带电体在电磁场中的运动

编辑: 逍遥路 关键词: 高中物理 来源: 高中学习网

一. 教学内容:带电体在电磁场中的运动

【教学过程】

1. 注意带电体的区别:电子、质子、α粒子、离子等微观粒子在复合场中运动时,一般都不计重力,但质量较大的带电体(如带电微粒、带电质点、带电小球等)在复合场中运动时,一般不能忽略重力,除非题意特别指出不计重力。

2. 带电体在电磁场中运动的处理:

(1)正确分析带电体的受力情况及运动形式是解决问题的前提

带电体在复合场中做什么运动,取决于带电体所受的合外力及其初速度,因此应把带电体的初速度情况和受力情况结合起来进行分析。

当带电体在复合场中所受合外力为零时,做匀速直线运动(如速度选择器:粒子重力不计,电场力与洛仑兹力平衡)。

当带电体所受的重力与电场力等值反向,洛仑兹力恰好提供向心力时,带电体在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动。(相当于带电粒子在磁场中圆运动)

当带电体所受的合外力是变力,且与初速度方向不在一条直线上时,带电体做非匀变速曲线运动,这时带电体的运动轨迹既不是圆弧,也不是抛物线。由于带电体可能连续通过几个情况不同的电磁场区或单独的电场、磁场区,因此带电体的运动情况也发生相应的变化,其运动过程可能由几种不同的运动阶段所组成,要注意区分。

(2)灵活选用力学规律是解决问题的关键

当带电体在电磁场中做匀速直线运动时,应画受力图,根据平衡条件列方程求解。

当带电体在电磁场中做匀速圆周运动时,往往同时应用牛顿第二定律和平衡条件列方程联立求解。

当带电体在电磁场中做一般曲线运动时,应选用动能定理求解,在找最大速度时结合牛顿定律处理。

当带电体在电场做匀变速曲线运动时,应根据初速度和电场力、重力研究分运动。

当带电体不计重力,在单独磁场中运动轨迹为圆弧,宜根据圆心和轨迹,利用圆运动的相关求解,在单独电场中运动轨迹为抛物线,宜利用运动的合成与分解,找分运动(分速度、分位移)求解。

说明:如果涉及两个带电体的碰撞问题,还要根据动量守恒定律列出方程,再与其它方程联立求解。由于带电粒子在复合场中受力情况复杂,运动情况多变,往往出现临界问题,这时应以题目中的“恰好”、“最大”、“最高”、“至少”等词语为突破口,挖掘隐含条件,根据临界条件列出辅助方程,再与其它方程联立求解。

【典型例题】

例1. 如图所示,在Oxyz坐标系所在的空间中,可能存在匀强电场或匀强磁场,也可能两者都存在或都不存在。但如果两者都存在,已知磁场平行于xy平面,现有一质量为m、带正电q的点电荷沿z轴正方向射入此空间中,发现它做速度为v的匀速直线运动。若不计重力,试写出电场和磁场的分布有哪几种可能性,要求对每一种可能性都要说出其中电场强度、磁感应强度的方向和大小,以及它们之间可能存在的关系,不要求推导或说明理由。

规范解答:用E和B分别表示电场强度和磁感应强度,有以下几种可能:

(1)E=0,B=0

(2)E=0,B≠0。B的方向与z轴的正方向平行或反平行,B的大小可任意。

(3)E≠0,B≠0。磁场方向可在平行于xy平面的任何方向。

电场E的方向平行于xy平面,并与B的方向垂直。

当迎着z轴正方向看时,由B的方向沿顺时针转90°后就是E的方向。

规范解答:(1)对每一个运动过程,依据动能定理和在P点的受力情况可知:

(2)对整个运动过程,依据动能定理可知:

说明:(1)处理带电质点在三场中运动的问题,首先应该对质点进行受力分析,依据力和运动的关系确定运动的形式。若质点做匀变速运动,往往既可以用牛顿运动定律和运动学公式求解,也可以用能量关系求解。若质点做非匀变速运动,往往需要用能量关系求解。应用能量关系求解时,要特别注意各力做功的特点以及重力、电场力做功分别与重力势能和电势能变化的关系。

(2)上面(1)中已说明,首先对质点进行受力分析,然后确定其运动形式。在确定其运动形式时,可以先分析每一种力使质点如何运动,即先分析分运动。一般是先分析在重力作用下如何运动,再分析电场力作用下如何运动(因重力、电场力为恒力),然后确定这两种分运动的合运动,大致确定出运动轨迹和速度方向,最后再根据两种合运动的速度方向,用左手定则判断出洛伦兹力的大致方向,从而确定大致的运动轨迹。这种运动轨迹一般为复杂的曲线,并不必知道它是什么曲线,在进行计算时,也可分方向进行研究(当其它力不影响该方向的运动时),也可对合运动从功能观点研究。(本题(2)即如此)

例3. 如下图所示,坐标系xOy位于竖直平面内,所在空间有沿水平方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,在x<0的空间内还有沿x轴负方向的匀强电场,场强大小为E。一个带正电的油滴经图中x轴上的M点,沿着直线MP做匀速运动,过P点后油滴进入x>0的区域,图中α=30°。要使油滴在x>0的区域内做匀速圆周运动,需在该区域内加一个匀强电场。若带电油滴做匀速圆周运动时沿PN弧垂直于x轴通过了轴上的N点,求:

(1)油滴运动速率的大小;

(2)在x>0的区域内所加电场的场强大小和方向;

(3)油滴从x轴上的M点经P运动到N点所用的时间。

解析:(1)油滴受三个力作用(见下图)沿直线做匀速运动,由平衡条件有:

(2)在x>0的区域,油滴要做匀速圆周运动,其所受的电场力必与重力平衡,由于油滴带正电,所以场强方向竖直向上。

(3)见下图,PN为油滴做圆周运动在x>0、y<0区域内地圆弧定是圆心,且

设油滴从M点到P点和从P点到N点经历的时间分别为t1和t2

例4. 如图所示,Oxyz坐标系的y轴竖直向上,在坐标系所在的空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向与x轴平行。从y轴上的M点(0,H,0)无初速释放一个质量为m、电荷量为q的带负电的小球,它落在xOz平面上的N点(l>0,b>0)。若撤去磁场则小球落在xOz平面的P点(

正确答案:

解析:

(3)带电小球在匀强磁场和匀强电场共存的区域运动时,洛仑兹力不做功,电场力

例5. 如图所示,MN为一长为

规范解答:在小滑块没有进入磁场之前,运动区间由M点到O点,此时,电场力和摩擦力做功,由动能定理得:

在OP段,摩擦力做功,根据动能定理得:

(1)Od的长度;

(2)OO'网下匀强磁场的磁感应强度的大小。

解答:(1)由粒子在Ob间处于静止状态,知其所受电场力的大小等于重力,即qE=mg。

粒子在OO'网下的复合场中做匀速圆周运动,其运行半径:

案例解读:本题考查了带电粒子做类平抛运动,带电粒子在复合场中做匀速圆周运动。题目中要考虑到带电粒子的重力,很多同学在分析类平抛运动时很容易忘记重力,带电粒子进入网下的复合场中因电场力抵消重力,洛伦兹力提供向心力,使粒子做匀速圆周运动。

【模拟】

1. 如图所示,匀强电场和匀强磁场相互垂直,现有一束带电粒子(不计重力)以速度 沿图示方向恰能直线穿过。以下叙述正确的是( )

(1)如果让平行板电容器左极板为正极,则带电粒子必须从下向上以 进入该区域才能沿直线穿过

(2)如果带正电粒子速度小于 ,以沿 方向射入该区域时,其电势能越来越小

(3)如果带负电粒子速度小于 ,仍沿 方向射入该区域时,其电势能越来越大

(4)无论带正、负电子的粒子,若从下向上以速度 进入该区域时,其动能都一定增加

A. 只有(1)(2) B. (1)(2)(4)

C. 只有(2)(4) D. (1)(3)(4)

2. (2005年江苏省苏州市调研?卷?10)

地面附近空间中存在着水平方向的匀强电场和匀强磁场,已知磁场方向垂直纸面向里,一个带电油滴能沿一条与竖直方向成α角的直线MN运动(MN在垂直于磁场方向的平面内),如下图所示。则以下判断中正确的是( )

(1)如果油滴带正电,它是从M点运动到N点

(2)如果油滴带正电,它是从N点运动到M点

(3)如果电场方向水平向左,油滴是从M点运动到N点

(4)如果电场方向水平向右,油滴是从M点运动到N点

A. (1)(3) B. (2)(4)

C. (1)(4) D. (2)(3)

3. 如下图所示,水平方向的匀强电场和匀强磁场互相垂直,竖直的绝缘杆上套一带负电荷小环。小环由静止开始下落的过程中,所受摩擦力( )

A. 始终不变

B. 不断增大后来不变

C. 不断减小最后为零

D. 先减小后增大,最后不变

4. (2005年?全国卷I)

在同时存在匀强电场和匀强磁场的空间中取正交坐标系Oxyz(z轴正方向竖直向上),如下图所示。已知电场方向沿z轴正方向,场强大小为E;磁场方向沿y轴正方向,磁感应强度的大小为B;重力加速度为g。问:一质量为m、带电荷量为 的从原点出发的质点能否在坐标轴 上以速度v做匀速运动?若能,

5. 质量为m的金属滑块,电荷量为 ,以某一初速度沿水平放置的绝缘板进入电磁场空间,匀强磁场方向如图所示,匀强电场方向水平且与地板平行,滑块与绝缘地板间的动摩擦因数为μ。已知滑块自 A点沿绝缘板匀速直线运动,到B点与电路开关相碰,使形成电场的电路断开,电场立即消失,磁场依然存在。设碰撞时,滑块无电荷量损失,而动能变为碰撞前的 1/4,滑块碰撞后,做匀速直线运动返回A点,往返总时间为T,AB长为L。求:

(1)匀强电场的场强大小及方向;

(2)磁感应强度B的大小;

(3)全过程摩擦力做的功为多少?

,可视为质点的带正电的物体c位于小车b的最左端,其质量为

7. 如图所示的空间区域里,y轴左方有一匀强电场,场强方向跟y轴负方向成30°角,大小为

8. (北京理综,25)

下图是导轨式电磁炮实验装置示意图。两根平行长直金属导轨沿水平方向固定,其间安放金属滑块(即实验用弹丸)。滑块可沿导轨无摩擦滑行,且始终与导轨保持良好接触。电源提供的强大电流从一根导轨流入,经过滑块,再从另一导轨流回电源。滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射。在发射过程中,该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场,方向垂直于纸面,其强度与电流的关系为 ,比例常量 ,滑块沿导轨滑行5m后获得的发射速度

9. (2005年山东潍坊市高三统考理综卷,25)

如图所示,相互平行的竖直分界面MN、PQ,相距L,将空间分为I、II、III区,I、III区有水平方向的匀强磁场,I区的磁感应强度未知,III区的磁感应强度为B;II区有竖直方向的匀强电场(图中未画出)。一质量为m、带电荷量为e的电子,自MN上的O点以初速度 水平射入II区,此时II区的电场方向竖直向下,以后每当电子刚从III区进入II区或从I区进入II区时,电场突然反向,场强大小不变,电子总是经过O点且水平进入II区。

(1)画出电子运动的轨迹图;

(2)求电子经过界面PQ上两点间的距离;

(3)若II区的电场强度大小恒为E,求I区的磁感应强度。

10. (2005年江苏南通市高三第二次调研物理卷,16)

如图所示,在地面附近有一范围足够大的互相正交的匀强电场和匀强磁场,磁感应强度为B,方向水平并垂直纸面向外,一质量为m、带电荷量为 的带电粒子在此区域恰好做速度为v的匀速圆周运动。(重力加速度为g)

(1)求此区域内电场强度的大小和方向;

(2)若某时刻粒子运动到场中距地面高度为H的P点,速度与水平方向成45°,如图所示,则该粒子至少须经多长时间运动到距地面最高点?最高点距地面多高?

(3)在(2)中粒子又运动到P点时,突然撤去磁场,同时电场强度大小不变,方向变为水平向右,则该粒子运动过程中离地面的最大高度是多少?

11. (2005年乌鲁木齐地区高三第三次诊断理综卷,25)

如图所示,一内壁光滑的绝缘细直圆筒竖直放在绝缘水平面上,圆筒底部有一质量为m,电荷量为 的带电小球,圆筒内径略大于小球直径。整个装置处于水平向里的匀强磁场和竖直向上的匀强电场中,已知磁感应强度大小为B,电场强度大小为

【试题答案】

1. B 2. A 3. D

4. (1)质点受电场力 方向,重力 沿z轴方向

沿

沿 轴匀速, ,则<0" >

(3)沿z轴匀速,

7. (1)

(2)<7" style=' >

(3)相同,<8" style= >

8. (1)

(2)

(3)

10. (1)

(3)

11. (1)

(2)

(3)



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