（通用版）2020版高考物理大一轮复习7.4专题5带电粒子在电场中的综合问题课件新人教版.pptx

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1、专题5 带电粒子在电场中的 综合问题,-2-,基础夯实,自我诊断,一、示波管 1.示波管装置 示波管由电子枪 、偏转电极 和荧光屏 组成,管内抽成真空。如图所示。,-3-,基础夯实,自我诊断,2.工作原理 (1)如果在偏转电极XX和YY之间都没有加电压,则电子枪射出的电子束沿直线运动,打在荧光屏中心 ,在那里产生一个亮斑。 (2)YY上加的是待显示的信号电压 。XX上是机器自身产生的锯齿形电压,叫作扫描电压。若所加扫描电压和信号电压的周期相同,就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像。,-4-,基础夯实,自我诊断,二、带电粒子在电场中综合问题的分析方法 1.分析方法和力学的

2、分析方法基本相同:先分析受力情况,再分析运动状态和运动过程(平衡、加速或减速,轨迹是直线还是曲线);然后选用恰当的力学规律如牛顿运动定律、运动学公式、动能定理、能量守恒定律解题。 2.带电粒子的受力特点:在讨论带电粒子或其他带电体的静止与运动问题时,重力是否要考虑,关键看重力与其他力相比较是否能忽略。一般来说,除明显暗示外,带电小球、液滴的重力不能忽略,电子、质子等带电粒子的重力可以忽略,一般可根据微粒的运动状态判断是否考虑重力作用。,-5-,基础夯实,自我诊断,3.经一定电压(U1)加速后的带电粒子,垂直于电场强度方向射入确定的平行板偏转电场中,粒子偏离入射方向的偏距y= ,它只跟加在偏转电

3、极上的电压U2有关。当偏转电压的大小、极性发生变化时,粒子的偏距也随之变化,如果偏转电压的变化周期远大于粒子穿越电场的时间,则在粒子穿越电场的过程中,仍可当作匀强电场处理。因此,当偏转电压为正弦波或锯齿波时,连续射入的带电粒子将以入射方向为中心上下偏移,随时间而展开的波形与偏转电压波形相似。,-6-,基础夯实,自我诊断,三、用正交分解法处理带电粒子的复杂运动 这里所说的复杂运动,区别于类似平抛运动的带电粒子的偏转,它的轨迹常是更复杂的曲线,但处理这种运动的基本思想与处理偏转运动是类似的。也就是说,可以将此复杂的运动分解为两个互相正交的比较简单的直线运动,而这两个直线运动的规律我们是可以掌握的,

4、然后再按运动合成的观点求出复杂运动的有关物理量。 四、用能量观点处理带电体在电场中的运动 对于受变力作用的带电体的运动,必须借助于能量观点来处理。即使都是恒力作用的问题,用能量观点处理常常显得简洁。具体方法常有两种:,-7-,基础夯实,自我诊断,1.用动能定理处理 思维顺序一般为: (1)弄清研究对象,明确所研究的物理过程。 (2)分析物体在所研究过程中的受力情况,弄清哪些力做功,做正功还是负功。 (3)弄清所研究过程的始、末状态(主要指动能)。 (4)根据W=Ek列出方程求解。 2.用能量守恒定律处理 列式的方法常有两种: (1)利用初、末状态的能量相等(即E1=E2)列方程。 (2)利用某

5、些能量的减少等于另一些能量的增加(即E=E)列方程。,-8-,基础夯实,自我诊断,请判断下列表述是否正确。 (1)若带电粒子只在电场力作用下运动,其动能和电势能之和保持不变。 ( ) (2)若带电粒子只在重力和电场力作用下运动,其机械能和电势能之和保持不变。 ( ) (3)示波器显示的是带电粒子运动的轨迹。 ( ),-9-,基础夯实,自我诊断,1.(多选)如图所示,示波管是示波器的核心部件,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成。如果在荧光屏上P点出现亮斑,那么示波管中的( )A.极板X应带正电 B.极板X应带正电 C.极板Y应带正电 D.极板Y应带正电,答案,解析,-10-,基础夯实,自我诊断,2

6、.(多选)下图为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图像。当t=0时,在此匀强电场中由静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力的作用,则下列说法正确的是( )A.带电粒子将始终向同一个方向运动 B.2 s末带电粒子回到原出发点 C.3 s末带电粒子的速度为零 D.03 s内,电场力做的总功为零,答案,解析,-11-,基础夯实,自我诊断,3.(2018浙江五校联考)如图甲所示,Q1、Q2为两个被固定的点电荷,a、b、c三点在它们连线的延长线上,其中Q1带负电。现有一带负电的粒子以一定的初速度沿直线从a点开始向远处运动并经过b、c两点(粒子只受电场力作用),粒子经过a、b、c三点时的速度分别为va

7、、vb、vc,其v-t图像如图乙所示。以下说法正确的是( )A.Q2一定带负电 B.Q2的电荷量一定大于Q1的电荷量 C.b点的电场强度最大 D.粒子由a点运动到c点过程中,粒子的电势能先增大后减小,答案,解析,-12-,基础夯实,自我诊断,4.(多选)在空间某一匀强电场中,将一质量为m、电荷量为q的小球由静止释放,带电小球的运动轨迹为一直线,该直线与竖直方向成锐角,电场强度大小为E。则下列说法正确的是( ) A.由于小球所受的电场力和重力做功均与路径无关,故小球的机械能守恒,答案,解析,-13-,考点一,考点二,考点三,带电粒子在交变电场中的运动(师生共研) 1.此类题型一般有三种情况:一是

8、粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解);二是粒子做往返运动(一般分段研究);三是粒子做偏转运动(一般根据交变电场的特点分段研究)。 2.分析时从两条思路出发:一是力和运动的关系,根据牛顿第二定律及运动学规律分析;二是功能关系。 3.注重全面分析(分析受力特点和运动特点),抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征,求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的边界条件。,-14-,考点一,考点二,考点三,例1如图甲所示,真空中相距d=5 cm的两块平行金属板A、B与电源连接(图中未画出),其中B板接地(电势为零),A板电势变化的规律如图乙所示。将一个质量m=2.010

9、-27 kg、电荷量q=+1.610-19 C的带电粒子从紧邻B板处释放,不计粒子重力。求:,-15-,考点一,考点二,考点三,(1)在t=0时刻释放该带电粒子,释放瞬间粒子加速度的大小。 (2)若A板电势变化周期T=1.010-5 s,在t=0时将带电粒子从紧邻B板处无初速释放,粒子到达A板时速度的大小。 (3)A板电势变化频率多大时,在 时间内从紧邻B板处无初速度释放该带电粒子,粒子不能到达A板。,-16-,考点一,考点二,考点三,因题目要求粒子不能到达A板,故必有xmaxd,答案： (1)4.0109 m/s2 (2)2104 m/s (3)大于5 104 Hz,-17-,考点一,考点二

10、,考点三,思维点拨(1)释放后粒子的受力情况如何?做什么运动? (2)粒子不能到达A板的临界条件如何? 提示：(1)根据题意,不计粒子重力,则粒子只受电场力而做匀加速直线运动,通过进一步计算可知在0 内粒子发生的位移恰好等于板间距离,到达A板的时间随之确定。 (2)解第(3)小题的关键,在于明确运动“对称性”,弄清“粒子不能到达A板”的条件,即在 内粒子的最大位移小于板间距离。,-18-,考点一,考点二,考点三,例2如图甲所示,离子源产生的正离子由离子源飞出时的速度可忽略不计,离子离开离子源后进入一加速电压为U0的加速电场,偏转电场极板间的距离为d,极板长为l=2d,偏转电场的下极板接地,偏转

11、电场极板右端到竖直放置的足够大的荧光屏之间的距离也为l。现在偏转电场的两极板间接一周期为T的交流电压,上极板的电势随时间变化的图像如图乙所示。(设正离子的电荷量为q、质量为m,大量离子从偏转电场中央持续射入,穿过平行板的时间都极短),-19-,考点一,考点二,考点三,(1)试计算离子刚进入偏转电场时的速度v0的大小。 (2)在电势变化的过程中发现荧光屏有“黑屏”现象,即无正离子到达荧光屏,试计算每个周期内荧光屏黑屏的时间t。 (3)离子打到荧光屏上的区间的长度x。,解析： (1)由题意可知,离子刚进入偏转电场时的速度大小恰为离子射出加速电场时的速度大小,由动能定理可得qU0=,(2)由题意可知

12、,只要正离子能射出偏转电场,即可打到荧光屏上,因此当离子打在偏转电场的极板上时,出现“黑屏”现象。设离子刚好能射出偏转电场时的偏转电压为U,则有,-20-,考点一,考点二,考点三,由题图乙可知,偏转电压U在0.5U0U0之间变化时,进入偏转电场的离子无法射出偏转电场打在荧光屏上,因此每个周期内出现“黑屏”的时间为t= 。,(3)设离子射出偏转电场时的侧移量为y,打在荧光屏上的位置到O点的距离为Y,如图所示,由几何关系可得 所以离子打到荧光屏上的区间的长度,-21-,考点一,考点二,考点三,规律总结带电粒子在交变电场中的运动,通常只讨论电场强度的大小不变、方向做周期性变化且不计粒子重力的情形。常

13、见类型主要有以下两类: (1)两金属板间加一方波型电压。 (2)两金属板间加一锯齿波或正弦波电压,但粒子在电场中运动时间极短,粒子在电场中运动时电场可以看作匀强电场。,思维点拨(1)离子穿过平行板的时间极短,可认为此过程中平行板两极电压不变。 (2)“黑屏”的临界条件是离子恰好不能射出电场,根据对应的电压值和图像确定该时间。,-22-,考点一,考点二,考点三,突破训练 1.(2018山东日照二模)图甲为两水平金属板,在两板间加上周期为T的交变电压u,电压u随时间t变化的图线如图乙所示。质量为m、重力不计的带电粒子以初速度v0沿中线射入两板间,经时间T从两板间飞出。下列关于粒子运动的描述正确的是

14、( ),-23-,考点一,考点二,考点三,A.t=0时入射的粒子,离开电场时偏离中线的距离最大 B.t= T时入射的粒子,离开电场时偏离中线的距离最大 C.无论哪个时刻入射的粒子,离开电场时的速度方向都水平 D.无论哪个时刻入射的粒子,离开电场时的速度大小都相等,答案,解析,-24-,考点一,考点二,考点三,“等效法”处理带电粒子在复合场中的运动(师生共研) 1.方法概述 等效思维方法是将一个复杂的物理问题,等效为一个熟知的物理模型或问题的方法。对于这类问题,若采用常规方法求解,过程复杂,运算量大。若采用等效法求解,则能避开复杂的运算,过程比较简捷。 2.方法应用 先求出重力与电场力的合力,将

15、这个合力视为一个等效重力,将a= 视为等效重力加速度。再将物体在重力场中的运动规律迁移到等效重力场中分析求解即可。,-25-,考点一,考点二,考点三,例3如图所示的装置是在竖直平面内放置的光滑绝缘轨道,处于水平向右的匀强电场中,带负电荷的小球从高为h的A处由静止开始下滑,沿轨道ABC运动并进入圆环内做圆周运动。已知小球所受电场力是其重力的 ,圆环半径为R,斜面倾角为=60,sBC=2R。若使小球在圆环内能做完整的圆周运动,h至少为多少?(sin 37=0.6,cos 37=0.8),答案,解析,-26-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)如果只有重力场,小球恰好做完整的圆周运动,在最高点哪

16、个力提供向心力? (2)在重力场和电场的复合场中,小球恰好做完整的圆周运动,在“最高点”的受力情况怎样? 提示：(1)重力提供向心力。(2)重力和电场力的合力提供向心力。,方法归纳把握三点,合理利用“等效法”解决问题 1.把电场力和重力合成一个等效力,称为等效重力。 2.等效重力的反向延长线与圆轨迹的交点为带电体在等效重力场中运动的最高点。 3.类比“绳球”“杆球”模型临界值的情况进行分析解答。,-27-,考点一,考点二,考点三,突破训练 2.如图所示,在竖直平面内固定的圆形绝缘轨道的圆心为O、半径为r、内壁光滑,A、B两点分别是圆轨道的最低点和最高点。该区间存在方向水平向右的匀强电场,一质量

17、为m、带负电的小球在轨道内侧做完整的圆周运动(电荷量不变),经过C点时速度最大,O、C连线与竖直方向的夹角=60,重力加速度为g。(1)求小球所受到的静电力的大小; (2)小球在A点速度v0多大时,小球经过B点时对圆轨道的压力最小?,答案,解析,-28-,考点一,考点二,考点三,应用动力学、动量和能量关系解决力电综合问题(师生共研) 1.方法技巧 动量关系和能量关系在电学中应用的题目,一般过程复杂且涉及多种性质不同的力,因此,通过审题抓住受力分析和运动过程分析是关键,然后根据不同的运动过程中各力的作用特点来选择相应规律求解。 2.解题思路,-29-,考点一,考点二,考点三,3.应用规律 (1)

18、力学规律 动力学规律:牛顿运动定律结合运动学公式。 能量规律:动能定理或能量守恒定律。 动量规律:动量定理或动量守恒定律。 (2)电场规律 电场力的特点:F=Eq,正电荷受到的电场力与电场强度方向相同。 电场力做功的特点:WAB=FlABcos =qUAB=EpA-EpB。,-30-,考点一,考点二,考点三,例4(多选)如图所示,MPQO为有界的竖直向下的匀强电场,电场强度为E,ACB为光滑固定的半圆形轨道,圆轨道半径为R,A、B为圆水平直径的两个端点,AC为圆弧。一个质量为m、电荷量为-q的带电小球,从A点正上方高为h处的G点由静止释放,并从A点沿切线进入半圆轨道。不计空气阻力及一切能量损失

19、,关于带电小球的运动情况,下列说法正确的是( ) A.小球一定能从B点离开轨道 B.小球在AC部分可能做匀速圆周运动 C.若小球能从B点离开,上升的高度一定小于h D.小球到达C点的速度可能为零,答案,解析,-31-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)小球在复合场区受力如何?电场力有可能和重力相等吗?若相等,小球在复合场区做什么运动? (2)用什么方法分析小球到达C点的速度能否为零?,提示： (1)小球在复合场区受电场力和重力;二者可能相等;匀速圆周运动。 (2)小球到达C点的速度能否为零可以采用假设法分析。,-32-,考点一,考点二,考点三,例5如图所示,LMN是竖直平面内固定的光滑绝缘

20、轨道,MN水平且足够长,LM下端与MN相切。质量为m的带正电小球B静止在水平面上,质量为2m的带正电小球A从LM上距水平面高为h处由静止释放,在A球进入水平轨道之前,由于A、B两球相距较远,相互作用力可认为是零,A球进入水平轨道后,A、B两球间相互作用视为静电作用,带电小球均可视为质点。已知A、B两球始终没有接触,重力加速度为g。求:(1)A球刚进入水平轨道的速度大小; (2)A、B两球相距最近时,A、B两球系统的电势能Ep; (3)A、B两球最终的速度vA、vB的大小。,-33-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)对A球下滑的过程,据机械能守恒得,(2)A球进入水平轨道后,两球组成的系统动

21、量守恒,当两球相距最近时共速,有2mv0=(2m+m)v,-34-,考点一,考点二,考点三,(3)当两球相距最近之后,在静电斥力作用下相互远离,两球距离足够远时,相互作用力为零,系统势能也为零,速度达到稳定。则2mv0=2mvA+mvB,-35-,考点一,考点二,考点三,思维点拨分析解答本题的关键点是:光滑绝缘轨道;A、B两球间相互作用视为静电作用;A、B两球始终没有接触。 规律总结电场中动量和能量问题的解题技巧 动量守恒定律与其他知识综合应用类问题的求解,与一般的力学问题求解思路并无差异,只是问题的情景更复杂多样,分析清楚物理过程,正确识别物理模型是解决问题的关键。,-36-,考点一,考点二

22、,考点三,突破训练 3.(2017全国卷)如图所示,两水平面(虚线)之间的距离为H,其间的区域存在方向水平向右的匀强电场。自该区域上方的A点将质量均为m、电荷量分别为q和-q(q0)的带电小球M、N先后以相同的初速度沿平行于电场的方向射出。小球在重力作用下进入电场区域,并从该区域的下边界离开。已知N离开电场时速度方向竖直向下;M在电场中做直线运动,刚离开电场时的动能为N刚离开电场时动能的1.5倍。不计空气阻力,重力加速度大小为g。求:(1)M与N在电场中沿水平方向的位移之比; (2)A点距电场上边界的高度; (3)该电场的电场强度大小。,-37-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)设小球M、

23、N在A点水平射出时的初速度大小为v0,则它们进入电场时的水平速度仍然为v0。M、N在电场中运动的时间t相等,电场力作用下产生的加速度沿水平方向,大小均为a,在电场中沿水平方向的位移分别为s1和s2。由题给条件和运动学公式得 v0-at=0,-38-,考点一,考点二,考点三,(2)设A点距电场上边界的高度为h,小球下落h时在竖直方向的分速度为vy,由运动学公式,-39-,考点一,考点二,考点三,(3)设电场强度的大小为E,小球M进入电场后做直线运动,-40-,考点一,考点二,考点三,4.有一质量为M、长度为l的矩形绝缘板放在光滑的水平面上,另一质量为m、电荷量的绝对值为q的物块(视为质点),以初

24、速度v0从绝缘板的上表面的左端沿水平方向滑入,绝缘板所在空间有范围足够大的匀强电场,其电场强度大小E= ,方向竖直向下,如图所示。已知物块与绝缘板间的动摩擦因数恒定,物块运动到绝缘板的右端时恰好相对于绝缘板静止;若将匀强电场的方向改变为竖直向上,电场强度大小不变,且物块仍以原初速度从绝缘板左端的上表面滑入,结果两者相对静止时,物块未到达绝缘板的右端。求:,-41-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)电场强度方向竖直向下时,根据动量守恒定律得 mv0=(M+m)v,(2)电场强度方向竖直向下时,FN=mg-qE, 电场强度方向竖直向上时,FN=mg+qE,(3)两次产生的热量相等FNl=Q,FNl=Q,