带电粒子在复合场中的运动(高中物理复合场解题技巧)

猴哥资讯 615 2022-07-27 14:44:49

  一、解题策略

  (1)弄清楚复合场的组成,一般有磁场、电场的复合,磁场、重力场的复合,磁场、电场、重力场三者的复合.

  (2)正确进行受力分析,除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析.

  (3)确定带电粒子的运动状态,注意运动情况和受力情况的结合.

  (4)对于粒子连续通过几个不同场的问题,要分阶段进行处理,转折点的速度往往成为解题的突破口.

  (5)画出粒子运动轨迹,灵活选择不同的运动规律.

  ①当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时,根据受力平衡列方程求解.

  ②当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时,应用牛顿第二定律结合圆周运动规律求解.

  ③当带电粒子做复杂曲线运动时,一般用动能定理或能量守恒定律求解.

  ④对于临界问题,注意挖掘隐含条件.

  二、特别提示

  在解决复合场问题时,明确带电粒子的重力是否需要考虑是正确而快速解题的前提,对于复合场中是否考虑粒子重力,常有以下三种情况:

  1.对于微观粒子,如电子、质子、离子等,因为其重力一般情况下与静电力或磁场力相比太小,可以忽略;而对于一些实际物体,如带电小球、液滴、金属块等,一般应当考虑其重力.

  2.在题目中有明确说明是否要考虑重力的,这种情况比较正规,也比较简单.

  3.不能直接判断是否要考虑重力的,在进行受力分析与运动分析时,要由分析结果确定是否要考虑重力.

  三、常用结论

  ①带电微粒在重力场、电场和磁场三种场共同作用下做直线运动时,其所受的三个场力的合力一定为零,且为匀速直线运动.

  例题:质量为m,带电量为q的微粒,以速度v与水平方向成45°角进入匀强电场和匀强磁场同时存在的空间,如图所示,微粒在电场、磁场、重力场的共同作用下做匀速直线运动,求:

  带电粒子在复合场中的运动

  (1)电场强度的大小,该带电粒子带何种电荷.

  (2)磁感应强度的大小.

  带电粒子在复合场中的运动

  例题:如图,在地面附近的竖直面内,有沿水平方向垂直纸面向里的匀强磁场磁感应强度大小为B同时存在着水平向左的匀强电场场强大小为E,一个油滴在此复合场中始终沿与水平方向成30°角的方向斜向下做直线运动其运动轨迹如图中实线,下列说法正确的是(AD)

  带电粒子在复合场中的运动

  A.油滴一定带正电

  B.油滴一定带负电

  C.油滴一定做匀加速直线运动

  D.油滴一定做匀速直线运动

  带电粒子在复合场中的运动

  ②带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时,必定有其它力与恒定的重力相抵消,以确保合力大小不变,方向时刻指向圆心。一般情况下重力恰好与电场力平衡,洛伦兹力充当向心力,粒子在竖直平面内做圆周运动这类题,它的隐含条件就是重力恰好与电场力平衡。

  例题:场强为E的匀强电场和磁感强度为B的匀强磁场正交,如图所示,一质量为的带电粒子,在垂直于磁场方向的平面内做半径为R的匀速圆周运动,设重力加速度为g,则下列说法正确的是()

  带电粒子在复合场中的运动

  带电粒子在复合场中的运动

  A.粒子带负电,且q=m/E

  B.粒子顺时针方向转动

  C.粒子速度大小为V=BRg/E

  D.粒子的机械能守恒

  例题:在如图所示的直角坐标系中,坐标原点O处固定有正点电荷,另有平行于y轴的匀强磁场。一个质量为m,带电量+q的微粒,恰能以y轴上O′(0,a,0)点为圆心作匀速圆周运动,其轨迹平面与xOz平面平行,角速度为ω,旋转方向如图中箭头所示。试求匀强磁场的磁感应强度大小和方向。

  带电粒子在复合场中的运动

  带电粒子在复合场中的运动

  ③带电粒子在复合场中做平抛或类平抛运动

  1.【洛伦兹力和电场力抵消】例题:如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向竖直向上,将质量为m的带电量为+q的小球以初速度为v?水平抛出,设外加匀强电场的电场强度为E,方向垂直纸面向里.

  带电粒子在复合场中的运动

  解析:由左手定则可知,小球在水平垂直纸面向外受洛伦兹力作用,大小为F=qv?B,在垂直纸面向里受电场力作用,大小为F=qE,竖直向下受重力作用,G=mg,如图所示(左视图),若qv?B=qE,即水平方向合力为0,速度保持不变,竖直向下只受重力,则加速度为重力加速度g,因此小球做竖直方向的平抛运动,竖直速度增加,但对洛伦兹力无影响.若小球带负电,则洛伦兹力、电场力均反向,情况同上.

  2.【洛伦兹力和重力抵消】例题:如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,将质量为m的带电量为+q的小球以初速度为v?水平抛出,设外加匀强电场的电场强度为E,方向垂直纸面向外.

  带电粒子在复合场中的运动

  解析:由左手定则可知,小球在竖直向上受洛伦兹力作用,大小为F洛=qv?B,在垂直纸面向外受电场力作用,大小为F=qE,竖直向下受重力作用,G=mg,如图所示(左视图),

  带电粒子在复合场中的运动

  若qv?B=mg,即竖直方向合力为0,速度保持不变,水平方向只受电场力qE,则加速度为重力加速a=qE/m,因此小球水平向外做平抛运动,垂直于纸面向外速度增加,但对洛伦兹力无影响.

  当小球带负电时,匀强磁场方向必须垂直纸面向外且满足qv?B=mg,则小球垂直纸面向里做平抛运动.

  ④带电粒子在具有约束情况下的运动.

  带电体在复合场中受轻杆、支撑面、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下,常见的运动形式有直线运动、圆周运动和类平抛运动.洛伦兹力永不做功,一般用动能定理和牛顿第二定律求解.

  例题:如图所示,带负电的小球,用一绝缘细线悬挂起来,在一匀强磁场中摆动,匀强磁场的方向垂直纸面向里,小球在A、B间摆动过程中,由A摆到最低点C时,摆线拉力的大小为F?,小球加速度大小为a?,由B摆到最低点C时,摆线拉力的大小为F?,小球加速度大小为a?,则().

  带电粒子在复合场中的运动

  A.F?<F?,a?=a?

  B.F?>F?,a?=a?

  C.F?>F?,a?>a?

  D.F?<F?,a?<a?

  例题:如图,绝缘粗糙的竖直平面MN左侧同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,电场强度大小为E,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小为B。一质量为m、电荷量为q的带正电的小滑块从A点由静止开始沿MN下滑,到达C点时离开MN做曲线运动。A、C两点间距离为h,重力加速度为g.

  带电粒子在复合场中的运动

  (1)求小滑块运动到C点时的速度大小vc;

  (2)求小滑块从A点运动到C点过程中克服摩擦力做的功Wf;

  (3)若D点为小滑块在电场力、洛伦兹力及重力作用下运动过程中速度最大的位置,当小滑块运动到D点时撤去磁场,此后小滑块继续运动到水平地面上的P点。已知小滑块在D点时的速度大小为v?,从D点运动到P点的时间为t,求小滑块运动到P点时速度的大小vp.

  带电粒子在复合场中的运动

  例题:如图所示,光滑绝缘的半圆形圆弧轨道ACD,固定在竖直面内,轨道处在垂直于轨道平面向里的匀强磁场中,半圆弧的直径AD水平,圆弧的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,在A端由静止释放一个带正电荷、质量为m的金属小球甲,结果小球甲连续两次通过轨道最低点C时,对轨道的压力差为△F,小球运动过程始终不脱离轨道,重力加速度为g。求:

  带电粒子在复合场中的运动

  (1)小球甲经过轨道最低点C时的速度大小;

  (2)小球甲所带的电荷量;

  (3)若在圆弧轨道的最低点C放一个与小球甲完全相同的不带电的金属小球乙,让小球甲仍由轨道的A端由静止释放,则甲球与乙球发生弹性碰撞后的一瞬间,乙球对轨道的压力(不计两球间静电力的作用)。

  例题:一质量为m、电荷量为-q的圆环,套在与水平面成θ角的足够长的粗糙细杆上,圆环的直径略大于杆的直径,细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向水平且垂直于杆.现给圆环一沿杆向上的初速度v?(取初速度v?的方向为正方向),以后的运动过程中圆环运动的速度图象可能是(ABD)

  带电粒子在复合场中的运动

  带电粒子在复合场中的运动

  ⑤带电粒子所受合力大小、方向都在变化,做一般曲线运动,轨迹不是圆,也不是抛物线,而是滚轮线.

  解题方法有:

  ⒈动能定理

  ⒉牛顿第二定律

  ⒊配速法

  例题:如图所示,空间存在一范围足够大的垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.让质量为m,电量为q(q>O)的粒子从坐标原点O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向人射到该磁场中.不计重力和粒子间的影响.

  (3)如图所示,若在此空间再加入沿y轴正向、大小为E的匀强电场,一粒子从O点以初速度v?沿y轴正向发射.研究表明:粒子在xOy平面内做周期性运动,且在任一时刻,粒子速度的x分量v?,与其所在位置的y坐标成正比,比例系数与场强大小E无关,求该粒子运动过程中的最大速度v?

  带电粒子在复合场中的运动

  例题:如图所示,空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场。一带电粒子在电场力和洛伦兹力共同作用下,从静止开始自a点沿曲线acb运动,到达b点时速度为零,C点为运动的最低点,不计重力及空气阻力,则(BC)

  A.粒子必带负电

  B.a、b两点位于同一高度

  C.粒子在c点速度最大

  D.粒子到达b点后将沿原曲线返回

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