高中物理 第三章 磁場 第6節(jié) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、 6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng) 答案:(1)勻速直線 (2)勻速圓周 (3) (4) (5)金屬盒 (6)交變電源 (7)qU (8)qvB (9)比荷 (10)質(zhì)量 (11)磁感應(yīng)強(qiáng)度 (12)同位素 1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng) (1)帶電粒子速度為零 v0=0,f洛=0,處于靜止?fàn)顟B(tài)。 (2)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向平行 帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),若速度方向與磁感線平行,則粒子不受磁場力,做勻速直線運(yùn)動(dòng)。 (3)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直 洛倫茲力使帶 電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng) ①運(yùn)動(dòng)性質(zhì):洛倫茲力不改變速度大小,但是不停地改變速度方向,因此

2、粒子在垂直于磁場方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),洛倫茲力提供勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,如圖所示。 ②半徑公式:粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以根據(jù)牛頓第二定律有qvB=m,得r=。 ③周期公式:將半徑r代入公式T=中,得到周期公式T=。 談重點(diǎn) (1)在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的帶電粒子,它的軌道半徑跟粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比。 (2)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T與帶電粒子的質(zhì)量和電荷量有關(guān),與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān),而與軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無關(guān)。 (3)動(dòng)能公式Ek=mv2=。 (4)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向成θ角 把帶電粒子的速度分解為垂直于B的分量

3、v1和平行于B的分量v2,因?yàn)関1和B垂直,受到洛倫茲力為qv1B,此力使粒子q在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),v2和B平行,不受洛倫茲力,故粒子在沿B方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng),可見粒子的運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng)。 帶電粒子在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)形式有什么不同呢? 帶電粒子在勻強(qiáng)電場中可能做變速直線運(yùn)動(dòng),也可能做變速曲線運(yùn)動(dòng),但不可能做勻速直線運(yùn)動(dòng);在勻強(qiáng)磁場中,帶電粒子可以做勻速直線運(yùn)動(dòng),也可以做變速曲線運(yùn)動(dòng),但不可能做變速直線運(yùn)動(dòng)。 【例1】一帶電粒子,沿垂直于磁場的方向射入一勻強(qiáng)磁場。粒子的一段運(yùn)動(dòng)徑跡如圖所示,徑跡上的每小段都可近似看成圓弧。由于帶電粒子使沿途空氣電離,粒子的能量

4、逐漸減小(帶電荷量不變),從圖示情況可以確定( ?。? A.粒子從a到b運(yùn)動(dòng),帶正電 B.粒子從a到b運(yùn)動(dòng),帶負(fù)電 C.粒子從b到a運(yùn)動(dòng),帶正電 D.粒子從b到a運(yùn)動(dòng),帶負(fù)電 解析:垂直于磁場方向射入勻強(qiáng)磁場的帶電粒子受洛倫茲力作用,使粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng),半徑r=。由于帶電粒子使沿途的空氣電離,粒子的能量減小,磁感應(yīng)強(qiáng)度B與帶電荷量不變,又據(jù)Ek=mv2知,v在減小,故r減小,可判定粒子從b向a運(yùn)動(dòng);另據(jù)左手定則,可判定粒子帶正電。 答案:C 2.質(zhì)譜儀 (1)結(jié)構(gòu):質(zhì)譜儀由靜電加速電極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場、顯示屏等組成。(如圖) (2)原理:①粒子源及加速電場:使帶

5、電粒子獲得速度v進(jìn)入速度選擇器,v=。 ②速度選擇器:只有做勻速直線運(yùn)動(dòng)的粒子才能通過,即qE=qvB1,所以v=。 ③偏轉(zhuǎn)磁場及成像顯示裝置:粒子源產(chǎn)生的粒子在進(jìn)入加速電場時(shí)的速度很小,可以認(rèn)為等于零,則加速后有qU=mv2,所以v=。 在偏轉(zhuǎn)磁場中,有qvB2=m,故軌道半徑 r=== 所以粒子質(zhì)量m=。 若粒子電荷量q也未知,通過質(zhì)譜儀可求出該粒子的比荷=。 (3)質(zhì)譜儀的應(yīng)用 質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的,他用質(zhì)譜儀首先發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22的質(zhì)譜線,證實(shí)了同位素的存在。后來經(jīng)過多次改進(jìn),質(zhì)譜儀已經(jīng)成了一種十分精密的測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。

6、【例2】質(zhì)譜儀原理如圖所示,a為粒子加速器,電壓為U1;b為速度選擇器,磁場與電場正交,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,板間距離為d;c為偏轉(zhuǎn)分離器,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的正電子(不計(jì)重力),經(jīng)加速后,該粒子恰能豎直通過速度選擇器,粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求: (1)粒子的速度v為多少? (2)速度選擇器的電壓U2為多少? (3)粒子在磁場B2中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大? 解析:(1)在a中,電子被加速,由動(dòng)能定理有eU1=mv2,得v=; (2)在b中,電子所受電場力和洛倫茲力的大小相等,即e=evB1,代入v值得U2=B1d; (3)在c中,

7、電子受洛倫茲力作用而做圓周運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)半徑R=,代入v值得R=。 答案:(1) (2)B1d (3) 3.回旋加速器 (1)直線加速器(多級加速器) 如圖所示,電荷量為q的粒子經(jīng)過n級加速后,根據(jù)動(dòng)能定理獲得的動(dòng)能可以達(dá)到Ek=q(U1+U2+U3+…+Un)。這種多級加速器通常叫做“直線加速器”。 (2)回旋加速器 ①基本用途:利用電場對電荷的加速作用和磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用,在較小的范圍內(nèi)來獲得高能粒子的裝置。 ②回旋加速器的核心 回旋加速器的核心部分是兩個(gè)D形的金屬扁盒,這兩個(gè)D形盒就像是沿著直徑把一個(gè)圓形的金屬扁盒切成兩半,兩個(gè)D形金屬盒之間留一個(gè)窄縫,在中心附近放

8、有粒子源。D形盒裝在真空容器中,整個(gè)裝置放在巨大電磁鐵的兩極之間,磁場方向垂直于D形盒的底面,把兩個(gè)D形盒分別接在高頻電源的兩極上。 ③工作原理 如圖所示,放在A0處的粒子源發(fā)出一個(gè)帶正電的粒子,它以某一速率v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場,在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),經(jīng)過半個(gè)周期,當(dāng)它沿著半圓弧A0A1到達(dá)A1時(shí),在A1A1′處加一個(gè)向上的電場,使這個(gè)帶電粒子在A1A1′處受到一次電場的加速,速率由v0增加到v1,然后粒子以速率v1在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。我們知道,粒子的軌道半徑跟它的速率成正比,因而粒子將沿著半徑增大了的圓周運(yùn)動(dòng),又經(jīng)過半個(gè)周期,當(dāng)它沿著半圓弧A1′A2′到達(dá)A2′時(shí),在A2′A2處加

9、一個(gè)向下的電場,使粒子又一次受到電場的加速,速率增加到v2,如此繼續(xù)下去,每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A1A1′、A3A3′等處時(shí)都使它受到向上電場的加速,每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A2′A2、A4′A4等處時(shí)都使它受到向下電場的加速,粒子將沿著圖示的A0A1A1′A2′A2……回旋下去,速率將一步一步地增大。 (3)回旋加速器中各部分的作用 ①磁場的作用:帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中,在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),且粒子每次進(jìn)入D形金屬盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場方向進(jìn)入電場中被加速。 ②電場的作用:回旋加速器的兩個(gè)D形金屬盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的、并垂直于兩D形金屬盒

10、正對截面的勻強(qiáng)電場,帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。 ③交變電壓:為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速,使之能量不斷提高,需在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓,周期T=。 ④D形金屬扁盒的主要作用是靜電屏蔽,使得盒內(nèi)空間的電場極弱,這樣就可以使運(yùn)動(dòng)的粒子只受洛倫茲力的作用做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在加速區(qū)域中也有磁場,但由于加速區(qū)間距離很小,磁場對帶電粒子的加速過程的影響很小,因此,可以忽略磁場的作用。 (4)帶電粒子的最終能量 由于D形金屬盒的大小一定,所以不管粒子的大小及帶電荷量如何,粒子最終從加速器內(nèi)射出時(shí)應(yīng)具有相同的旋轉(zhuǎn)半徑。由牛頓第二定律得qvnB=m 粒子可能獲

11、得的最大動(dòng)能Ekn=mv=。 可見,粒子獲得的能量與回旋加速器的直徑有關(guān),直徑越大,粒子獲得的能量就越大,由于受D形盒半徑R的限制,帶電粒子在這種加速器中獲得的能量也是有限的。 【例3】回旋加速器是加速帶電粒子的裝置,其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場,使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場中,如圖所示。設(shè)D形盒半徑為R。若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí),勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,高頻交流電頻率為f。則下列說法正確的是( ?。? A.質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2πfR B.質(zhì)子被加速后的最大速度與加

12、速電場的電壓大小無關(guān) C.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值 D.不改變B和f,該回旋加速器也能用于加速α粒子 解析:由R=和T==解得質(zhì)子被加速后達(dá)到的最大速度vmax=2πfR,與加速電場的電壓無關(guān),A、B正確;當(dāng)粒子的速度接近光速時(shí),根據(jù)狹義相對論,粒子的質(zhì)量將發(fā)生變化,從而引起回旋周期變化,破壞了加速器的工作原理,故質(zhì)子不能被加速到任意值,C錯(cuò)誤;由f==知回旋加速器不能加速不同比荷的粒子,故該回旋加速器不能用于加速α粒子,D錯(cuò)誤。 答案:AB 4.“磁偏轉(zhuǎn)”與“電偏轉(zhuǎn)”的區(qū)別 所謂“電偏轉(zhuǎn)”與“磁偏轉(zhuǎn)”是分別利用電場和磁場對電荷施加作用,從而控制其運(yùn)動(dòng)方向,但

13、電場和磁場對電荷的作用特點(diǎn)不同,因此這兩種偏轉(zhuǎn)有明顯的差別。 磁偏轉(zhuǎn) 電偏轉(zhuǎn) 受力特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律 若v⊥B,則洛倫茲力FB=qvB,使粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng),v的方向變化,又導(dǎo)致FB的方向變化,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由r=和T=進(jìn)行描述 FE為恒力,粒子做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)——類平拋運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由vx=v0,x=v0t,vy=t,y=t2進(jìn)行描述 偏轉(zhuǎn) 情況 粒子的運(yùn)動(dòng)方向能夠偏轉(zhuǎn)的角度不受限制,θb=ωt=t=t,且相等時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)的角度相等 粒子運(yùn)動(dòng)方向所能偏轉(zhuǎn)的角度θE<π/2,且相等時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)的角度不同 動(dòng)能的變化 由于FB始終不做功,所以其動(dòng)能保持不變 由于FE與粒子速

14、度的夾角越來越小,所以其動(dòng)能不斷增大,并且增大得越來越快 【例4-1】如圖所示,帶電粒子在沒有電場和磁場空間以v0從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),若空間只存在垂直于xOy平面的勻強(qiáng)磁場時(shí),粒子通過P點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為Ek;當(dāng)空間只存在平行于y軸的勻強(qiáng)電場時(shí),則粒子通過P點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為( ?。? A.Ek B.2Ek C.4Ek D.5Ek 解析:只有電場時(shí),粒子做類平拋運(yùn)動(dòng),vt=qEt2/2m,則運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=2mv/qE,故電場力做功W=qEvt=2mv2=4Ek,因此粒子通過P點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為Ek′=Ek0+W=5Ek,選項(xiàng)D正確。 答案:D 【例4-2

15、】如圖所示,某一真空區(qū)域內(nèi)充滿勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,此區(qū)域的寬度d=8 cm,電場強(qiáng)度為E,方向豎直向下,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向里,一電子以一定的速度沿水平方向射入此區(qū)域。若電場與磁場共存,電子穿越此區(qū)域時(shí)恰好不發(fā)生偏轉(zhuǎn);若射入時(shí)撤去磁場,電子穿越電場區(qū)域時(shí),沿電場方向偏移量y=3.2 cm;若射入時(shí)撤去電場,電子穿越磁場區(qū)域時(shí)也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。不計(jì)重力作用,求: (1)電子射入時(shí)的初速度的表達(dá)式;(注:表達(dá)式不必代入具體數(shù)值,只保留字母符號) (2)電子比荷的表達(dá)式; (3)畫出電子穿越磁場區(qū)域時(shí)(撤去電場時(shí))的軌跡并標(biāo)出射出磁場時(shí)的偏轉(zhuǎn)角α; (4)電子穿越磁場區(qū)域后(撤去電

16、場時(shí))的偏轉(zhuǎn)角α。(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8) 解析:(1)電子在復(fù)合場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn),所受電場力和洛倫茲力平衡: qE=qvB,得初速度的表達(dá)式v=。 (2)電子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場,向上做類平拋運(yùn)動(dòng) 有d=v·t,y=at2,加速度a=,可解得電子比荷=。 (3)電子穿越磁場區(qū)域時(shí)的軌跡如圖所示。 (4)電子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由洛倫茲力提供向心力,qvB=m代入比荷的表達(dá)式得 r===10 cm=0.1 m 由幾何知識得sin α==0.8 所以偏轉(zhuǎn)角α=53°。 答案:(1)v= (2)= (3)見解析圖 (4)53° 5.帶電粒子

17、在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)的解題方法 圓心位置的確定 在實(shí)際問題中圓心位置的確定極為重要,通常有兩種方法: (1)如圖甲所示,圖中P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn),已知入射方向和出射方向時(shí),可通過入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作垂直于入射方向和出射方向的直線,兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心O 甲 (2)如圖乙所示,圖中P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn),已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí),可以通過入射點(diǎn)作入射方向的垂線,連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn),作它的中垂線,這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心O 乙 半徑的計(jì)算 一般利用幾何知識解直角三角形 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定 如圖丙所示,粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),不論沿順時(shí)針方向還

18、是逆時(shí)針方向,從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn),粒子速度偏向角(φ)等于圓心角(回旋角α)并等于AB弦與切線的夾角(弦切角θ)的2倍。即φ=α=2θ=ωt 丙 利用圓心角(回旋角α)與弦切角θ的關(guān)系,或者利用四邊形內(nèi)角和等于360°計(jì)算出圓心角α的大小,由公式t=T可求出粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間 圓周 運(yùn)動(dòng) 中的 有關(guān) 對稱規(guī)律 【例5-1】如圖所示,在真空中半徑為r=3.0×10-2 m的圓形區(qū)域內(nèi),有磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2 T、方向如圖所示的勻強(qiáng)磁場,一批帶正電的粒子以初速度v0=1.0×106 m/s從直徑ab的一端a向著各個(gè)方向射入磁場,且初速度方向都與磁場方向垂直,該批粒子的比荷

19、=1.0×108 C/kg,不計(jì)粒子重力。求: (1)粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的最長時(shí)間; (2)若射入磁場的速度改為v0=3.0×105 m/s,其他條件不變,試用斜線畫出該批粒子在磁場中可能出現(xiàn)的區(qū)域。(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8) 解析:(1)由牛頓第二定律可求得粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑。因qv0B=,R==5.0×10-2 m>r,所以要使粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最長,則粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的圓弧所對應(yīng)的弧長應(yīng)最長,從圖中可以看出,以直徑ab為弦、R為半徑所作的圓弧對應(yīng)粒子運(yùn)動(dòng)的最長時(shí)間。因,故運(yùn)動(dòng)時(shí)間tm=T=。又sin α=,故tm≈6.4×10-8 s。 (2

20、)R′==1.5×10-2 m,故粒子在磁場中可能出現(xiàn)的區(qū)域如圖所示(以aO為直徑的半圓加上以a為圓心、aO為半徑所作的圓與磁場相交的部分)。 答案:(1)6.4×10-8 s (2)如圖所示 點(diǎn)評:處理帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)問題通常要按以下三步進(jìn)行: (1)畫軌跡:即確定圓心,通過幾何方法求半徑并畫出軌跡; (2)找聯(lián)系:軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度相聯(lián)系,偏轉(zhuǎn)角度與圓心角、運(yùn)動(dòng)時(shí)間相聯(lián)系,運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與周期相聯(lián)系; (3)用規(guī)律:運(yùn)用牛頓第二定律和圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,特別是周期公式、半徑公式。 【例5-2】(貴陽模擬)如圖,在某裝置中有一勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直于xO

21、y所在的紙面向外。某時(shí)刻在x=l0、y=0處,一質(zhì)子沿y軸的負(fù)方向進(jìn)入磁場;同一時(shí)刻,在x=-l0、y=0處,一個(gè)α粒子進(jìn)入磁場,速度方向與磁場垂直。不考慮質(zhì)子與α粒子的相互作用,設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m,電荷量為e。則: (1)如果質(zhì)子經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)O,它的速度為多大? (2)如果α粒子與質(zhì)子經(jīng)最短時(shí)間在坐標(biāo)原點(diǎn)相遇,α粒子的速度應(yīng)為何值?方向如何? 解析:(1)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖甲所示,其圓心在x=l0/2處,其半徑r1=l0/2。 又r1=mv1/eB,可得v1=eBl0/2m。 甲 乙 α粒子的周期為Tα=4πm/eB,可得t=Tα/4 兩粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示 由

22、幾何關(guān)系得rα=l0,又2evαB=,解得vα=eBl0/4m,方向與x軸正方向的夾角為π/4。 答案:(1)eBl0/2m (2)eBl0/4m,方向與x軸正方向的夾角為π/4。 6.帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) (1)復(fù)合場是指電場、磁場、重力場中三者或其中任意兩者共存的場。在復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)的電荷有時(shí)可不計(jì)重力,如電子、質(zhì)子、α粒子等微觀粒子,也有重力不能忽略的宏觀帶電體,如小球、液滴、微粒等。 (2)雖然電荷在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)情況一般較為復(fù)雜,但是它作為一個(gè)力學(xué)問題,同樣遵循聯(lián)系力和運(yùn)動(dòng)的各條基本規(guī)律。在分析和解決具體問題時(shí),要從力的觀點(diǎn)(牛頓定律)、動(dòng)量的觀點(diǎn)、能量的觀點(diǎn)入手,認(rèn)真

23、做好以下三點(diǎn):第一,正確分析受力情況;第二,充分理解和掌握不同場對電荷作用的特點(diǎn)和差異;第三,認(rèn)真分析運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)過程,充分發(fā)掘題目中的隱含條件,建立清晰的物理情景最終把物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式。 (3)電荷在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)一般有兩種情況——直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。 ①電荷在電場力、重力和洛倫茲力共同作用下做直線運(yùn)動(dòng)時(shí),一定是做勻速直線運(yùn)動(dòng)。 ②電荷在上述復(fù)合場中如果做勻速圓周運(yùn)動(dòng),只能是除洛倫茲力以外的所有恒力的合力為零才能實(shí)現(xiàn)。 (4)根據(jù)帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)情況,正確地進(jìn)行受力分析,并靈活運(yùn)用幾何知識求出運(yùn)動(dòng)半徑,確定圓心及運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的圓心角,是解決帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)問題的關(guān)鍵。

24、 (5)對于疊加場中的力學(xué)問題,可以根據(jù)力的獨(dú)立作用原理分別研究每一種場力對物體的作用效果;也可以同時(shí)研究幾種場力共同作用的效果,將疊加場等效為一個(gè)簡單場,然后與重力場中的力學(xué)問題進(jìn)行類比,利用力學(xué)的規(guī)律和方法進(jìn)行分析與解答。 【例6】如圖所示,直角坐標(biāo)系xOy位于豎直平面內(nèi),在水平的x軸下方存在勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直xOy平面向里,電場線平行于y軸。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的小球,從y軸上的A點(diǎn)水平向右拋出,經(jīng)x軸上的M點(diǎn)進(jìn)入電場和磁場,恰能做勻速圓周運(yùn)動(dòng),從x軸上的N點(diǎn)第一次離開電場和磁場,MN之間的距離為L,小球過M點(diǎn)時(shí)的速度方向與x軸正方向的夾角為

25、θ。不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g,求: (1)電場強(qiáng)度E的大小和方向。 (2)小球從A點(diǎn)拋出時(shí)初速度v0的大小。 (3)A點(diǎn)到x軸的高度h。 解析:(1)小球在x軸下方的復(fù)合場中恰能做勻速圓周運(yùn)動(dòng),靜電力與重力平衡,Eq=mg,得E=,因小球帶正電,故E的方向豎直向上。 (2)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,設(shè)圓的半徑為R,則由幾何關(guān)系知R=,設(shè)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的速率為v,有qvB=,得v==, 故小球拋出的初速度v0=vcos θ=。 (3)小球經(jīng)M點(diǎn)時(shí)的豎直分速度vy=vsin θ, 在x軸上方小球做平拋運(yùn)動(dòng),故有vy=gt,h=gt2, 由上式綜合解得h=。 答案:(1) 豎直向上 (2) (3) 11

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