（通用版）2020版高考物理二輪復(fù)習(xí)專題三第二講磁場帶電粒子在磁場中的運動課件.pptx

1、第二講磁場帶電粒子在 磁場中的運動,-2-,網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,-3-,策略指導(dǎo) 本考點近年來命題形式頻出新意,主要側(cè)重于兩個方面,一方面是描述磁場的相關(guān)物理量和定義的考查,如磁場、磁感應(yīng)強度、磁感線、安培力、左手定則、右手定則等,考查這些基本的概念。另外一方面就是考查帶電粒子在勻強磁場中的運動和安培力做功,涉及運動過程的描述和功能關(guān)系。 在2020年備考過程中要重視帶電粒子在有界勻強磁場中運動的臨界、極值和多解問題。,-4-,高考真題 1.(2019全國卷)如圖,邊長為l的正方形abcd內(nèi)存在勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小為B,方向垂直于紙面(abcd所在平面)向外。ab邊中點有一電子發(fā)射源O,可向磁場內(nèi)沿

2、垂直于ab邊的方向發(fā)射電子。已知電子的比荷為k,則從a、d兩點射出的電子的速度大小分別為(),考點定位:帶電粒子在電場中的運動 解題思路與方法:畫出帶電粒子的運動軌跡,根據(jù)幾何關(guān)系求出帶電粒子運動的半徑是解題的關(guān)鍵。,答案,解析,-5-,2.(2019全國卷)如圖,在坐標系的第一和第二象限內(nèi)存在磁感應(yīng)強度大小分別為 B和B、方向均垂直于紙面向外的勻強磁場。一質(zhì)量為m、電荷量為q(q0)的粒子垂直于x軸射入第二象限,隨后垂直于y軸進入第一象限,最后經(jīng)過x軸離開第一象限。粒子在磁場中運動的時間為(),考點定位:帶電粒子在電場中的運動 解題思路與方法:畫出帶電粒子在電場中的運動軌跡,找出帶電粒子轉(zhuǎn)過

3、的圓心角分析求解。,答案,解析,-6-,3.(多選)(2018全國卷)如圖,紙面內(nèi)有兩條互相垂直的長直絕緣導(dǎo)線L1、L2,L1中的電流方向向左,L2中的電流方向向上;L1的正上方有a、b兩點,它們相對于L2對稱。整個系統(tǒng)處于勻強外磁場中,外磁場的磁感應(yīng)強度大小為B0,方向垂直于紙面向外。已知a、b兩點的磁,-7-,考點定位:磁場強度、磁場的疊加 解題思路與方法:先利用右手定則判斷通電導(dǎo)線各自產(chǎn)生的磁場強度,然后再利用矢量疊加的方式求解各個導(dǎo)體棒產(chǎn)生的磁場強度。,答案:AC,-8-,4.(2017全國卷)如圖,虛線所示的圓形區(qū)域內(nèi)存在一垂直于紙面的勻強磁場,P為磁場邊界上的一點。大量相同的帶電粒

4、子以相同的速率經(jīng)過P點,在紙面內(nèi)沿不同方向射入磁場。若粒子射入速率為v1,這些粒子在磁場邊界的出射點分布在六分之一圓周上;若粒子射入速率為v2,相應(yīng)的出射點分布在三分之一圓周上。不計重力及帶電粒子之間的相互作用。則v2v1為(),考點定位:帶電粒子在磁場中的運動 解題思路與方法:此題考查帶電粒子在勻強磁場中的運動問題;解題時必須要畫出粒子運動的草圖,結(jié)合幾何關(guān)系找到粒子在磁場中運動的半徑。,答案,解析,-9-,5.(2016全國卷)平面OM和平面ON之間的夾角為30,其橫截面(紙面)如圖所示,平面OM上方存在勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小為B,方向垂直于紙面向外。一帶電粒子的質(zhì)量為m,電荷量為q(q

5、0)。粒子沿紙面以大小為v的速度從OM的某點向左上方射入磁場,速度與OM成30角。已知該粒子在磁場中的運動軌跡與ON只有一個交點,并從OM上另一點射出磁場。不計重力。粒子離開磁場的出射點到兩平面交線O的距離為(),考點定位:帶電粒子在有界磁場中的運動,-10-,解題思路與方法:帶電粒子在勻強磁場中運動時,洛倫茲力充當,在磁場中運動半徑和速度有關(guān),運動周期和速度無關(guān),畫軌跡,定圓心,找半徑,結(jié)合幾何知識分析解題。,答案:D 解析: 粒子運動的軌跡如圖:,-11-,考點一,考點二,磁場的性質(zhì)及磁場對電流的作用(H),規(guī)律方法磁場性質(zhì)分析的兩點技巧 1.判斷電流磁場要正確應(yīng)用安培定則,明確大拇指、四

6、指及手掌的放法。 2.分析磁場對電流的作用要做到“一明、一轉(zhuǎn)、一分析”。,-12-,考點一,考點二,【典例1】(2019全國卷)如圖,等邊三角形線框LMN由三根相同的導(dǎo)體棒連接而成,固定于勻強磁場中,線框平面與磁感應(yīng)強度方向垂直,線框頂點M、N與直流電源兩端相接。已知導(dǎo)體棒MN受到的安培力大小為F,則線框LMN受到的安培力的大小為() A.2F B.1.5F C.0.5F D.0 思維點撥注意ML、LN、MN的安培力的方向,利用力的合成分析求解。,答案,解析,-13-,考點一,考點二,1.(多選)(2017全國卷)如圖,三根相互平行的固定長直導(dǎo)線L1、L2和L3兩兩等距,均通有電流I,L1中電

7、流方向與L2中的相同,與L3中的相反,下列說法正確的是 (),A.L1所受磁場作用力的方向 與L2、L3所在平面垂直 B.L3所受磁場作用力的方向 與L1、L2所在平面垂直,答案,解析,-14-,考點一,考點二,2.(2019河南示范性高中聯(lián)考)如圖所示兩平行傾斜導(dǎo)軌間的距離L=10 cm,它們處于垂直導(dǎo)軌平面向下的磁場(圖中未畫出)中,導(dǎo)軌平面與水平方向的夾角=37,在兩導(dǎo)軌下端所接的電路中電源電動勢E=10 V,內(nèi)阻不計,定值電阻R1=4 ,開關(guān)S閉合后,垂直導(dǎo)軌放置的質(zhì)量m=10 g、電阻R=6 的金屬棒MN保持靜止。已知金屬棒MN與兩導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)=0.5,取sin 37=0.6,

8、cos 37=0.8;g取10 m/s2,認為最大靜摩擦力等于滑動摩擦力。則磁場的磁感應(yīng)強度大小可能是() A.10 T B.1.5 T C.0.1 T D.1 T,答案,解析,-15-,考點一,考點二,3.(多選)如圖所示,三根通電長直導(dǎo)線A、B、C互相平行,其橫截面積為等腰直角三角形的三個頂點,三根導(dǎo)線中通入的電流大小相等,且A、C中電流方向垂直于紙面向外,B中電流方向垂直于紙面向內(nèi);已知通電導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強度B= ,其中I為通電導(dǎo)線的電流強度,r為到通電直導(dǎo)線的距離,k為常量。下列說法正確的是() A.導(dǎo)線A所受磁場作用力的方向與 導(dǎo)線B、C所在平面垂直 B.導(dǎo)線B所受磁

9、場作用力的方向與 導(dǎo)線A、C所在平面垂直 C.導(dǎo)線A、B單位長度所受的磁場作用力大小之比為12 D.導(dǎo)線A、B單位長度所受的磁場作用力大小之比為1,答案,解析,-16-,考點一,考點二,帶電粒子在磁場中的運動,解題策略1.帶電粒子在勻強磁場中的運動 (1)若vB,帶電粒子不受洛倫茲力,在勻強磁場中做勻速直線運動。 (2)若vB,且?guī)щ娏Ｗ觾H受洛倫茲力作用,則帶電粒子在垂直于磁感線的平面內(nèi)以入射速度v做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心,周期T與粒子運動的速度v或半徑R無關(guān)。,角速度只取決于粒子的比荷和磁感應(yīng)強度,與粒子運動的速度v和半徑R無關(guān)。,-17-,考點一,考點二,動量p=mv=qBR,動能

10、,粒子的動量和動能與磁感應(yīng)強度B、軌道半徑R、粒子的屬性(q、m)有關(guān)。,2.解決帶電粒子在有界磁場中的運動問題的思路 “畫軌跡,定圓心,求半徑”是解決帶電粒子在磁場中運動問題的一般思路,其中“畫軌跡”是處理臨界與極值問題的核心。對于這類區(qū)域判斷題,要善于進行動態(tài)分析,即首先選一個速度方向(如水平方向),然后從速度方向的改變分析軌跡的變化,從而找出角度變化時可能出現(xiàn)的臨界值與極值或各物理量間的聯(lián)系。,-18-,考點一,考點二,考法1帶電粒子在勻強磁場中運動及其臨界、極值問題(H) 【典例2】如圖所示,在半個空間中分布一勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B(垂直紙面并指向紙面內(nèi))。磁場邊界為MN(垂直紙面的

11、一個平面)。在磁場區(qū)內(nèi)有一點電子源(輻射發(fā)射源)S,向四面八方均勻、持續(xù)不斷地發(fā)射電子。這里僅考慮電子源所在的平面內(nèi),由電子源發(fā)射的電子,不計電子間的相互作用,并設(shè)電子源離界面MN的垂直距離為L。 (1)點源S發(fā)射的電子,其速度達多大時, 界面MN上將有電子逸出?,-19-,考點一,考點二,思維點撥考慮恰好有粒子從邊界射出的臨界情況,畫出運動軌跡,結(jié)合幾何關(guān)系得到軌道半徑,根據(jù)牛頓第二定律列式分析即可。,解題策略策略1:解題時應(yīng)注意洛倫茲力永不做功的特點,明確半徑公式、周期公式,正確畫出運動軌跡草圖。 策略2:解決帶電粒子在磁場中運動的臨界問題,關(guān)鍵在于運用動態(tài)思維,尋找臨界點,確定臨界狀態(tài),

12、根據(jù)粒子的速度方向找出半徑方向,同時由磁場邊界和題設(shè)條件畫好軌跡,定好圓心,建立幾何關(guān)系。粒子射出或不射出磁場的臨界狀態(tài)是粒子運動軌跡與磁場邊界相切。,-20-,考點一,考點二,-21-,考點一,考點二,-22-,考點一,考點二,4.(2019江西十校聯(lián)考)如圖所示,在直角三角形abc區(qū)域(含邊界)內(nèi)存在垂直于紙面向外的勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小為B,a=60,b=90,邊長ac=L,一個粒子源在a點將質(zhì)量為2m、電荷量為q的帶正電粒子以大小和方向不同的速度射入磁場,在磁場中運動時間最長的粒子中,速度的最大值是(),答案,解析,-23-,考點一,考點二,5.(多選)如圖所示,有一垂直于紙面向外的

13、有界勻強磁場,磁場的磁感應(yīng)強度為B,其邊界為一邊長為L的正三角形(邊界上有磁場),A、B、C為三角形的三個頂點。今有一質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒,又垂直于磁場的方向射入磁場,然后從BC邊上某點Q射出。若從P點射入的該粒子能從Q點射出,則(),答案,解析,-24-,考點一,考點二,考法2帶電粒子在磁場中多解及交變磁場問題(L) 規(guī)律方法帶電粒子在磁場中做圓周運動形成多解的原因 1.帶電粒子的電性不確定形成多解,可能出現(xiàn)兩個方向的運動軌跡。帶電粒子的速度不確定也會形成多解。 2.磁場方向不確定形成多解,可能出現(xiàn)兩個方向的運動軌跡。 3.臨界狀態(tài)不唯一形成多解,需要根據(jù)臨界狀態(tài)的不同情況分別求解。

14、4.圓周運動的周期性形成多解。,-25-,考點一,考點二,【典例3】如圖所示,在紙面內(nèi)有一絕緣材料制成的等邊三角形框架DEF,DEF區(qū)域外足夠大的空間中充滿磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場,其方向垂直于紙面向里。等邊三角形框架DEF的邊長為L,在三角形DEF內(nèi)放置平行板電容器MN,N板緊靠DE邊,M板及DE中點S處均開有小孔,在兩板間緊靠M板中點處有一質(zhì)量為m,電荷量為q(q0)的帶電粒子由靜止釋放,如圖所示。若該粒子與三角形框架碰撞時均無能量損失,且每一次碰撞時速度方向垂直于被碰的邊。不計粒子的重力。 (1)若帶電粒子能夠打到E點, 求MN板間的最大電壓; (2)為使從S點發(fā)出的粒子最終又 回到

15、S點,且運動時間最短,求帶電 粒子從S點發(fā)出時的速率v應(yīng)為多大?最短時間為多少?,-26-,考點一,考點二,思維點撥(1)根據(jù)動能定理,列出粒子的速度與電壓的關(guān)系;根據(jù)洛倫茲力提供向心力,根據(jù)牛頓第二定律求出粒子在磁場中運動的軌道半徑。根據(jù)帶電粒子在磁場中運動的軌道半徑,結(jié)合等邊三角形邊長,畫出粒子運動的軌跡圖,結(jié)合幾何關(guān)系求得加速電場的電壓; (2)求出帶電粒子在勻強磁場中運動的周期,根據(jù)幾何關(guān)系知,從S點發(fā)射出的某帶電粒子從S點發(fā)射到第一次返回S點經(jīng)歷的周期的個數(shù),從而得出運動的時間。,-27-,考點一,考點二,-28-,考點一,考點二,-29-,考點一,考點二,6.(多選)如圖所示,在某

16、空間的一個區(qū)域內(nèi)有一直線PQ與水平面成45角,在PQ兩側(cè)存在垂直于紙面且方向相反的勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小均為B。位于直線上的a點有一粒子源,能不斷地水平向右發(fā)射速率不等的相同粒子,粒子帶正電,電荷量為q,質(zhì)量為m,所有粒子運動過程中都經(jīng)過直線PQ上的b點,已知ab=d,不計粒子重力及粒子相互間的作用力,則粒子的速率可能為(),答案,解析,-30-,考點一,考點二,-31-,考點一,考點二,(1)求質(zhì)子剛進入磁場時的速度大小和方向; (2)若質(zhì)子在0 時間內(nèi)從y軸飛出磁場,求磁感應(yīng)強度B的最小值; (3)若質(zhì)子從點M(d,0)處離開磁場,且離開磁場時的速度方向與進入磁場時相同,求磁感應(yīng)強度B0

17、的大小及磁場變化周期T。,-32-,考點一,考點二,-33-,考點一,考點二,(3)分析可知,要想滿足題目要求,則質(zhì)子在磁場變化的半個周期內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角為60,在此過程中質(zhì)子沿x軸方向上的位移恰好等于它在磁場中做圓周的半徑R。欲使質(zhì)子從M點離開磁場,且速度符合要求,必有:n2R=d,-34-,破解高考壓軸題經(jīng)典策略 核心歸納 由于“帶電粒子在勻強磁場中的偏轉(zhuǎn)”既能結(jié)合力學(xué)中的運動學(xué)和動力學(xué)知識,又能創(chuàng)設(shè)一個粒子通過不同磁場或多個粒子進入同一磁場等復(fù)雜情景,還能體現(xiàn)靈活的幾何關(guān)系以考查數(shù)學(xué)知識,因此一直都是高考壓軸題考查的最重要考點之一。 掌握三個基本規(guī)律(軌跡圓心、半徑、周期):(1)會判斷粒子運

18、動軌跡的圓心位置,軌跡為圓弧,圓心位置在“過粒子、且與速度方向垂直的直線上”,位于洛倫茲力所指的一側(cè)。(2)理解軌跡半徑R和m、v、B、q的關(guān)系。(3)理解周期與速度無關(guān)。,-35-,典例分析 【典例】(2019湖北八校二模)如圖所示的xOy坐標系中,y0的區(qū)域存在沿y軸正方向的勻強電場,電場強度大小為E,在y0),不計重力。求:,-36-,(1)粒子從P射出到第一次經(jīng)過x軸的時間t; (2)粒子從P點射出后,若第一次經(jīng)過x軸時與x軸交于D點,然后歷經(jīng)磁場一次后回到P點,求v0的大小和OD間距離d; (3)要使粒子經(jīng)過M(L,0)點(圖中未畫出),求初速度v0的所有可能值。 思維點撥畫出帶電粒

19、子在電場和磁場中的運動軌跡,在電場中利用類平拋運動規(guī)律分析,在磁場中利用幾何關(guān)系及帶電粒子的運動特點分析;注意電子粒子運動的周期性。,歸納總結(jié)1.利用帶電粒子在勻強磁場中運動時,其速度、半徑、周期、電荷量、質(zhì)量的相互制約關(guān)系,創(chuàng)設(shè)靈活的運動情境,制造比較復(fù)雜的過程和要素,考查新情境下綜合多個要素的能力。 2.利用帶電粒子運行環(huán)境的圖形和運動軌跡圖形之間的關(guān)系,考查運用數(shù)學(xué)知識的能力。,-37-,-38-,-39-,(3)設(shè)粒子在磁場區(qū)域內(nèi)繞行n次后,由電場區(qū)域經(jīng)過M點時,如圖所示:,-40-,設(shè)粒子在磁場區(qū)域內(nèi)繞行n次后,由磁場區(qū)域經(jīng)過M點時,如圖所示:,-41-,1.(2019湖南長沙一模)如圖所示,絕緣軌道MNPQ位于同一豎直面內(nèi),其中MN段是長度為L的水平軌道,PQ段為足夠長的光滑豎直軌道,NP段為光滑的四分之一圓弧,圓心為O,直線NN右側(cè)有方向水平向左的電場(圖中未畫出),電場強度E= ,在包含圓弧軌道NP的ONOP區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向外、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場(邊界處無磁場)。軌道MN最左端M點處靜止一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶負電的物塊A,一質(zhì)量為3m的物塊C從左側(cè)的光滑軌道上以速度v0撞向物塊A。A