2019高考物理一轮复习 第九章 磁场 第3讲 带电粒子在复合场中的运动学案

1、第3讲带电粒子在复合场中的运动【基础梳理】一、带电粒子在复合场中的运动1复合场的分类(1)叠加场：电场、磁场、重力场在同一区域共存，或其中某两场共存(2)组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，或在同一区域，电场、磁场交替出现2带电粒子在复合场中的运动分类(1)静止或匀速直线运动：当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动(2)匀速圆周运动：当带电粒子所受的重力与电场力大小相等、方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动(3)非匀变速曲线运动：当带电粒子所受的合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上时，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线二、带电粒子在复合场中运动的应用实例1质谱仪(1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成(2)原理：粒子由静止在加速电场中被加速，根据动能定理可得关系式qUmv_2粒子在磁场中受洛伦兹力偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvBm.由以上两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷r_，m，2速度选择器(

2、如图所示)(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qEqvB，即v.3回旋加速器(1)组成：如图所示，两个D形盒(静电屏蔽作用)，大型电磁铁，高频振荡交变电压，两缝间可形成电场(2)作用：电场用来对粒子(质子、粒子等)加速，磁场用来使粒子回旋从而能反复加速(3)加速原理回旋加速器中所加交变电压的频率f与带电粒子做匀速圆周运动的频率相等，f；回旋加速器最后使粒子得到的能量，可由公式Ekmv2来计算，在粒子电荷量、质量m和磁感应强度B一定的情况下，回旋加速器的半径R越大，粒子的能量就越大粒子最终得到的能量与加速电压的大小无关电压大，粒子在盒中回旋的次数少；电压小，粒子回旋次数多，但最后获得的能量一定4磁流体发电机(1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能(2)根据左手定则，如图中的B是发电机正极(3)磁流体发电机两极板间的距离为L，等离子体速度为v，磁场的磁感应强度为B，则由qEqqvB得两极板间能达到的最大电势差UBLv5电磁流量计工作原理：如图所示，圆形导管

3、直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)，在洛伦兹力的作用下发生偏转，a、b间出现电势差，形成电场，当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即：qvBqEq，所以v，因此液体流量QSv【自我诊断】判一判(1)带电粒子在匀强磁场中只受洛伦兹力和重力时，不可能做匀加速直线运动()(2)带电粒子在复合场中不可能处于静止状态()(3)带电粒子在复合场中不可能做匀速圆周运动()(4)不同比荷的粒子在质谱仪磁场中做匀速圆周运动的半径不同()(5)粒子在回旋加速器中做圆周运动的半径、周期都随粒子速度的增大而增大()(6)在速度选择器中做匀速直线运动的粒子的比荷可能不同()提示：(1)(2)(3)(4)(5)(6)做一做(2018江苏常州高级中学高三月考)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示设D形盒半径为R.若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高

4、频交流电频率为f.则下列说法正确的是()A质子被加速后的最大速度不可能超过2fRB质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小有关C高频电源只能使用矩形交变电流，不能使用正弦式交变电流D不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速粒子提示：选A.由T，T，可得质子被加速后的最大速度为2fR，其不可能超过2fR，质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关，选项A正确、B错误；高频电源可以使用正弦式交变电流，选项C错误；要加速粒子，高频交流电周期必须变为粒子在其中做圆周运动的周期，即T，故D错误洛伦兹力在科技中的应用学生用书P186【知识提炼】常见科学仪器的原理装置原理图规律速度选择器若qv0BEq，即v0，粒子做匀速直线运动磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电荷，两极板间电压为U时稳定，qqv0B，Uv0Bd霍尔效应电流方向与匀强磁场方向垂直的载流导体，在与电流、磁场方向均平行的表面上出现电势差霍尔电势差，其值Uk(k为霍尔系数)电磁流量计qqvB，所以v，所以QvS续表装置原理图规律质谱仪带电粒子经U加速，从A孔入射经偏转打到P点，qUmv，得v0.APd2r.比荷

5、回旋加速器D形盒分别接在频率为f的高频交流电源两极，带电粒子被窄缝间电场加速，在D形盒内偏转【典题例析】(2016高考全国卷)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍此离子和质子的质量比值约为()A11B12C121 D144审题指导若两粒子经磁场偏转后仍从同一出口离开，则意味着其运动半径相等，由磁场中运动半径公式代入求解即可解析设加速电压为U，质子做匀速圆周运动的半径为r，原来磁场的磁感应强度为B，质子质量为m，一价正离子质量为M.质子在入口处从静止开始加速，由动能定理得，eUmv，质子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，ev1Bm；一价正离子在入口处从静止开始加速，由动能定理得，eUMv，该正离子在磁感应强度为12B的匀强磁场中做匀速圆周运动，轨迹半径仍为r，洛伦兹力提供向心力，ev212BM；联立解得Mm1441，选项D正确答案D【迁移题

6、组】迁移1电磁流量计的应用1.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示由于血液中的正、负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 V，磁感应强度的大小为0.040 T则血流速度的近似值和电极a、b的正、负为()A1.3 m/s，a正、b负B2.7 m/s，a正、b负C1.3 m/s，a负、b正D2.7 m/s，a负、b正解析：选A.由左手定则可判定正离子向上运动，负离子向下运动，所以a正、b负，达到平衡时离子所受洛伦兹力与电场力平衡，所以有：qvBq，代入数据解得v1.3 m/s，故选A.迁移2磁流体发电机的应用2.(多选)如图所示为磁流体发电机的原理图金属板M、N之间的距离为d20 cm，磁场的磁感应强度大小为B5 T

7、，方向垂直纸面向里现将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，整体呈中性)从左侧喷射入磁场，发现在M、N两板间接入的额定功率为P100 W的灯泡正常发光，且此时灯泡电阻为R100 ，不计离子重力和发电机内阻，且认为离子均为一价离子，则下列说法中正确的是()A金属板M上聚集负电荷，金属板N上聚集正电荷B该发电机的电动势为100 VC离子从左侧喷射入磁场的初速度大小为103 m/sD每秒钟有6.251018个离子打在金属板N上解析：选BD.由左手定则可知，射入的等离子体中正离子将向金属板M偏转，负离子将向金属板N偏转，选项A错误；由于不考虑发电机的内阻，由闭合电路欧姆定律可知，电源的电动势等于电源的路端电压，所以EU100 V，选项B正确；由Bqvq可得v100 m/s，选项C错误；每秒钟经过灯泡L的电荷量QIt，而I1 A，所以Q1 C，由于离子为一价离子，所以每秒钟打在金属板N上的离子个数为n6.251018(个)，选项D正确迁移3霍尔效应的分析3.(2018浙江嘉兴一中高三测试)如图所示，X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2分别表示导体板左、右，上、下，前、后六

8、个侧面，将其置于垂直Z1、Z2面向外、磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流I通过导体板时，在导体板的两侧面之间产生霍尔电压UH.已知电流I与导体单位体积内的自由电子数n、电子电荷量e、导体横截面积S和电子定向移动速度v之间的关系为IneSv.实验中导体板尺寸、电流I和磁感应强度B保持不变，下列说法正确的是()A导体内自由电子只受洛伦兹力作用BUH存在于导体的Z1、Z2两面之间C单位体积内的自由电子数n越大，UH越小D通过测量UH，可用R求得导体X1、X2两面间的电阻解析：选C.由于磁场的作用，电子受洛伦兹力，向Y2面聚集，在Y1、Y2平面之间累积电荷，在Y1、Y2之间产生了匀强电场，故电子也受电场力，故A错误；电子受洛伦兹力，向Y2面聚集，在Y1、Y2平面之间累积电荷，在Y1、Y2之间产生了电势差UH，故B错误；电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，有：qvBqE，其中：E(d为Y1、Y2平面之间的距离)根据题意，有：IneSv，联立得到：UHBvdBd，故单位体积内的自由电子数n越大，UH越小，故C正确；由于UHBd，与导体的电阻无关，故D错误迁移4回旋加速器的应用4(2016高考浙江卷)为了进一步提高回旋加速器的能量，科学家建造了“扇形聚焦回旋加速器”在扇形聚焦过程中，离子能以不变的速率在闭合平衡轨道上周期性旋转扇形聚焦磁场分布的简化图如图所示，圆心为O的圆形区域等分成六个扇形区域，其中三个为峰区，三个为谷区，峰区和谷区相间分布峰区内存在方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，谷区内没有磁场质量为m，电荷量为q的正离子，以不变的速率v旋转，其闭合平衡轨道如图中虚线所示(1)求闭合平衡轨道在峰区内圆弧的半径r，并判断离子旋转的方向是顺时针还是逆时针；(2)求轨道在一个峰区内圆弧的圆心角，及离子绕闭合平衡轨道旋转的周期T；(3)在谷区也施加垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，新的闭合平衡轨道在一个峰区内的圆心角变为90，求B和B的关系已知：sin ()sin cos cos sin ，cos 12sin2.解析：(1)峰区内圆弧半径r旋转方向为逆时针(2)由对称性，峰区内圆弧的圆心角每个圆弧的长度l每段直线长度L2rcos r周期T代入得T.

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