0tv0tangt12所以小球拋出點(diǎn)A的縱坐標(biāo)為：yhsinL2解得：v03gL，yL，t2，h1710302

12、L4L15g15所以小球拋出點(diǎn)A的坐標(biāo)為0，30L。解得：v5gL因?yàn)镋，所以qEmgcos，平行于電場(chǎng)方向小球受力平衡，17(2)設(shè)小球進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度大小為v，則由動(dòng)能定理可得：11mgh2mv22mv026小球進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)后的受力情況如圖所示，4mg5q因此，小球進(jìn)入該勻強(qiáng)amgsindvt，at2解得：dL。答案：(1)3gL0，L(2)L電場(chǎng)之后，將做類平拋運(yùn)動(dòng)，其加速度大小為：mgsin設(shè)小球在該勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，欲使小球不打在N板上，由類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可得：L122526175230106考點(diǎn)三示波管問(wèn)題在示波管模型中，帶電粒子經(jīng)加速電場(chǎng)U1加速，再經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)U2偏轉(zhuǎn)后，

13、需要經(jīng)歷一段勻速直線運(yùn)動(dòng)才會(huì)打到熒光屏上而顯示亮點(diǎn)P，如圖所示。典例如圖所示為一真空示波管的示意圖，電子從燈絲K發(fā)出(初速度可忽略不計(jì))，經(jīng)燈絲與A板間的電壓U1加速，從A板中心孔沿中心線KO射出，然后進(jìn)入兩塊平行金屬板M、N形成的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中(偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng))，電子進(jìn)入M、N間電場(chǎng)時(shí)的速度與電場(chǎng)方向垂直，電子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)后打在熒光屏上的P點(diǎn)。已知M、N兩板間的電壓為U2，兩板間的距離為d，板長(zhǎng)為L(zhǎng)，電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，不計(jì)電子受到的重力及它們之間的相互作用力。tv，maeE，Ed2，yat2U2L24U1d(1)求電子穿過(guò)A板時(shí)速度的大??；(2)求電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)射出時(shí)的側(cè)移量；(3

14、)若要使電子打在熒光屏上P點(diǎn)的上方，可如何調(diào)整U1或U2?1解析(1)設(shè)電子經(jīng)電壓U1加速后的速度為v0，由動(dòng)能定理得eU12mv020m解得v02eU1。(2)電子以速度v0進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后，垂直于電場(chǎng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，沿電場(chǎng)方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，加速度為a，電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的側(cè)移量為y，由牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得LU102解得y。(3)由(2)中結(jié)果知，可減小加速電壓U1或增大偏轉(zhuǎn)電壓U2。(2)(3)減小U1或增大U2答案(1)2eU1U2L2m4U1d易錯(cuò)提醒(1)電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)射出時(shí)的側(cè)移量與打在屏上時(shí)的側(cè)移量

15、是不同的。(2)U1、U2的作用不能混淆，但減小U1或增大U2都能使電子打在屏上的側(cè)移量變大。集訓(xùn)沖關(guān)1.(多選)如圖所示為一個(gè)示波器工作原理的示意圖，電子經(jīng)電壓速度v0垂直進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)量是h，兩平行板間的為U1的加速電場(chǎng)后以距離為d，電勢(shì)差為U2，U212eU22vt，hatt，綜合得，因此要提高靈敏度則需要：增大L或減小U1或減小d，故C、D正確。22mdU24U1d板長(zhǎng)為L(zhǎng)，不計(jì)電子所受的重力。為了提高示波h管的靈敏度每單位電壓引起的偏轉(zhuǎn)量，可采取的方法是()A減小兩板間電勢(shì)差U2B盡可能使板長(zhǎng)L短些C盡可能使板間距離d小一些D使加速電壓U1減小一些1解析：選CD電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段，即加速和偏轉(zhuǎn)階段。加速階段：eU12mv02，偏轉(zhuǎn)階段：LhL202.在示波管中，電子通過(guò)電子槍加速，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，然后射到設(shè)