物理第七章 靜電場 專題5 帶電粒子在電場中的綜合問題 新人教版

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1、專題5帶電粒子在電場中的綜合問題-2-知識梳理考點(diǎn)自診一、帶電粒子在電場中綜合問題的分析方法1.和力學(xué)的分析方法相同:先分析受力情況,再分析運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動過程(平衡、加速或減速,軌跡是直線還是曲線);然后選用恰當(dāng)?shù)牧W(xué)規(guī)律如牛頓運(yùn)動定律、運(yùn)動學(xué)公式、動能定理、能量守恒定律解題。2.帶電粒子的受力特點(diǎn):一般來說,除明顯暗示外,帶電小球、液滴的重力不能忽略,電子、質(zhì)子等帶電粒子的重力可以忽略。二、用正交分解法處理帶電粒子的復(fù)雜運(yùn)動可以將復(fù)雜的運(yùn)動分解為兩個(gè)互相正交的比較簡單的直線運(yùn)動。-3-知識梳理考點(diǎn)自診三、用能量觀點(diǎn)處理帶電體在電場中的運(yùn)動對于受變力作用的帶電體的運(yùn)動,必須借助于能量觀點(diǎn)來處理

2、。即使都是恒力作用的問題,用能量觀點(diǎn)處理常常顯得簡潔。具體方法常有兩種:1.用動能定理處理;2.用能量守恒定律處理。-4-知識梳理考點(diǎn)自診1.(多選)右圖為勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E隨時(shí)間t變化的圖象。當(dāng)t=0時(shí),在此勻強(qiáng)電場中由靜止釋放一個(gè)帶電粒子,設(shè)帶電粒子只受電場力的作用,則下列說法正確的是()A.帶電粒子將始終向同一個(gè)方向運(yùn)動B.2 s末帶電粒子回到原出發(fā)點(diǎn)C.3 s末帶電粒子的速度為零D.03 s內(nèi),電場力做的總功為零 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-5-知識梳理考點(diǎn)自診2.(多選)在空間某一勻強(qiáng)電場中,將一質(zhì)量為m、電荷量為q的小球由靜止釋放,帶電小球的運(yùn)動軌跡為一直線,該直線與豎直方向

3、成銳角,電場強(qiáng)度大小為E。則下列說法正確的是()A.由于小球所受的電場力和重力做功均與路徑無關(guān),故小球的機(jī)械能守恒 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-6-知識梳理考點(diǎn)自診3.如圖所示,在豎直平面內(nèi)固定的圓形絕緣軌道的圓心為O、半徑為r、內(nèi)壁光滑,A、B兩點(diǎn)分別是圓軌道的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)。該區(qū)間存在方向水平向右的勻強(qiáng)電場,一質(zhì)量為m、帶負(fù)電的小球在軌道內(nèi)側(cè)做完整的圓周運(yùn)動(電荷量不變),經(jīng)過C點(diǎn)時(shí)速度最大,O、C連線與豎直方向的夾角=60,重力加速度為g。(1)求小球所受到的靜電力的大小;(2)小球在A點(diǎn)速度v0多大時(shí),小球經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)對圓軌道的壓力最小?-7-知識梳理考點(diǎn)自診解析:(1)小球在C點(diǎn)速

4、度最大,則在該點(diǎn)靜電力與重力的合力沿半徑方向,所以小球受到的靜電力大小F=mgtan 60= mg。-8-知識梳理考點(diǎn)自診(2)小球要到達(dá)B點(diǎn),必須到達(dá)D點(diǎn)時(shí)速度最小,在D點(diǎn)速度最小時(shí),軌道對小球的壓力恰為零,小球經(jīng)B點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力也最小。-9-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三帶電粒子在交變電場中的運(yùn)動帶電粒子在交變電場中的運(yùn)動1.此類題型一般有三種情況:一是粒子做單向直線運(yùn)動(一般用牛頓運(yùn)動定律求解);二是粒子做往返運(yùn)動(一般分段研究);三是粒子做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(一般根據(jù)交變電場的特點(diǎn)分段研究)。2.分析時(shí)從兩條思路出發(fā):一是力和運(yùn)動的關(guān)系,根據(jù)牛頓第二定律及運(yùn)動學(xué)規(guī)律分析;二是功能關(guān)系。3.注重全面分

5、析(分析受力特點(diǎn)和運(yùn)動特點(diǎn)),抓住粒子的運(yùn)動具有周期性和在空間上具有對稱性的特征,求解粒子運(yùn)動過程中的速度、位移、做功或確定與物理過程相關(guān)的邊界條件。-10-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例1如圖甲所示,真空中相距d=5 cm的兩塊平行金屬板A、B與電源連接(圖中未畫出),其中B板接地(電勢為零),A板電勢變化的規(guī)律如圖乙所示。將一個(gè)質(zhì)量m=2.010-27 kg、電荷量q=+1.610-19 C的帶電粒子從緊鄰B板處釋放,不計(jì)粒子重力。求:(1)在t=0時(shí)刻釋放該帶電粒子,釋放瞬間粒子加速度的大小。(2)若A板電勢變化周期T=1.010-5 s,在t=0時(shí)將帶電粒子從緊鄰B板處無初速釋放,粒子到達(dá)

6、A板時(shí)速度的大小。(3)A板電勢變化頻率多大時(shí),在 時(shí)間內(nèi)從緊鄰B板處無初速度釋放該帶電粒子,粒子不能到達(dá)A板。-11-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三答案:(1)4.0109 m/s2(2)2104 m/s(3)大于5 104 Hz-12-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三再返回。由于運(yùn)動具有“對稱性”,即先、后兩段位移大小相等,得粒子向A板運(yùn)動可能的最大位移為-13-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三思維點(diǎn)撥(1)釋放后粒子的受力情況如何?做什么運(yùn)動? (2)粒子不能到達(dá)A板的臨界條件如何? 提示:根據(jù)題意,不計(jì)粒子重力,則粒子只受電場力而做勻加速直線運(yùn)動,通過進(jìn)一步計(jì)算可知在0 內(nèi)粒子發(fā)生的位移恰好等于板間距離,到

7、達(dá)A板的時(shí)間隨之確定。提示:解第(3)小題的關(guān)鍵,在于明確運(yùn)動“對稱性”,弄清“粒子不能到達(dá)A板”的條件,即在 內(nèi)粒子的最大位移小于板間距離。-14-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練1.(2017河南中原名校第二次聯(lián)考)如圖(a)所示,在兩平行金屬板中央有一個(gè)靜止的電子(不計(jì)重力),當(dāng)兩板間的電壓分別如圖(b)中甲、乙、丙、丁所示,電子在板間運(yùn)動(假設(shè)不與板相碰),下列說法正確的是()-15-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三A.電壓是甲圖時(shí),在0T時(shí)間內(nèi),電子的電勢能一直減少 C.電壓是丙圖時(shí),電子在板間做往復(fù)運(yùn)動D.電壓是丁圖時(shí),電子在板間做往復(fù)運(yùn)動 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-16-命

8、題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三2.(多選)(2017吉林長春模擬)如圖甲所示,A、B是一對平行金屬板。A板的電勢A=0,B板的電勢B隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖乙所示?，F(xiàn)有一電子從A板上的小孔進(jìn)入兩板間的電場區(qū)內(nèi),電子的初速度和重力的影響均可忽略,則()A.若電子是在t=0時(shí)刻進(jìn)入的,它可能不會到達(dá)B板 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-17-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三3.(2017河南鄭州第一次聯(lián)考)如圖甲所示,在y=0和y=2 m之間有沿著x軸方向的勻強(qiáng)電場,MN為電場區(qū)域的上邊界,在x軸方向范圍足夠大。電場強(qiáng)度的變化如圖乙所示,取x軸正方向?yàn)殡妶稣较颉，F(xiàn)有一個(gè)帶負(fù)電的粒子,粒子的比荷 =1.010-2 C

9、/kg,在t=0時(shí)刻以速度v0=5102 m/s從O點(diǎn)沿y軸正方向進(jìn)入電場區(qū)域,不計(jì)粒子重力作用。求:(1)粒子通過電場區(qū)域的時(shí)間;(2)粒子離開電場的位置坐標(biāo);(3)粒子通過電場區(qū)域后沿x軸方向的速度大小。-18-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三答案:(1)410-3 s(2)(-210-5 m,2 m)(3)410-3 m/s解析:(1)因?yàn)榱Ｗ映跛俣确较虼怪庇趧驈?qiáng)電場,在電場中做類平拋運(yùn)動,所以粒子通過電場區(qū)域的時(shí)間-19-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三“等效法等效法”處理帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動處理帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動1.方法概述等效思維方法是將一個(gè)復(fù)雜的物理問題,等效為一個(gè)熟知的物理模型或問題

10、的方法。對于這類問題,若采用常規(guī)方法求解,過程復(fù)雜,運(yùn)算量大。若采用等效法求解,則能避開復(fù)雜的運(yùn)算,過程比較簡捷。2.方法應(yīng)用先求出重力與電場力的合力,將這個(gè)合力視為一個(gè)等效重力,將a= 視為等效重力加速度。再將物體在重力場中的運(yùn)動規(guī)律遷移到等效重力場中分析求解即可。-20-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例2如圖所示的裝置是在豎直平面內(nèi)放置的光滑絕緣軌道,處于水平向右的勻強(qiáng)電場中,帶負(fù)電荷的小球從高為h的A處由靜止開始下滑,沿軌道ABC運(yùn)動并進(jìn)入圓環(huán)內(nèi)做圓周運(yùn)動。已知小球所受電場力是其重力的 ,圓環(huán)半徑為R,斜面傾角為=60,sBC=2R。若使小球在圓環(huán)內(nèi)能做完整的圓周運(yùn)動,h至少為多少?(sin

11、37=0.6,cos 37=0.8)-21-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三答案:7.7R 解析:小球所受的重力和電場力都為恒力,故可將兩力等效為一個(gè)力F,如圖所示?？芍狥=1.25mg,方向與豎直方向成37角。由圖可知,小球做完整的圓周運(yùn)動的臨界點(diǎn)是D點(diǎn),設(shè)小球恰好能通過D點(diǎn),即達(dá)到D點(diǎn)時(shí)圓環(huán)對小球的彈力恰好為零。由圓周運(yùn)動知識得-22-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三思維點(diǎn)撥(1)如果只有重力場,小球恰好做完整的圓周運(yùn)動,在最高點(diǎn)哪個(gè)力提供向心力?(2)在重力場和電場的復(fù)合場中,小球恰好做完整的圓周運(yùn)動,在“最高點(diǎn)”的受力情況怎樣?提示:重力提供向心力。 提示:重力和電場力的合力提供向心力。 -23-命題

12、點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三把握三點(diǎn),合理利用“等效法”解決問題1.把電場力和重力合成一個(gè)等效力,稱為等效重力。2.等效重力的反向延長線與圓軌跡的交點(diǎn)為帶電體在等效重力場中運(yùn)動的最高點(diǎn)。3.類比“繩球”“桿球”模型臨界值的情況進(jìn)行分析解答。-24-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練4.(多選)一帶正電的小球向右水平拋入范圍足夠大的勻強(qiáng)電場,電場方向水平向左。不計(jì)空氣阻力,則小球()A.做直線運(yùn)動B.做曲線運(yùn)動C.速率先減小后增大D.速率先增大后減小 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-25-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三5.(2017江西吉安模擬)如圖所示,一條長為L的細(xì)線上端固定,下端拴一個(gè)質(zhì)量為m、電

13、荷量為q的小球,將它置于方向水平向右的勻強(qiáng)電場中,使細(xì)線豎直拉直時(shí)將小球從A點(diǎn)靜止釋放,當(dāng)細(xì)線離開豎直位置偏角=60時(shí),小球速度為0。(1)求小球帶電性質(zhì)及電場強(qiáng)度E;(2)若小球恰好完成豎直圓周運(yùn)動,求從A點(diǎn)釋放小球時(shí)應(yīng)有的初速度vA的大小(可含根式)。-26-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三解析:(1)根據(jù)電場方向和小球受力分析可知小球帶正電。小球由A點(diǎn)釋放到速度等于零,由動能定理有0=EqLsin -mgL(1-cos )-27-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三(2)將小球的重力和電場力的合力作為小球的等效重力G,則 -28-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三應(yīng)用動力學(xué)知識和功能關(guān)系解決力電綜合問題應(yīng)用動力學(xué)知識

14、和功能關(guān)系解決力電綜合問題1.方法技巧功能關(guān)系在電學(xué)中應(yīng)用的題目,一般過程復(fù)雜且涉及多種性質(zhì)不同的力,因此,通過審題抓住受力分析和運(yùn)動過程分析是關(guān)鍵,然后根據(jù)不同的運(yùn)動過程中各力做功的特點(diǎn)來選擇相應(yīng)規(guī)律求解。動能定理和能量守恒定律在處理電場中能量問題時(shí)仍是首選。2.解題思路-29-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例3如圖所示,虛線PQ、MN間存在如圖所示的水平勻強(qiáng)電場,一帶電粒子質(zhì)量為m=2.010-11 kg、電荷量為q=+1.010-5 C,從a點(diǎn)由靜止開始經(jīng)電壓為U=100 V的電場加速后,垂直于勻強(qiáng)電場方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場中,從虛線MN上的某點(diǎn)b(圖中未畫出)離開勻強(qiáng)電場時(shí)速度與電場方向成30角。

15、已知PQ、MN間距離為20 cm,帶電粒子的重力忽略不計(jì)。求:(1)帶電粒子剛進(jìn)入勻強(qiáng)電場時(shí)的速度v1;(2)勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度大小;(3)a、b兩點(diǎn)間的電勢差。-30-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三答案:(1)104 m/s(2)1.73103 N/C (3)400 V (2)因帶電粒子重力不計(jì),則進(jìn)入PQ、MN間電場中后,做類平拋運(yùn)動,粒子沿初速度方向做勻速直線運(yùn)動,d=v1t粒子沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動v2=at由牛頓第二定律得qE=ma聯(lián)立以上相關(guān)各式并代入數(shù)據(jù)得聯(lián)立以上相關(guān)各式代入數(shù)據(jù)得Uab=400 V。 -31-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練6.(多選)(201

16、7福建臺州質(zhì)量評估)如圖所示,豎直平面內(nèi)的xOy坐標(biāo)系中,x軸上固定一個(gè)點(diǎn)電荷Q,y軸上固定一根光滑絕緣細(xì)桿(細(xì)桿的下端剛好在坐標(biāo)原點(diǎn)O處),將一個(gè)重力不計(jì)的帶電圓環(huán)(可視為質(zhì)點(diǎn))套在桿上,從P處由靜止釋放,圓環(huán)從O處離開細(xì)桿后恰好繞點(diǎn)電荷Q做勻速圓周運(yùn)動,則下列說法正確的是()A.圓環(huán)沿細(xì)桿從P運(yùn)動到O的過程中,加速度一直增大B.圓環(huán)沿細(xì)桿從P運(yùn)動到O的過程中,速度先增大后減小C.若只增大圓環(huán)所帶的電荷量,圓環(huán)離開細(xì)桿后仍能繞點(diǎn)電荷Q做勻速圓周運(yùn)動D.若將圓環(huán)從桿上P點(diǎn)上方由靜止釋放,其他條件不變,圓環(huán)離開細(xì)桿后不能繞點(diǎn)電荷Q做勻速圓周運(yùn)動 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-32-命題點(diǎn)一命題

17、點(diǎn)二命題點(diǎn)三7.(2018山東日照校際聯(lián)合期中)如圖所示,一內(nèi)壁光滑的絕緣圓管AB固定在豎直平面內(nèi)。圓管的圓心為O,D點(diǎn)為圓管的最低點(diǎn),AB兩點(diǎn)在同一水平線上,AB=2L,圓環(huán)的半徑為r= L(圓管的直徑忽略不計(jì)),過OD的虛線與過AB的虛線垂直相交于C點(diǎn)。在虛線AB的上方存在水平向右的、范圍足夠大的勻強(qiáng)電場;虛線AB的下方存在豎直向下的、范圍足夠大的勻強(qiáng)電場,電場強(qiáng)度大小等于 。圓心O正上方的P點(diǎn)有一質(zhì)量為m、電荷量為-q(q0)的絕緣小物體(視q為質(zhì)點(diǎn)),PC間距為L?，F(xiàn)將該小物體無初速釋放,經(jīng)過一段時(shí)間,小物體剛好沿切線無碰撞地進(jìn)入圓管內(nèi),并繼續(xù)運(yùn)動。重力加速度用g表示。-33-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三(1)虛線AB上方勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度為多大?(2)小物體從管口B離開后,經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動落到虛線AB上的N點(diǎn)(圖中未標(biāo)出N點(diǎn)),則N點(diǎn)距離C點(diǎn)多遠(yuǎn)?(3)小物體由P點(diǎn)運(yùn)動到N點(diǎn)的總時(shí)間為多少?-34-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三解析:(1)小物體無初速釋放后在重力、電場力的作用下做勻加速直線運(yùn)動,小物體剛好沿切線無碰撞地進(jìn)入圓管內(nèi),故小物體剛好沿PA連線運(yùn)動,重力與電場力的合力沿PA方向,又PC=AC=L,-35-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三-36-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三