2019-2020年高考物理 考前30天之備戰(zhàn)沖刺押題系列Ⅱ 專題9 帶電粒子在電場中的運(yùn)動.doc

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2019-2020年高考物理 考前30天之備戰(zhàn)沖刺押題系列Ⅱ 專題9 帶電粒子在電場中的運(yùn)動 一、重要地位： 二、突破策略： 帶電微粒在電場中運(yùn)動是電場知識和力學(xué)知識的結(jié)合，分析方法和力學(xué)的分析方法是基本相同的：先受力分析，再分析運(yùn)動過程，選擇恰當(dāng)物理規(guī)律解題。處理問題所需的知識都在電場和力學(xué)中學(xué)習(xí)過了，關(guān)鍵是怎樣把學(xué)過的知識有機(jī)地組織起來，這就需要有較強(qiáng)的分析與綜合的能力，為有效突破難點(diǎn)，學(xué)習(xí)中應(yīng)重視以下幾方面： ：電子在不很強(qiáng)的勻強(qiáng)電場中，它所受的電場力也遠(yuǎn)大于它所受的重力——qE>>meg。所以在處理微觀帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動的問題時，一般都可忽略重力的影響。 但是要特別注意：有時研究的問題不是微觀帶電粒子，而是宏觀帶電物體，那就不允許忽略重力影響了。例如：一個質(zhì)量為1毫克的宏觀顆粒，變換單位后是110-6千克，它所受的重力約為mg=110-610=110-5（牛），有可能比它所受的電場力還大，因此就不能再忽略重力的影響了。 2．加強(qiáng)力學(xué)知識與規(guī)律公式的基礎(chǔ)教學(xué)，循序漸進(jìn)的引入到帶電粒子在電場中的運(yùn)動，注意揭示相關(guān)知識的區(qū)別和聯(lián)系。 3．注重帶電粒子在電場中運(yùn)動的過程分析與運(yùn)動性質(zhì)分析（平衡、加速或減速、軌跡是直線還是曲線），注意從力學(xué)思路和能量思路考慮問題，且兩條思路并重；同時選擇好解決問題的物理知識和規(guī)律。 4．強(qiáng)化物理條件意識，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具（如，拋物線方程、直線方程、反比例函數(shù)等）加以分析求解。 （一）帶電粒子的加速 1.運(yùn)動狀態(tài)分析 帶電粒子沿與電場線平行的方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場，受到的電場力與運(yùn)動方向在同一直線上，做加速（或減速）直線運(yùn)動。 【審題】本題是帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的加速問題，物理過程是電場力做正功，電勢能減少，動能增加，利用動能定理便可解決。 【解析】帶電粒子在運(yùn)動過程中，電場力所做的功W=qU。設(shè)帶電粒子到達(dá)負(fù)極板時的動能EK=mv2， 由動能定理qU=mv2 得：v= 【總結(jié)】上式是從勻強(qiáng)電場中推出來的，若兩極板是其他形狀，中間的電場不是勻強(qiáng)電場，上式同樣適用。 例2：下列粒子從初速度為零的狀態(tài)經(jīng)過加速電壓為U的電場之后，哪種粒子的速度最大？ （A）a粒子 （B）氚核 （C）質(zhì)子 （D）鈉離子 【解析】 1． 根據(jù)可以導(dǎo)出下式： 【總結(jié)】本題關(guān)鍵是正確使用動能定理，正確得出速度的表達(dá)式，由表達(dá)式加以討論，進(jìn)而得出正確選項。 【審題】本題需要正確識別圖像，由圖像提供的信息分析帶電粒子在電場中的受力，由受力情況得出粒子的運(yùn)動情況，選擇正確的物理規(guī)律進(jìn)行求解。 【解析】 電場強(qiáng)度E = 帶電粒子所受電場力，F(xiàn)=ma 粒子在0時間內(nèi)走過的距離為m 故帶電粒在在時恰好到達(dá)A板 根據(jù)動量定理，此時粒子動量 kgm/s 帶電粒子在向A板做勻加速運(yùn)動，在向A板做勻減速運(yùn)動，速度減為零后將返回，粒子向A板運(yùn)動的可能最大位移 要求粒子不能到達(dá)A板，有s < d 由，電勢頻率變化應(yīng)滿足 HZ 圖8-4 例4：如圖8-4所示，一束帶電粒子（不計重力），垂直電場線方向進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，試討論在以下情況下，粒子應(yīng)具備什么條件才能得到相同的偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度φ（U、d、L保持不變）。 （1）進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場的速度相同； （2）進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場的動能相同； （3）進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場的動量相同； （4）先由同一加速電場加速后，再進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場。 【審題】本題是典型的帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)問題，是一個類平拋運(yùn)動，關(guān)鍵是正確推出偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度φ的表達(dá)式，根據(jù)題目給出的初始條件得出正確選項。 (四)示波管原理 1．構(gòu)造及功能 如圖8-5所示 圖8-2 （１）電子槍：發(fā)射并加速電子． （２）偏轉(zhuǎn)電極ＹＹ＇：使電子束豎直偏轉(zhuǎn)（加信號電壓） 偏轉(zhuǎn)電極ＸＸ＇：使電子束水平偏轉(zhuǎn)（加掃描電壓） （3）熒光屏． 例5：如圖8-6所示，是一個示波管工作原理圖，電子經(jīng)加速以后以速度V0垂直進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，離開電場時偏轉(zhuǎn)量是h，兩平行板間的距離為d，電勢差為U，板長為L.每單位電壓引起的偏移量（h/U）叫做示波管的靈敏度，為了提高靈敏度，可采用下列哪些辦法？ （ ） 圖8-6 A. 增大兩板間的電勢差U B. 盡可能使板長L做得短些 C. 盡可能使兩板間距離d減小些 D. 使電子入射速度V0大些 【審題】本題物理過程與例題4相同，也是帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題，與示波管結(jié)合在一起，同時題目當(dāng)中提到了示波管的靈敏度這樣一個新物理量，只要仔細(xì)分析不難得出正確結(jié)論。 【解析】 豎直方向上電子做勻加速運(yùn)動，故有 h=at2=,則可知，只有C選項正確. 【總結(jié)】本題是理論聯(lián)系實(shí)際的題目，同時題目中提出了示波管靈敏度這一新概念，首先需要搞清這一新概念，然后應(yīng)用牛頓第二定律及運(yùn)動學(xué)公式加以求解。 【解析】 （１）設(shè)粒子在Ａ點(diǎn)射入，則Ａ點(diǎn)的軌跡切線方向就是粒子q的初速v0的方向（如圖8-7乙）。由于粒子q向偏離Ｑ的方向偏轉(zhuǎn)，因此粒子q受到Ｑ的作用力是排斥力，故Ｑ與q的電性相同，即Ｑ帶負(fù)電。 （２）因負(fù)電荷Ｑ的電場線是由無窮遠(yuǎn)指向Ｑ的，因此φＡ=φC>φＢ。 （3）由電場線的疏密分布（或由E=kQ/r2）得EA=ECEkB。 【總結(jié)】 該種類型的題目分析方法是：先畫出入射點(diǎn)軌跡的切線，即畫出初速度v0的方向，再根據(jù)軌跡的彎曲方向，確定電場力的方向，進(jìn)而利用力學(xué)分析方法來分析其它有關(guān)的問題。 例7： 在圖8-8中a、b和c表示點(diǎn)電荷a的電場中的三個等勢面，它們的電勢分別為U、U、U。一帶電粒子從等勢面a上某處由靜止釋放后，僅受電場力作用而運(yùn)動，已知它經(jīng)過等勢面b時的速率為v，則它經(jīng)過等勢面c的速率為 。 【解析】 設(shè)：帶電粒子的電量為q；a、b兩等勢面的電勢差為Uab，b、c兩等勢面的電勢差Ubc；帶電粒子經(jīng)過等勢面a、b、c時的速率分別為Va、Vb、Vc。（已知：Va=0，Vb=v） 則： ① ② 將①、②兩式相除可得： ③ 將、、、代入③式： 所以，帶電粒子經(jīng)過等勢面c的速度為1.5v。 【總結(jié)】帶電粒子在非勻強(qiáng)電場中運(yùn)動牽扯到動能變化時通常用動能定理求解比較方便，在分析問題時分清物理過程是非常關(guān)鍵的。 對微粒，有（以向上為正）： Qu2/d -mg=ma2 所以U2=m（g+a2）d/q=240V 要使帶電微粒能穿出極板，則兩極板間的電壓U應(yīng)滿足：U1＜U＜U2， 即：６０Ｖ＜U＜２４０Ｖ 圖8-10 【總結(jié)】若帶電微粒除受電場力作用外，還受到重力或其它恒力作用，同樣要分解成兩個不同方向的簡單的直線運(yùn)動來處理。 例9：如圖8-10所示，水平放置的A、B兩平行板相距h，有一質(zhì)量為m，帶電量為+q的小球在B板之下H處以v0初速度豎直向上進(jìn)入兩板間，欲使小球恰好打到A處，試討論A、B板間的電勢差是多少？ 【總結(jié)】本題在求解過程中可分段使用牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式，也可分段使用動能定理或全過程使用動能定理，但全過程使用動能定理簡單。 圖8-11 例10：如圖8-11所示：在方向水平向右的勻強(qiáng)電場中，一不可伸長的不導(dǎo)電細(xì)線的一端連著一個質(zhì)量為m的帶正電的小球，另一端固定于O點(diǎn)。把小球拉起至細(xì)線與場強(qiáng)平行，然后無初速解放。已知小球擺到最低點(diǎn)的另一側(cè)，線與豎直方向的最大夾角為θ。求：小球經(jīng)過最低點(diǎn)時細(xì)線對小球的拉力。 【審題】 【解析】 ① ② ③ 由②式可以導(dǎo)出： ④ 【總結(jié)】圓周運(yùn)動是高中物理重點(diǎn)研究的曲線運(yùn)動，電場中的圓周運(yùn)動也是近年高考命題的熱點(diǎn)，解決這類問題的基本方法和力學(xué)中的情形相同，不同的是還要考慮電場力的特點(diǎn)。涉及勻強(qiáng)電場中的圓周運(yùn)動問題時，具體計算做功值時，要充分利用電場力、重力做功與路徑無關(guān)的性質(zhì)求解，分別求每個分力的功比求合力的功簡單。 【審題】顆粒在電場中受電場力和重力的作用，在豎直方向上的分運(yùn)動為自由落體運(yùn)動，下落距離為極板高度L，顆粒沿水平方向的分運(yùn)動為勻加速直線運(yùn)動，離開電場時顆粒在水平方向為勻變速直線運(yùn)動規(guī)律，利用運(yùn)動學(xué)公式和牛頓運(yùn)動定律以及動能定理求解。 【總結(jié)】本題是靜電分選器的原理的題目，與實(shí)際聯(lián)系密切。顆粒在電場中的做的是初速為零的勻加速直線運(yùn)動，出電場后做勻變速曲線運(yùn)動，應(yīng)用牛頓第二定律及運(yùn)動學(xué)公式求出兩板之間的電壓，全程使用動能定理求出顆粒落至桶底的速度。 （七）創(chuàng)新思維問題 圖8-13 例12：(2003上海)為研究靜電除塵，有人設(shè)計了一個盒狀容器，容器側(cè)面是絕緣的透明有機(jī)玻璃，它的上下底面是面積A=0.04m2的金屬板，間距L=0.05m，當(dāng)連接到U=2500v的高壓電源正負(fù)兩極時，能在兩金屬板間產(chǎn)生一個勻強(qiáng)電場，如圖8-13所示?，F(xiàn)把一定量均勻分布的煙塵顆粒密閉在容器內(nèi)，每立方米有煙塵顆粒1013個，假設(shè)這些顆粒都處于靜止?fàn)顟B(tài)，每個顆粒帶電量為q=+1.010-17c，質(zhì)量為m=2.010-15kg，不考慮煙塵顆粒之間的相互作用和空氣阻力，并忽略煙塵顆粒所受重力。求合上電鍵后： (1)經(jīng)過多少時間煙塵顆?？梢员蝗课眨? (2)除塵過程中電場對煙塵顆粒共做了多少功？ (3)經(jīng)過多長時間容器中煙塵顆粒的總動能達(dá)到最大？ 【總結(jié)】本題是帶電粒子在電場中運(yùn)動具體應(yīng)用的典型實(shí)例，特別是第二問中把煙塵看成集中于板間中間位置的抽象法，把分散的集中來處理的辦法在物理中也是常用的。如物體的重力看成作用在重心上等，本題充分體現(xiàn)了這種把具體問題理想化的做法在解決物理問題中的技巧，體現(xiàn)了運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題的重要性和特殊的處理辦法。