(新高考)高考物理一轮复习课件第8章第4讲《带电粒子在电场中的偏转》(含解析).ppt

第八章静电场第4讲带电粒子在电场中的偏转目标要求1.掌握带电粒子在电场中的偏转规律.2.会分析带电粒子在电场中偏转的功能关系.内容索引考点一带电粒子在匀强电场中的偏转考点二带电粒子在重力场和电场复合场中的偏转课时精练考点三带电粒子在交变电场中的偏转考点一带电粒子在匀强电场中的偏转带电粒子在匀强电场中偏转的两个分运动(1)沿初速度方向做匀速直线运动，t (如图).(2)沿静电力方向做匀加速直线运动夯实必备知识基础梳理1.两个重要结论(1)不同的带电粒子从静止开始经过同一电场加速后再从同一偏转电场射出时，偏移量和偏转角总是相同的.提升关键能力方法技巧(2)粒子经电场偏转后射出，速度的反向延长线与初速度延长线的交点O为粒子水平位移的中点，即O到偏转电场边缘的距离为偏转极板长度的一半.2.功能关系当讨论带电粒子的末速度v时也可以从能量的角度进行求解：qUy mv2 mv02，其中Uy ，指初、末位置间的电势差.例1如图所示，矩形区域ABCD内存在竖直向下的匀强电场，两个带正电的粒子a和b以相同的水平速度射入电场，粒子a由顶点A射入，从BC的中点P射出，粒子b由AB的中点O射入，从顶点C射出.若不计重力，则a和b的比荷(带电荷量与质量的比值)之比是A.12 B.21 C.18 D.81考向1带电粒子在匀强电场中的偏转粒子在水平方向上做匀速直线运动，a、b两粒子的水平位移大小之比为12，根据xv0t，知时间之比为12.粒子在竖直方向上做匀加速直线运动，根据y at2，y之比为21，则a、b的加速度之比为81.根据牛顿第二定律知，加速度a ，加速度大小之比等于比荷之比，则两电荷的比荷之比为81，故D正确，A、B、C错误.例2如图所示，一电荷量为q的带电粒子以一定的初速度由P点射入匀强电场，入射方向与电场线垂直.粒子从Q点射出电场时，其速度方向与电场线成30角.已知匀强电场的宽度为d，方向竖直向上，P、Q两点间的电势差为U(U0)，不计粒子重力，P点的电势为零.则下列说法正确的是A.粒子带负电B.带电粒子在Q点的电势能为qUC.P、Q两点间的竖直距离为D.此匀强电场的电场强度为由题图可知，带电粒子的轨迹向上弯曲，则粒子受到的静电力方向竖直向上，与电场方向相同，所以该粒子带正电，故A错误；粒子从P点运动到Q点，静电力做正功，为WqU，则粒子的电势能减少了qU，P点的电势为零，可知带电粒子在Q点的电势能为qU，故B错误；例3如图所示，虚线左侧有一场强为E1E的匀强电场，在两条平行的虚线MN和PQ之间存在着宽为L，电场强度为E22E的匀强电场，在虚线PQ右侧相距为L处有一与电场E2平行的屏.现将一电子(电荷量e，质量为m)无初速度放入电场E1中的A点，最后打在右侧的屏上，AO连线与屏垂直，垂足为O，求：(1)电子从释放到打到屏上所用的时间；考向2带电粒子在组合场中的运动电子在电场E1中做初速度为零的匀加速直线运动，设加速度为a1，时间为t1，电子进入电场E2时的速度为：v1a1t1电子从释放到打到屏上所用的时间为：tt1t2(2)电子刚射出电场E2时的速度方向与AO连线夹角的正切值；答案2设粒子射出电场E2时平行电场方向的速度为vy，vya2t3解得：tan 2(3)电子打到屏上的点B到O点的距离.答案3L带电粒子在电场中的运动轨迹如图所示：设电子打到屏上的点B到O点的距离为x，联立得：x3L.考点二带电粒子在重力场和电场复合场中的偏转例4(2019全国卷24)空间存在一方向竖直向下的匀强电场，O、P是电场中的两点.从O点沿水平方向以不同速度先后发射两个质量均为m的小球A、B.A不带电，B的电荷量为q(q0).A从O点发射时的速度大小为v0，到达P点所用时间为t；B从O点到达P点所用时间为 .重力加速度为g，求：(1)电场强度的大小；设电场强度的大小为E，小球B运动的加速度为a.根据牛顿第二定律、运动学公式和题给条件，有mgqEma(2)B运动到P点时的动能.答案2m(v02g2t2)设B从O点发射时的速度为v1，到达P点时的动能为Ek，O、P两点的高度差为h，联立式得Ek2m(v02g2t2).例5(多选)在空间中水平面MN的下方存在竖直向下的匀强电场，质量为m的带电小球由MN上方的A点以一定初速度水平抛出，从B点进入电场，到达C点时速度方向恰好水平，A、B、C三点在同一直线上，且AB2BC，如图所示.重力加速度为g.由此可见A.带电小球所受静电力为3mgB.小球带正电C.小球从A到B与从B到C的运动时间相等D.小球从A到B与从B到C的速度变化量的大小相等带电小球从A到C，设在进入电场前后两个运动过程水平分位移分别为x1和x2，竖直分位移分别为y1和y2，经历的时间分别为t1和t2，在电场中的加速度为a，从A到B过程小球做平抛运动，则有x1v0t1，从B到C过程，有x2v0t2，由题意有x12x2，则得t12t2，即小球从A到B是从B到C运动时间的2倍，y1 gt12，将小球在电场中的运动看成沿相反方向的类平抛运动，则有y2 at22，根据几何知识有y1y2x1x2，解得a2g，根据牛顿第二定律得Fmgma2mg，解得F3mg，C错误，A正确；由于在电场中轨迹向上弯曲，加速度方向必定向上，合力向上，说明静电力方向向上，所以小球带负电，B错误；根据速度变化量vat，则得AB过程速度变化量大小为v1gt12gt2，BC过程速度变化量大小为v2at22gt2，所以小球从A到B与从B到C的速度变化量大小相等，D正确.考点三带电粒子在交变电场中的偏转1.带电粒子在交变电场中的运动，通常只讨论电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)的情形.当粒子垂直于交变电场方向射入时，沿初速度方向的分运动为匀速直线运动，沿电场方向的分运动具有周期性.2.研究带电粒子在交变电场中的运动，关键是根据电场变化的特点，利用牛顿第二定律正确地判断粒子的运动情况.根据电场的变化情况，分段求解带电粒子运动的末速度、位移等.3.注重全面分析(分析受力特点和运动规律)：抓住粒子运动时间上的周期性和空间上的对称性，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临界条件.4.对于锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场，若粒子穿过板间的时间极短，带电粒子穿过电场时可认为是在匀强电场中运动.例6图甲是一对长度为L的平行金属板，板间存在如图乙所示的随时间周期性变化的电场，电场方向与两板垂直.在t0时刻，一带电粒子沿板间的中线OO垂直电场方向射入电场，2t0时刻粒子刚好沿下极板右边缘射出电场.不计粒子重力.则A.粒子带负电B.粒子在平行板间一直做曲线运动C.粒子射入电场时的速度大小为D.若粒子射入电场时的速度减为一半，射出电场时的速度垂直于电场方向粒子向下偏转，可知粒子带正电，选项A错误；粒子在平行板间在0t0时间内做曲线运动；在t02t0时间内不受任何力，则做直线运动，选项B错误；粒子在水平方向一直做匀速运动，可知射入电场时的速度大小为v0 ，选项C正确；若粒子射入电场时的速度减为一半，由于粒子在电场中受向下的静电力，有向下的加速度，射出电场时有沿电场方向的速度，则射出电场时的速度不可能垂直于电场方向，选项D错误.例7在图甲所示的极板A、B间加上如图乙所示的大小不变、方向周期性变化的交变电压，其周期为T，现有一电子以平行于极板的速度v0从两板中央OO射入.已知电子的质量为m，电荷量为e，不计电子的重力，问：(1)若电子从t0时刻射入，在半个周期内恰好能从A板的边缘飞出，则电子飞出时速度的大小为多少？答案见解析(2)若电子从t0时刻射入，恰能平行于极板飞出，则极板至少为多长？答案见解析t0时刻射入的电子，在垂直于极板方向上做匀加速运动，向A极板方向偏转，半个周期后电场方向反向，电子在该方向上做匀减速运动，再经过半个周期，电子在电场方向上的速度减小到零，此时的速度等于初速度v0，方向平行于极板，以后继续重复这样的运动；要使电子恰能平行于极板飞出，则电子在OO方向上至少运动一个周期，故极板长至少为Lv0T.(3)若电子恰能从OO平行于极板飞出，电子应从哪一时刻射入？两极板间距至少为多大？答案见解析若要使电子从OO平行于极板飞出，则电子在电场方向上应先加速、再减速，反向加速、再减速，每阶段时间相同，一个周期后恰好回到OO上，可见应在t (k0,1,2，)时射入，极板间距离要满足电子在加速、减速阶段不打到极板上，设两板间距为d，由牛顿第二定律有a ，加速阶段运动的距离课时精练必备基础练1.(多选)如图所示，一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场，电场方向水平向左.不计空气阻力，则小球A.做直线运动B.做曲线运动C.速率先减小后增大D.速率先增大后减小12345678910111213对小球受力分析，小球受重力、静电力作用，合外力的方向与初速度的方向不在同一条直线上，故小球做曲线运动，故A错误，B正确；在运动的过程中合外力方向与速度方向间的夹角先为钝角后为锐角，故合外力对小球先做负功后做正功，所以速率先减小后增大，选项C正确，D错误.123456789101112132.(多选)如图，竖直放置的平行金属板带等量异种电荷，一不计重力的带电粒子从两板中间以某一初速度平行于两板射入，打在负极板的中点，以下判断正确的是A.该带电粒子带正电B.该带电粒子带负电C.若粒子初速度增大到原来的2倍，则恰能从负极板边缘射出D.若粒子初动能增大到原来的2倍，则恰能从负极板边缘射出12345678910111213粒子向右偏转，故粒子受向右的静电力，所以粒子带正电，选项A正确，B错误；若粒子初速度增大到原来的2倍，由于水平方向的加速度不变，可知粒子运动时间不变，由xvt可知竖直位移变为2倍，则恰能从负极板边缘射出，选项C正确，D错误.123456789101112133.如图所示，平行板电容器上极板带正电，从上极板的端点A点释放一个带电荷量为Q(Q0)的粒子，粒子重力不计，以水平初速度v0向右射出，当它的水平速度与竖直速度的大小之比为12时，恰好从下端点B射出，则d与L之比为A.12 B.21C.11 D.1312345678910111213设粒子从A到B的时间为t，粒子在B点时，竖直方向的分速度为vy，由类平抛运动的规律可得Lv0t，d，又v0vy12，可得dL11，选项C正确.123456789101112134.(多选)(2021全国乙卷20)四个带电粒子的电荷量和质量分别为(q，m)、(q,2m)、(3q,3m)、(q，m)，它们先后以相同的速度从坐标原点沿x轴正方向射入一匀强电场中，电场方向与y轴平行.不计重力，下列描绘这四个粒子运动轨迹的图像中，可能正确的是12345678910111213带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，加速度为a，由类平抛运动规律可知，带电粒子在电场中运动时间为t，离开电场时，带电粒子的偏转角的正切值为tan，因为四个带电的粒子的初速度相同，电场强度相同，水平位移相同，所以偏转角只与比荷有关，(q，m)粒子与(3q,3m)粒子的比荷相同，所以偏转角相同，轨迹相同，且与(q，m)粒子的比荷也相同，所以(q，m)、(3q，m)、(q，m)三个粒子偏转角相同，但(q，m)粒子与上述两个粒子的偏转角方向相反，(q,2m)粒子的比荷比(q，m)、(3q,3m)粒子的比荷小，所以(q,2m)粒子比(q，m)(3q，3m)粒子的偏转角小，但都带正电，偏转方向相同，故A、D正确，B、C错误.123456789101112135.(多选)质子和粒子(氦核)分别从静止开始经同一加速电压U1加速后，垂直于电场方向进入同一偏转电场，偏转电场电压为U2.两种粒子都能从偏转电场射出并打在荧光屏MN上，粒子进入偏转电场时速度方向正对荧光屏中心O点.下列关于两种粒子运动的说法正确的是A.两种粒子会打在屏MN上的同一点B.两种粒子不会打在屏MN上的同一点，质子离O点较远C.两种粒子离开偏转电场时具有相同的动能D.两种粒子离开偏转电场时具有不同的动能，粒子的动能较大1234567891011121。