高考物理计算题专题12 带电粒子在复合场中的运动 （解析版）-高考物理计算题专项突破

专题12带电粒子在复合场中的运动1.库仑定律：；2.电场强度：，；3.静电力做功：，，；4.电势：；5.电势差：，，；6.电容：，；7.安培力：；8.洛伦兹力：；9.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动：①半径：；②周期：；③运动时间：或。在解带电粒子在复合场中的运动的计算题时，一般有两种情况。一、带电粒子在组合场中运动1.确定组合场是电场+磁场组合还是磁场+电场组合；（以粒子进入场的先后顺序作为参考来确定）2.对带电粒子在组合场中的运动进行分析：（1）粒子在电场中的运动是匀变速直线运动还是类平抛运动（平行电场方向.垂直电场方向）；（2）粒子在磁场中的运动：匀速直线运动和匀速圆周运动。3.列方程求解：（1）利用牛顿运动定律求解加速度；（2）利用运动学规律求解位移；（3）利用功能关系求解动能和势能；（4）利用匀速圆周运动规律及几何知识求解半径.速度以及磁感应强度等。二、带电粒子在叠加场中的运动1.先确定是电场+磁场叠加还是电场+磁场+重力场叠加。2.对带电粒子在叠加场中的运动进行受力分析：先分析重力.电场力.洛伦兹力等场力，再分析弹力.摩擦力和其他力。3.对运动过程进行分析（1）匀速直线运动（平衡条件）；（2）匀变速直线运动（牛顿运动定律和运动学公式）；（3）匀速圆周运动（牛顿运动规律和圆周运动规律）；（4）复杂曲线运动（动量定理和能量守恒定律）。4.结合已知量.未知量和题意，选择适当的规律，列出方程求解。一、带电粒子在复合场中的受力复合场：指电场.磁场和重力场并存，或其中两个场并存，或分区域存在。粒子连续运动时，一般要同时考虑电场力、洛伦兹力和重力的作用。抓住三个力的特点是分析和求解相关问题的前提和基础。1.重力：重力的大小为，方向竖直向下．重力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的质量有关外，还与始末位置的高度差有关。2.电场力：电场力的大小为，方向与电场强度E及带电粒子所带电荷的性质有关，电场力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的电荷量有关外，还与始末位置的电势差有关。3.洛伦兹力：洛伦兹力的大小跟速度与磁场方向的夹角有关，当带电粒子的速度与磁场方向平行时F=0；当带电粒子的速度与磁场方向垂直时，洛伦兹力的方向垂直于速度v和磁感应强度B所决定的平面。无论带电粒子做什么运动，洛伦兹力都不做功。但重力.电场力可能做功而引起带电粒子能量的转化。二、带电粒子在复合场中运动的力学观点带电粒子在复合场中的运动问题是力学和电学知识的一次“大综合”，其分析方法和力学综合问题的分析方法基本相同，只是在受力分析时多加了电场力和洛伦兹力，在考虑能量转化时多了电势能。基本思路如下：1.正确的受力分析：除重力、弹力、摩擦力外，要特别注意电场力和洛伦兹力的分析搞清场和力的空间方向及关系。2.正确的运动分析：即根据受力情况进一步明确物体的运动情况，找出物体的速度.位置及其变化规律，分析运动过程。如果出现临界状态，要分析临界条件。3.运用动力学三大方法解决问题。①牛顿运动定律与运动学公式；②用动量观点分析，包括动量定理.动量守恒定律；③用能量观点分析，包括动能定理.机械能（或能量转化）守恒定律。要针对不同的问题.模型灵活选用，必须弄清各种规律的成立条件与适用范围。三、带电粒子在复合场中的几种典型运动1.直线运动自由的带电粒子（无轨道约束）在匀强电场.匀强磁场和重力场中做的直线运动应是匀速直线运动，除非运动方向沿匀强磁场方向而粒子不受洛伦兹力，这是因为电场力和重力都是恒力，当速度变化时，会引起洛伦兹力的变化，合力也相应的发生变化，粒子的运动方向就要改变而做曲线运动。带电粒子在复合场中的直线运动有三种：（1）匀速直线运动：当带电粒子在复合场中所受到的合力为零时，带电粒子可以做匀速直线运动。（2）匀变速直线运动：当带电粒子在复合场中受到的合力为恒力时，带电粒子将做匀变速直线运动。当带电粒子受到洛伦兹力作用时，要做匀变速直线运动，一般要在光滑平面上或穿在光滑杆上。（3）变加速直线运动：当一带电粒子在复合场中受到合力为变力时，带电粒子可做变加速直线运动。这一类题对学生的能力要求很高，要正确解答这类问题，必须能够正确地分析物理过程，弄清加速度、速度的变化规律。2.匀速圆周运动带电粒子进入匀强电场.匀强磁场和重力场共存的复合场中，电场力和重力相平衡，粒子运动方向与匀强磁场方向相垂直时，带电粒子就在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动。可等效为仅在洛伦兹力作用下的匀速圆周运动。3.曲线运动当带电粒子所受的合外力是变力，且与初速度方向不在一条直线上时，粒子做非匀变速运动，这是粒子的运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线。四、带电粒子在复合场中的几种运动情况剖析1.磁场力、重力并存：①若重力和洛伦兹力平衡，则带电粒子做匀速直线运动。②若重力和洛伦兹力不平衡，则带电粒子将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒，由此可求解问题。2.电场力、磁场力并存（不计重力）：①若电场力和洛伦兹力平衡，则带电粒子做匀速直线运动。②若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电粒子将做复杂的曲线运动，洛伦兹力不做功，可用动能定理求解问题。3.电场力、磁场力、重力并存：①若三力平衡，则带电粒子一定做匀速直线运动。②若重力与电场力平衡，则带电粒子可能做匀速圆周运动。③若合力不为零且与速度方向不垂直，则带电粒子将做复杂的曲线运动，洛伦兹力不做功，可用能量守恒定律或动能定理求解问题。典例1：（2022·湖南·高考真题）如图，两个定值电阻的阻值分别为和，直流电源的内阻不计，平行板电容器两极板水平放置，板间距离为，板长为，极板间存在方向水平向里的匀强磁场。质量为、带电量为的小球以初速度沿水平方向从电容器下板左侧边缘点进入电容器，做匀速圆周运动，恰从电容器上板右侧边缘离开电容器。此过程中，小球未与极板发生碰撞，重力加速度大小为，忽略空气阻力。（1）求直流电源的电动势；（2）求两极板间磁场的磁感应强度；（3）在图中虚线的右侧设计一匀强电场，使小球离开电容器后沿直线运动，求电场强度的最小值。【答案】（1）；（2）；（3）【规范答题】（1）小球在电磁场中作匀速圆周运动，则电场力与重力平衡，可得两端的电压根据欧姆定律得联立解得（2）如图所示设粒子在电磁场中做圆周运动的半径为，根据几何关系解得根据解得（3）由几何关系可知，射出磁场时，小球速度方向与水平方向夹角为，要使小球做直线运动，当小球所受电场力与小球重力在垂直小球速度方向的分力相等时，电场力最小，电场强度最小，可得解得典例2：（2022·北京·高考真题）指南针是利用地磁场指示方向的装置，它的广泛使用促进了人们对地磁场的认识。现代科技可以实现对地磁场的精确测量。（1）如图1所示，两同学把一根长约10m的电线两端用其他导线连接一个电压表，迅速摇动这根电线。若电线中间位置的速度约10m/s，电压表的最大示数约2mV。粗略估算该处地磁场磁感应强度的大小B地；（2）如图2所示，一矩形金属薄片，其长为a，宽为b，厚为c。大小为I的恒定电流从电极P流入、从电极Q流出，当外加与薄片垂直的匀强磁场时，M、N两电极间产生的电压为U。已知薄片单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e。求磁感应强度的大小B；（3）假定（2）中的装置足够灵敏，可用来测量北京地区地磁场磁感应强度的大小和方向，请说明测量的思路。【答案】（1）数量级为10－5T；（2）；（3）见解析【规范答题】（1）由E=BLv可估算得该处地磁场磁感应强度B地的大小的数量级为10－5T。（2）设导电电子定向移动的速率为v，t时间内通过横截面的电量为q，有导电电子定向移动过程中，在方向受到的电场力与洛伦兹力平衡，有得（3）如答图3建立三维直角坐标系Oxyz设地磁场磁感应强度在三个方向的分量为Bx、By、Bz。把金属薄片置于xOy平面内，M、N两极间产生电压Uz仅取决于Bz。由（2）得由Uz的正负（M、N两极电势的高低）和电流I的方向可以确定Bz的方向。同理，把金属薄片置于xOz平面内，可得By的大小和方向；把金属薄片置于yOz平面内，可得Bx的大小和方向，则地磁场的磁感应强度的大小为根据Bx、By、Bz的大小和方向可确定此处地磁场的磁感应强度的方向。典例3：（2022·山东·高考真题）中国“人造太阳”在核聚变实验方面取得新突破，该装置中用电磁场约束和加速高能离子，其部分电磁场简化模型如图所示，在三维坐标系中，空间内充满匀强磁场I，磁感应强度大小为B，方向沿x轴正方向；，的空间内充满匀强磁场II，磁感应强度大小为，方向平行于平面，与x轴正方向夹角为；，的空间内充满沿y轴负方向的匀强电场。质量为m、带电量为的离子甲，从平面第三象限内距轴为的点以一定速度出射，速度方向与轴正方向夹角为，在平面内运动一段时间后，经坐标原点沿轴正方向进入磁场I。不计离子重力。（1）当离子甲从点出射速度为时，求电场强度的大小；（2）若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，求进入磁场时的最大速度；（3）离子甲以的速度从点沿轴正方向第一次穿过面进入磁场I，求第四次穿过平面的位置坐标（用d表示）；（4）当离子甲以的速度从点进入磁场I时，质量为、带电量为的离子乙，也从点沿轴正方向以相同的动能同时进入磁场I，求两离子进入磁场后，到达它们运动轨迹第一个交点的时间差（忽略离子间相互作用）。【答案】（1）；（2）；（3）（d，d，）；（4）【规范答题】（1）如图所示将离子甲从点出射速度为分解到沿轴方向和轴方向，离子受到的电场力沿轴负方向，可知离子沿轴方向做匀速直线运动，沿轴方向做匀减速直线运动，从到的过程，有联立解得（2）离子从坐标原点沿轴正方向进入磁场I中，在磁场I中做匀速圆周运动，经过磁场I偏转后从轴进入磁场II中，继续做匀速圆周运动，如图所示由洛伦兹力提供向心力可得，可得为了使离子在磁场中运动，则离子磁场I运动时，不能从磁场I上方穿出。在磁场II运动时，不能xOz平面穿出，则离子在磁场用运动的轨迹半径需满足，联立可得要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，进入磁场时的最大速度为；（3）离子甲以的速度从点沿z轴正方向第一次穿过面进入磁场I，离子在磁场I中的轨迹半径为离子在磁场II中的轨迹半径为离子从点第一次穿过到第四次穿过平面的运动情景，如图所示离子第四次穿过平面的坐标为离子第四次穿过平面的坐标为故离子第四次穿过平面的位置坐标为（d，d，）。（4）设离子乙的速度为，根据离子甲、乙动能相同，可得可得离子甲、离子乙在磁场I中的轨迹半径分别为，离子甲、离子乙在磁场II中的轨迹半径分别为，根据几何关系可知离子甲、乙运动轨迹第一个交点在离子乙第一次穿过x轴的位置，如图所示从点进入磁场到第一个交点的过程，有可得离子甲、乙到达它们运动轨迹第一个交点的时间差为典例4：（2022·河北·高考真题）两块面积和间距均足够大的金属板水平放置，如图1所示，金属板与可调电源相连形成电场，方向沿y轴正方向。在两板之间施加磁场，方向垂直平面向外。电场强度和磁感应强度随时间的变化规律如图2所示。板间O点放置一粒子源，可连续释放质量为m、电荷量为、初速度为零的粒子，不计重力及粒子间的相互作用，图中物理量均为已知量。求：（1）时刻释放的粒子，在时刻的位置坐标；（2）在时间内，静电力对时刻释放的粒子所做的功；（3）在点放置一粒接收器，在时间内什么时刻释放的粒子在电场存在期间被捕获。【答案】（1）；（2）；（3）【规范答题】（1）在时间内，电场强度为，带电粒子在电场中加速度，根据动量定理可知解得粒子在时刻的速度大小为方向竖直向上，粒子竖直向上运动的距离在时间内，根据粒子在磁场运动的周期可知粒子偏转，速度反向，根据可知粒子水平向右运动的距离为粒子运动轨迹如图所以粒子在时刻粒子的位置坐标为，即；（2）在时间内，电场强度为，粒子受到的电场力竖直向上，在竖直方向解得时刻粒子的速度方向竖直向上，粒子在竖直方向上运动的距离为在时间内，粒子在水平方向运动的距离为此时粒子速度方向向下，大小为，在时间内，电场强度为，竖直方向解得粒子在时刻的速度粒子在竖直方向运动的距离粒子运动的轨迹如图在时间内，静电力对粒子的做功