高中物理高考 第10章 专题强化21　带电粒子在组合场中的运动 2023年高考物理一轮复习(新高考新教材) 课件PPT

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专题强化二十一　 带电粒子在组合场中 的运动
1.掌握带电粒子在组合场中的运动规律和分析思路.2.学会处理磁场和磁场组合场、电场和磁场组合场中带电粒子的运动问题.
1.组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，或在同一区域，电场、磁场交替出现.2.分析思路(1)划分过程：将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段，对不同的阶段选取不同的规律处理.(2)找关键点：确定带电粒子在场区边界的速度(包括大小和方向)是解决该类问题的关键.(3)画运动轨迹：根据受力分析和运动分析，大致画出粒子的运动轨迹图，有利于形象、直观地解决问题.
3.常见粒子的运动及解题方法
题型一　磁场与磁场的组合
题型二　电场与磁场的组合
磁场与磁场的组合问题实质就是两个有界磁场中的圆周运动问题，带电粒子在两个磁场中的速度大小相同，但轨迹半径和运动周期往往不同.解题时要充分利用两段圆弧轨迹的衔接点与两圆心共线的特点，进一步寻找边角关系.
例1　(2020·江苏卷·16)空间存在两个垂直于Oxy平面的匀强磁场，y轴为两磁场的边界，磁感应强度分别为2B0、3B0.甲、乙两种比荷不同的粒子同时从原点O沿x轴正向射入磁场，速度均为v.甲第1次、第2次经过y轴
的位置分别为P、Q，其轨迹如图所示.甲经过Q时，乙也恰好同时经过该点.已知甲的质量为m，电荷量为q.不考虑粒子间的相互作用和重力影响.求：(1)Q到O的距离d；
甲粒子先后在两磁场中做匀速圆周运动，设半径分别为r1、r2
(2)甲两次经过P点的时间间隔Δt；
甲粒子先后在两磁场中做匀速圆周运动，设运动时间分别t1、t2
且Δt＝2t1＋3t2
乙粒子周期性地先后在两磁场中做匀速圆周运动若经过两磁场的次数均为n(n＝1,2,3，…)·
根据题意，n＝1舍去.
若先后经过右侧、左侧磁场的次数分别为(n＋1)、n(n＝0,1,2,3，…)，经分析不可能相遇.
1.带电粒子先在匀强电场中做匀加速直线运动，然后垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动，如图甲.
2.带电粒子先在匀强电场中做类平抛运动，然后垂直进入磁场做匀速圆周运动，如图乙.
例2　(2018·全国卷Ⅰ·25)如图，在y>0的区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E；在y0)的粒子从y轴上P点(0，h)以初速度v0垂直于y轴射入电场，再经x轴上的Q点沿与x轴正方向成45°角进入磁场.粒子重力不计.
(1)求匀强电场的场强大小E；
在第一象限内，粒子在静电力作用下做类平抛运动，由运动学规律有vy2＝2ah，vy＝v0tan 45°由牛顿第二定律有：qE＝ma
(2)要使粒子能够进入第三象限，求第四象限内磁感应强度B的大小范围；
可得OQ的距离为x＝2h粒子进入第四象限后做匀速圆周运动，如图甲所示，轨迹恰与y轴相切时，对应恰能够进入第三象限的磁感应强度最大值
(3)若第四象限内磁感应强度大小为 ，第三象限内磁感应强度大小为 ，且第三、第四象限的磁场在y＝－L(L>2h)处存在一条与x轴平行的下边界MN(图中未画出)，则要使粒子能够垂直边界MN飞出磁场，求L的可能取值.
粒子在第四、第三象限的轨道半径分别为
易知：粒子由Q点进入第四象限后运动半周进入第三象限，作出粒子在第四、第三象限的可能运动轨迹如图乙所示
要让粒子垂直边界MN飞出磁场，则L满足的条件为
1.平面直角坐标系xOy中，第二象限存在沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E，第三、四象限存在垂直坐标平面向里的匀强磁场，如图所示.一质量为m，带电荷量为q的正粒子从坐标为(－L，L)的P点沿y轴负向进入电场，初速度大小为v0＝ ，粒子第二次到达x轴的位置为坐标原点.不计粒子的重力.
(1)求匀强磁场的磁感应强度B的大小；
(2)若粒子由P点沿x轴正方向入射，初速度仍为v0＝ ，求粒子第二次到达x轴时与坐标原点的距离.
假设粒子由y轴离开电场，运动轨迹如图所示L＝v0t，
粒子第二次到达x轴的位置与坐标原点的距离
2.如图所示，在x轴上方存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外；在x轴下方存在匀强电场，电场方向与xOy平面平行，且与x轴成45°夹角.一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子以初速度v0从y轴上的P点沿y轴正方向射出，一段时间后进入电场，进入电场时的速度方向与电场方向相反；又经过一段时间T0，磁场的方向变为垂直于纸面向里，大小不变.不计重力.
(1)求粒子从P点出发至第一次到达x轴时所需时间；
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，运动轨迹如图所示.设运动半径为R，运动周期为T，根据洛伦兹力提供向心力，
(2)若要使粒子能够回到P点，求电场强度的最大值.
粒子进入电场后，先做匀减速直线运动，直到速度减小为0，然后沿原路返回做匀加速直线运动，到达x轴时速度大小仍为v0，设粒子在电场中运动的总时间为t2，加速度大小为a，有qE＝ma
根据题意，要使粒子能够回到P点，必须满足t2≥T0
3.如图所示，xOy平面内，OP与x轴夹角为θ＝53°，在xOP 范围内(含边界)存在垂直于坐标平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1 T.第二象限有平行于 y轴向下的匀强电场，场强大小为E ＝ ×105 V/m.一带电微粒以速度 v0 ＝5×106 m/s从 x 轴上 a(L,0)点平行于OP射入磁场，并从OP上的b点垂直于OP离开磁场，与y轴交于c点，最后回到x轴上的点d，图中点b、d未标出.已知L＝ m，sin 53°＝ ，cs 53°＝ ，不计微粒的重力，求：
(1)微粒的比荷 ；
答案　5×107 C/kg　
微粒在磁场中做匀速圆周运动，由几何关系得：r＝Lsin 53°
(2)d 点与O点的距离l;
粒子进入电场后做类斜抛运动.由几何关系得
在x轴方向l＝v0tsin 53°解得l＝4 m
(3)仅改变磁场强弱而其他条件不变，当磁感应强度Bx大小满足什么条件时，微粒能到达第四象限.
答案　Bx≥0.2 T
微粒在磁场中做匀速圆周运动的轨迹与边界OP 相切时，恰好能到达第四象限.
解得B1 ＝ 0.2 T故当磁感应强度Bx≥0.2 T时，微粒能到达第四象限.
4.(2022·湖北宜昌市联考)如图所示，在矩形区域ABCD内存在竖直向上的匀强电场，在BC右侧Ⅰ、Ⅱ两区域存在匀强磁场，L1、L2、L3是磁场的边界(BC与L1重合)，宽度相同，方向如图所示，区域Ⅰ的磁感应强度大
小为B1.一电荷量为＋q、质量为m的粒子(重力不计)从AD边中点以初速度v0沿水平向右方向进入电场，粒子恰好从B点进入磁场，经区域Ⅰ后又恰好从与B点同一水平高度处进入区域Ⅱ.已知AB长度是BC长度的 倍.
(1)求带电粒子到达B点时的速度大小；
设带电粒子进入磁场时的速度大小为v，与水平方向成θ角，粒子在匀强电场中做类平抛运动，由类平抛运动的速度方向与位移方向的关系有：
(2)求区域Ⅰ磁场的宽度L；
设带电粒子在区域Ⅰ中的轨道半径为r1，由牛顿第二定律得：qvB1＝m ，轨迹如图甲所示：由几何关系得：L＝r1
(3)要使带电粒子在整个磁场中运动的时间最长，求区域Ⅱ的磁感应强度B2的最小值.