人教版新高考物理一轮总复习--　带电粒子在电场中运动的综合问题课件PPT

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第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
1.分析方法: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.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。
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,用能量观点处理也常常显得简洁。具体方法常有如下两种。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= ΔEk 列出方程求解。
2.用包括电势能和内能在内的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)利用某些能量的减少等于另一些能量的增加(即ΔE=ΔE')列方程。
追本溯源请判断下列表述是否正确。(1)若带电粒子只在静电力作用下运动,其动能和电势能之和保持不变。( )(2)若带电粒子只在重力和静电力作用下运动,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。( )
1.思考判断(1)我们在分析带电粒子在电场中运动时只能应用牛顿运动定律与运动学公式。( )(2)带电粒子在电场中运动,机械能一定不守恒。( )(3)带电粒子在匀强电场中可以做匀加速直线运动。( )
2.如图甲所示,两极板间加上如图乙所示的交变电压。开始时A板的电势比B板高,此时两板中间原来静止的电子在静电力作用下开始运动。设电子在运动中不与极板发生碰撞,向A板运动时为速度的正方向,则下列图像中能正确反映电子速度变化规律的是(其中C、D两项中的图线按正弦函数规律变化)( )
整合构建1.常见的交变电场常见的产生交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等。2.常见的题目类型(1)粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解)。(2)粒子做往返运动(一般分段研究)。(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场特点分段研究)。
3.思维方法(1)注重全面分析(分析受力特点和运动规律):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。(2)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)注意对称性和周期性变化关系的应用。
考向1 带电粒子在交变电场中的直线运动【典例1】 (多选)在绝缘水平桌面(桌面足够大)上方充满平行于桌面的电场,其电场强度E随时间t的变化关系如图甲所示,小物块电荷量为q=+1×10-4 C,将其放在该水平桌面上并由静止释放,小物块速度v与时间t的关系如图乙所示,重力加速度g取10 m/s2,则下列说法正确的是( ) A.物块在4 s内位移是6 mB.物块的质量是2 kgC.物块与水平桌面间动摩擦因数是0.2D.物块在4 s内电势能减少了18 J思维点拨结合E-t图像及v-t图像分析出小物块的受力情况及运动情况,得出结论。
考向2 带电粒子在电场中的偏转【典例2】 (多选)如图甲所示,两水平金属板间距为d,板间电场强度的变化规律如图乙所示。t=0时刻,质量为m的带电微粒以初速度v0沿中线射入两板间, 时间内微粒匀速运动,T时刻微粒恰好经金属框边缘飞出。微粒运动过程中未与金属板接触。重力加速度的大小为g。关于微粒在0~T时间内运动的描述,正确的是( )
考向3 将交变电场看成匀强电场问题【典例3】 如图甲所示,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l=2d,偏转电场的下极板接地,偏转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)
(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。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。
(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
训练突破1.(多选)如图甲所示,平行板相距为d,在两金属板间加一如图乙所示的交变电压,有一个粒子源在平行板左边界中点处沿垂直电场方向连续发射速度相同的带正电粒子(不计重力)。t=0时刻进入电场的粒子恰好在t=T时刻到达B板右边缘,则( )
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)重力和静电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.把静电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。
(2)设小球运动到C点的速度为vC,小球从A点到C点由动能定理得
当小球离开C点后,在竖直方向做自由落体运动,水平方向做匀加速直线运动,设C点到D点的运动时间为t,水平方向的加速度为 a,B点到D点的水平距离为x
整合构建1.方法技巧在电学中应用动量关系和能量关系的题目,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。
3.应用规律(1)力学规律。①动力学规律:牛顿运动定律结合运动学公式。②能量规律:动能定理或能量守恒定律。③动量规律:动量定理或动量守恒定律。(2)电场规律。①静电力的特点:F=Eq,正电荷受到的静电力与电场强度方向相同。②静电力做功的特点:WAB=FlABcs θ=qUAB=EpA-EpB。
【典例5】 如图所示,LMN是竖直平面内固定的光滑绝缘轨道,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。 (1)求A球刚进入水平轨道的速度大小。(2)求A、B两球相距最近时,A、B两球系统的电势能Ep。(3)求A、B两球最终的速度vA、vB的大小。
思维点拨分析解答本题的关键点:①光滑绝缘轨道;②A、B两球间相互作用视为静电作用;③A、B两球始终没有接触。
(3)当两球相距最近之后,在静电斥力的作用下相互远离,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
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。
训练突破3.(2020·山东青岛模拟)如图所示,水平地面上方存在水平向左的匀强电场,一质量为m的带电小球(大小可忽略)用轻质绝缘细线悬挂于O点,小球电荷量为+q,静止时距地面的高度为h,细线与竖直方向的夹角α=37°,重力加速度为g,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8。(1)求匀强电场的电场强度大小E。(2)将细线剪断,求小球落地过程中水平位移的大小。(3)将细线剪断,求带电小球落地前瞬间的动能。