第一篇：北京名校名师高三物理电学复习教案6、带电粒子在洛仑兹力作用下的运动
六、带电粒子在洛仑兹力作用下的运动
教学目标
1．使学生掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的规律． 2．培养学生应用平面几何知识解决物理问题的能力． 3．进行理论联系实际的思想教育． 教学重点、难点分析
1．如何确定圆运动的圆心和轨迹． 2．如何运用数学工具解决物理问题． 教学过程设计 教师活动
一、带电粒子在匀强磁场中运动规律 初速度力的特点运动规律 v=0f洛=0静止
V//Bf洛=0匀速直线运动 V⊥Bf洛=Bqv匀速圆周运动
v与B成θ角f洛=Bqv⊥。等距螺旋（0＜θ＜90°）学生活动
（由学生来填写内容）
匀强磁场，求以下几种情况下，它们轨道半径之比及周期之比各是多少？（1）以相同速率射入磁场；（2）以相同动量射入磁场；（3）以相同动能射入磁场．
解：因为带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，所以
（1）因为三粒子速率相同，所以
（2）因为三粒子动量相同，所以
（3）因为三粒子初动能相同，所以
通过例题1复习基本规律．由学生完成，注意公式变换．
二、解题思路及方法 圆运动的圆心的确定：
1．利用洛仑兹力的方向永远指向圆心的特点，只要找到圆运动两个点上的洛仑兹力的方向，其延长线的交点必为圆心．
2．利用圆上弦的中垂线必过圆心的特点找圆心
[例2]如图3-6-1所示，abcd为绝缘挡板围成的正方形区域，其边长为L，在这个区域内存在着磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场．正、负电子分别从ab挡板中点K，沿垂直挡板ab方向射入场中，其质量为m，电量为e．若从d、P两点都有粒子射出，则正、负电子的入射速度分别为多少？（其中bP=L/4）
问题1由老师带着学生做．做题过程中要特别注意分析圆心是怎样确定的，利用哪个三角形解题．
提问：
1．怎样确定圆心？ 2．利用哪个三角形求解？ 学生自己求解．
把学生的解题过程和草图在实物展示台上展示、讲评．
（1）分析：若为正电子，则初态洛仑兹力方向为竖直向上，该正电子将向上偏转且由d点射出．Kd线段为圆轨迹上的一条弦，其中垂线与洛仑兹力方向延长线交点必为圆心，设该点为O1．其轨迹为小于1/4的圆弧．
解：如图3-6-2所示，设圆运动半径为R1，则O1K=O1d=R1 由Rt△O1da可知：
（2）解：若为负电子，初态洛仑兹力方向竖直向下，该电子将向下偏转由P点射出，KP为圆轨迹上的一条弦，其中垂线与洛仑兹力方向的交点必为圆心，设该点为O2，其轨迹为大于1/4圆弧．（如图3-6-2所示）
由Rt△KbP可知：
[例3]一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图3-6-3所示第一象限的区域．为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场．若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径．重力忽略不计．
提问：
1．带电质点的圆运动半径多大？
2．带电质点在磁场中的运动轨迹有什么特点？
3．在xy平面内什么位置加一个圆形磁场可使带电质点按题意运动？其中有什么样特点的圆形磁场为半径最小的磁场？常见错误：
加以aM和bN连线交点为圆心的圆形磁场，其圆形磁场最小半径为R． 分析：带电质点在磁场中做匀速圆周运动，其半径为
因为带电质点在a、b两点速度方向垂直，所以带电质点在磁场中运动轨迹为1/4圆弧，O1为其圆心，如图3-6-4所示MN圆弧．
在xy平面内加以MN连线为弦，且包含MN圆弧的所有圆形磁场均可使带电质点完成题意运动．其中以MN连线为半径的磁场为最小圆形磁场．
解：设圆形磁场的圆心为O2点，半径为r，则由图知：
小结：这是一个需要逆向思维的问题，同时考查了空间想象能力，即已知粒子运动轨迹，求所加圆形磁场的位置．考虑问题时，要抓住粒子运动特点，即该粒子只在所加磁场中做匀速圆周运动，所以粒子运动的1/4圆弧必须包含在磁场区域中，且圆运动起点、终点必须是磁场边界上的点．然后再考虑磁场的最小半径．（计算机模拟）
[例4] 在真空中，半径为r=3×10-2m的圆形区域内，有一匀强磁场，磁场的磁感应强度为B=0.2T，方向如图3-6-5所示，一带正电粒子，以初速度v0=106m/s的速度从磁场边界上直径ab一端a点处射入磁场，已知该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计粒子重力，则（1）粒子在磁场中匀速圆周运动的半径是多少？（2）若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与Oa的夹角θ表示）？最大偏转角多大？
问题：
1．第一问由学生自己完成．
2．在图中画出粒子以图示速度方向入射时，在磁场中运动的轨迹图，并找出速度的偏转角．（放实物展示台展示）
3．讨论粒子速度方向发生变化后，粒子运动轨迹及速度偏转角的比． 分析：（1）圆运动半径可直接代入公式求解．
（2）先在圆中画出任意一速度方偏转角为初速度与未速度的夹角，且偏转角等于粒子运动轨迹所对应的圆心角．向入射时，其偏转角为哪个角？如图3-6-6所示．由图分析知：弦ac是粒子轨迹上的弦，也是圆形磁场的弦．
因此，弦长的变化一定对应速度偏转角的变化，也一定对应粒子圆运动轨迹的圆心角的变化．所以当弦长为圆形磁场直径时，偏转角最大．
解：（1）设粒子圆运动半径为R，则
（2）由图3-6-6知：弦长最大值为
ab=2r=6×10-2m 设速度偏转角最大值为αm，此时初速度方向与ab连线夹角为θ，则
当粒子以与ab夹角为37°斜向右上方入射时，粒子飞离磁场时有最大偏转角，其最大值为74°．
小结：本题所涉及的问题是一个动态问题，即粒子虽然在磁场中均做同一半径的匀速圆周运动，但因其初速度方向变化，使得粒子运动轨迹的长短和位置均发生变化，要会灵活运用平面几何知识去解决．
计算机演示：（1）随粒子入射速度方向的变化，粒子飞离磁场时速度偏转角的变化．（2）随粒子入射速度方向的变化，粒子做匀速圆周运动的圆心的运动轨迹．其轨迹为以a点为圆心的一段圆弧．
[例5] 如图3-6-7所示，很长的平行边界面M、N与N、P间距分别为L1、L2，其间分别有磁感应强度为B1与B2的匀强磁场区，磁场方向均垂直纸面向里．已知B1≠B2，一个带正电的粒子电量为q，质量为m，以大小为v0。的速度垂直边界面M与磁场方向射入MN间磁场区，试讨论粒子速度v0应满足什么条件，才能通过两个磁场区，并从边界面P射出？（不计粒子重力）
问题：
1．该粒子在两磁场中运动速率是否相同？
2．什么是粒子运动通过磁场或不通过磁场的临界条件？ 3．画出轨迹草图并计算。
分析：带电粒子在两磁场中做半径不同的匀速圆周运动，但因为洛仑兹力永远不做功，所以带电粒子运动速率不变．粒子恰好不能通过两磁场的临界条件是粒子到达边界P时，其速度方向平行于边界面．粒子在磁场中轨迹如图3-6-8所示．再利用平面几何和圆运动规律即可求解．
解：如图3-6-8所示，设O1、O2分别为带电粒子在磁场B1和B2中运动轨迹的圆心．则
设角α、β分别为粒子在磁场B1和B2中运动轨迹所对应圆心角，则由几何关系知
α+β＝90°
若粒子能通过两磁场区，则
小结：
1．洛仑兹力永远不做功，因此磁场中带电粒子的动能不变． 2．仔细审题，挖掘隐含条件．
[例6]在 M、N两条长直导线所在的平面内，一带电粒子的运动轨迹，如图3-6-9所示．已知两条导线M、N只有一条中有恒定电流，另一条导线中无电流，关于电流、电流方向和粒子带电情况及运动方向，可能是
A．M中通有自上而下的恒定电流，带正电的粒子从b点向a点运动． B．M中通有自上而下的恒定电流，带负电的粒子从a点向b点运动 C．N中通有自下而上的恒定电流，带正电的粒子从b点向a点运动 D．N中通有自下而上的恒定电流，带负电的粒子从a点向b点运动 让学生讨论得出结果．很多学生会选择所有选项，或对称选择A、D（或B、C）．前者是因为没有考虑直线电流在周围产生非匀强磁场，带电粒子在其中不做匀速圆周运动．后者是在选择过程中有很强的猜测成分．
分析：两根直线电流在周围空间产生的磁场为非匀强磁场，靠近导线处磁场强，远离导线处磁场弱．所以带电粒子在该磁场中不做匀速圆周运动，而是复杂曲线运动．因为带电粒子在运动中始终只受到洛仑兹力作用，所以可以定性使用圆运动半径规律R=mv/ Bq．由该规律知，磁场越强处，曲率半径越小，曲线越弯曲；反之，曲线弯曲程度越小．
解：选项A、B正确．
小结：这是一道带电粒子在非匀强磁场中运动的问题，这时粒子做复杂曲线运动，不再是匀速圆周运动．但在定性解决这类问题时可使用前面所分析的半径公式．洛仑兹力永远不做功仍成立．
同步练习（A组）
一、选择题
核和
感线方向运动
[
] 1．如图3-6-10所示，核在匀强磁场中以相同的动能沿垂直于磁
A．氚核运动半径较大，氚核先回到出发点 B．氚核运动半径较大，氚核先回到出发点 C．氚核运动半径较大，氚核先回到出发点 D．氚核运动半径较大，氚核先回到出发点
二、非选择题
2．如图3-6-11所示，在x轴上方（y≥0）存在着垂直于纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B．在原点O有一离子源向x轴上方的各个方向发射出质量为m、电量为q的正离子，速率都为v．对那些在xy平面内运动的离子，在磁场中可能到达的最大x=______，最大y=______．
3．如图3-6-12所示，在平面直角坐标系xOy的第一象限内，有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B．一对正、负电子从O点沿纸面以相同速度v射入磁场中，速度方向与磁场边界Ox成30°角，则正、负电子在磁场中运动时间之比为多少？粒子离开磁场时的坐标为多少？
（B组）
一、选择题
1．一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场．粒子的一段径迹如图3-6-13所示．径迹上的每一小段都可近似看成圆弧．由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减少（带电量不变），从图中情况可以确定
[
]
A．粒子从a到b，带正电 B．粒子从b到a，带正电 C．粒子从a到b，带负电 D．粒子从b到a，带负电
二、非选择题
2．有一带正电的粒子，在匀强磁场中与磁感线相垂直的平面内，沿顺时针方向做半径为R的匀速圆周运动，当粒子运动到A点时，突然分裂为带电量相等的两部分，它们的质量比为1∶3．观察到其中较小的部分在原平面内沿顺时针方向做半径为r1=R/2的匀速圆周运动，如图3-6-14虚线所示．则质量较大部分在磁场中做匀速圆周运动的半径为多大？其运动方向是顺时针还是逆时针的？
3．如图3-6-15所示，匀强磁场区域的宽度 d=8cm，磁感应强度 B=0.332T，磁场方向垂直纸面向里．在磁场边界aa′的中央放置一放射源S，它向各个方向均匀放射出速率相同的a粒子，已知a粒子的质量 m=6.64×10-27kg，电量 q=3.2×10-19C，初速度v0=3.2×106m/s，荧光屏bb′的面积远比板间距离要大．求荧光屏 bb′上出现闪烁的范围？
4．如图3-6-16（用）所示，M、N为竖直放置、彼此平行的两块平行金属板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O′正对．在两板间有垂直于纸面方向的磁场．磁感应强度随时间的变化如图（乙）所示．有一群正离子在t=0时垂直于M板从小孔O射入磁场．已知离子质量为m，带电量为q，离子在磁场中做匀速圆周运动与磁感应强度变化的周期都为T0．不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力．求：（1）磁感应强度B0的大小．（2）要使离子从O′垂直于N板射出磁场，离子射出磁场时的速度应为多大？
（C组）非选择题
1．如图3-6-17所示，在某装置中有一匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直于Oxy所在的纸面向外．某时刻在x=l0、y=0处，一质子沿y轴负方向进入磁场；同一时刻，在x=-l0、y=0处，一个a粒子进入磁场，速度方向与磁场垂直．不考虑质子与α粒子的相互作用．设质子质量为m、电量为e．求：（1）如果质子经过坐标原点O，它的速度为多大？（2）如果a粒子与质子在坐标原点相遇，a粒子的速度应为何值？方向如何？
2．图2-6-18中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线，在平面右侧的半空间存在一磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直纸面向外．O是MN上的一点，从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为v的粒子，粒子射入磁场时的速度可在纸面内各个方向．已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇，P到O的距离为L．不计重力及粒子间的相互作用．求：（1）所考查的粒子在磁场中的轨道半径？（2）这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔？
答案
（B组）1
B
2．顺时针，2.5R
3．0.32m
第二篇：高三电学复习教案2--带电粒子在电场中的运动
二、带电粒子在电场中的运动
教学目标
1．使学生理解并掌握带电粒子在电场中运动的特点和规律，能够正确分析和解答带电粒子在电场中的加速和偏转等方面的问题．
2．培养学生综合应用物理知识对具体问题进行具体分析的能力． 教学重点、难点分析
带电粒子在电场中的运动是电场知识的重要应用，注重分析判断带电粒子在电场力作用下的运动情况，掌握运用力的观点和能的观点求解带电粒子运动的思路和方法．带电粒子在电场中加速和偏转问题将使用大部分力学知识，所以在复习中应加以对照，帮助学生理解掌握．
教学过程设计 教师活动
一、解决带电粒子在电场中运动的基本思路
带电粒子在电场中的运动，难度比较大，能力要求高，所以要把握基本的规律．力学的五个规律在这一部分都要使用，所以这部分学习可帮助我们复习巩固力学知识，又可以帮助我们认识理解带电粒子在电场中的应用．
解决带电粒子在电场中运动的基本思路： 学生活动 积极配合老师整理 1．受力分析．
研究对象有两种：带电粒子和带电质点． 前者不考虑重力，后者要考虑重力． 2．运动轨迹和过程分析．
带电粒子运动形式决定于：粒子的受力情况和初速度情况． 3．解题的依据．
（1）力的观点：牛顿运动定律和运动学公式．
（2）能量的观点：电场力做功与路径无关；动能定理：能的转化与守恒规律．
（3）动量的观点．
（根据学生的具体情况，有选择地复习下列内容；匀强电场的特点，平抛运动，牛顿运动定律，匀速及匀变速直线运动，运动的合成与分解，电场力的功以及能量转化等问题．）
二、带电粒子在典型场中的运动形式
带电粒子在电场中的运动形式各种各样，由其受力和初速度共同决定． 学生思考、讨论然后根据力与运动的关系回答． 1．在点电荷电场中：
这几种情况下物体做什么运动？（指定学生回答）2．匀强电场中：
在点电荷电场中带电粒子的运动形式可能有那些？并举例说明．（指定学生回答）可见带电粒子在电场中的运动，也是各种各样的都有．带电粒子在上述不同电场中，由于它们的受力情况不同以及初速度不同，运动情况就不同．带电粒子在电场中可以做直线运动，也可以做曲线运动．
在匀强电场中带电粒子的运动形式可能有哪些？并举例说明．
三、带电粒子在电场中运动判断与分析 1．带电粒子在电场中的直线运动
[问题1] 如图3-2-1所示，在点电荷+Q的电场中，一带电粒子-q的初速度v0恰与电场线QP方向相同，则带电粒子-q在开始运动后，将（B）
A．沿电场线QP做匀加速运动 B．沿电场线QP做变减速运动 C．沿电场线QP做变加速运动 D．偏离电场线QP做曲线运动
回答问题，在老师的启发下，确定运动性质．
思考：带电粒子-q的初速度v0 恰与电场线QP方向相反，情况怎样？若初速度v0恰与电场线QP方向垂直，可能出现什么情况？
解析：带电粒子-q受力有什么特点？方向与初速度v0的方向的关系怎么样？由库仑定律和牛顿第二定律确定．
[问题2]如图3-2-2所示，在匀强电场E中，一带电粒子-q的初速度v0恰与电场线方向相同，则带电粒子-q在开始运动后，将（C）
A．沿电场线方向做匀加速运动 B．沿电场线方向做变加速运动 C．沿电场线方向做匀减速运动 D．偏离电场线方向做曲线运动 思考：带电粒子-q的初速度v0恰与电场线方向相反，情况怎样？
解析：带电粒子-q受力有什么特点？方向与初速度v0的方向的关系怎么样？ [问题3]如图3-2-3所示的直线是某电场中的一条电场线，A、B是这条电场线上两点．已知一电子经过A点的速度为vA并向B点运动，一段时间以后，该电子经过B点的速度为vB，且vA与vB的方向相反．则：（AD）
A．A点的电势一定高于B点的电势 B．A点的场强一定大于B点的场强
C．电子经过A点时的电势能一定大于它经过B点时的电势能 D．电子经过A点时的动能一定大于它经过B点时的动能 回答问题，在老师的启发下，确定运动性质．
思考：一根电场线能确定什么？为什么不能判断场强大小？
解析：根据电子速度方向的变化可确定电子的受力F的方向，从而确定场强E的方向．沿着电场线的方向电势降低，所以A正确．从A点到B点电场力做负功，动能减小，电势能增加．所以C错D正确．一条电场线不能判断场强大小，所以B不对．
[问题4]一个带正电荷的质点P放在两个等量负电荷A、B的电场中，P恰好在AB连线的垂直平分线的C点处，现将P在C点由静止释放，设P只受电场力作用，则（ABD）
A．P由C向AB连线中点运动过程中，加速度可能越来越小而速度越来越大
B．P由C向AB连线中点运动过程中，加速度可能先变大后变小，最后为零，而速度一直变大
C．P运动到与C关于AB的对称点C′静止 D．P不会静止，而是在C与C′间来回振动 请学生自己读题、审题、分析，然后指定人回答
通过此题的分析与解答，可加深对等量同种电荷场强分布的认识和理解． 解析：利用极限法，可知在AB连线的垂直平分线上的场强从无穷远处到中点O是先增大后减小直到为零．由于C点位置的不确定性，所以A、B选项都有可能．根据场强分布的对称性，不难确定，P将在C和C′间来回振动．
（总结带电粒子在电场中做直线运动的几种情况）2．带电粒子在电场中的曲线运动
[问题5]如图3-2-6所示，两平行金属板间有匀强电场，场强方向指向下板，一带电量为-q的粒子，以初速度v0垂直电场线射入电场中，则粒子在电场中所做的运动可能是（C）
A．沿初速度方向做匀速运动
B．向下板方向偏移，做匀变速曲线运动 C．向上板方向偏移，轨迹为抛物线 D．向上板偏移，轨迹为一段圆弧 将带电粒子的运动与重力场中的平抛运动类比，寻求解决问题的思路．建立直角坐标系，将运动分解为垂直于场强方向和沿场强方向分别加以讨论．
解析：在匀强电场中，-q受电场力的特点为：方向与电场线方向相反，大小恒定，而初速度方向与电场力方向垂直，所以粒子一定做匀变速曲线运动，轨迹为抛物线．
[问题6]已知氢原子中的质子和电子所带电量都是e，电子质量为me，电子绕核做匀速圆周运动，轨道半径为r，试确定电子做匀速圆周运动的线速度的大小和角速度的大小，以及电子运动周期．
根据牛顿第二定律和圆周运动规律求解
然后将结论与卫星围绕行星做匀速圆周运动加以比较．
解析：电子绕核做匀速圆周运动的向心力是由质子和电子之间的库仑力提供．
[问题7]如图3-2-7所示，直线MN为点电荷Q的电场中的一条电场线．带正电的粒子只在电场力的作用下，沿着曲线由a向b运动，则（B）
A．点电荷Q是正电荷 B．电势Ua＞Ub C．场强Ea＞Eb
D．带电粒子的动能EKa＞EKb
指定学生回答弄清物体做曲线运动的条件是什么． 解析：做曲线运动的物体合外力方向与初速度方向有夹角，并且合外力总指向轨迹内侧．由此可判断点电荷Q为负电荷，负点电荷的电场线由N指向M，根据电场性质可知B错C对，沿着曲线由a向b运动过程中，克服电场力做功，动能减少．
四、研究带电粒子在电场中运动的方法
1．运用牛顿定律研究带电粒子在电场中运动
基本思路：先用牛顿第二定律求出粒子的加速度，进而确定粒子的运动形式，再根据带电粒子的运动形式运用相应的运动学规律求出粒子的运动情况．
[问题]如图3-2-8所示，一个质量为m，带电量为q的粒子，从两平行板左侧中点沿垂直场强方向射入，当入射速度为v时，恰好穿过电场而不碰金属板．要使粒子的入射速度变为v/2，仍能恰好穿过电场，则必须再使（AD）
A．粒子的电量变为原来的1/4 B．两板间电压减为原来的1/2 C．两板间距离增为原来的4倍 D．两板间距离增为原来的2倍
解析：带电粒子在电场中做匀变速曲线运动．由于粒子在平行板的方向上不受力，在垂直板方向受到恒定不变的电场力作用，因而可将此匀变速曲线运动视为沿平行板方向上的匀速直线运动与垂直板的方向上的初速度为零的匀加速直线运动的合运动．粒子恰好穿过电场时，它沿平行板的方向发生位移L所用时间，与垂直板方向上发生位移d/2所用时间相等，设两板电压为U，则有
利用牛顿运动定律和运动学公式分解分别表示两个分运动遵从的规律． 正确理解恰好穿过电场的含义． 当入射速度变为v/2，它沿平行板的方向发生位移L所用时间变为原来的2倍，由上式可知，粒子的电量变为原来的1/4或两板间距离增为原来的2倍时，均使粒子在与垂直板方向上发生位移d/2所用时间增为原来的2倍，从而保证粒子仍恰好穿过电场，因此选项A、D正确．
思考：带电粒子为什么做这样的运动？应满足
[问题2]如图3-2-9所示，一个质量为m，带电量为q的粒子，仅受电场力作用，以恒定的速率v沿一圆弧做圆周运动，从圆周上A点到B点速度方向改变了θ角，A、B两点间弧长为S，求：A、B两点处的场强的大小及A、B两点间的电势差．
思考：还有没有别的措施可满足什么样的条件？
解析：既然带电粒子以恒定不变的速率沿圆弧运动，又仅受电场力作用，那么带电粒子一定处于点电荷的电场中，且带电粒子在以点电荷为圆心的圆上运动．根据牛顿运动定律和圆周运动规律，由电场力提供向心力，即：
由
由动能定理知A、B两点间的电势差为零．
（带电粒子只有在点电荷电场中才可能做匀速圆周运动）2．运用动能定理研究带电粒子在电场中运动
基本思路；根据电场力对带电粒子做功的情况，分析粒子的动能与势能发生转化的情况，运用动能定理或者运用在电场中动能与电势能相互转化而它们的总和守恒的观点，求解粒子的运动情况．
[问题1]如图3-2-10所示，质量为m，电量为e的电子，从A点以速度v0垂直场强方向射入匀强电场中，从B点射出电场时的速度方向与电场线成120度角，则A、B两点间的电势差是多少？
解析：电子从A运动到B的过程中，电场力对电子做正功，由动能定理和几何关系有：
这一思路对于带电粒子在任何电场中的运动都适用．
五、带电质点在电场中的运动
由于带电质点的重力不能忽略，因此带电质点在重力和电场力的作用下运动，重力和电场力的合力使带电质点产生加速度；合力的作用效果在位移上的积累使带电物体的动能发生变化；合力在时间上的积累使带电物体的动量发生变化．因此，我们可以运用牛顿第二定律、动量定理或动能定理分析解决带电物体在重力场和电场中运动问题．
[问题1]如图3-2-11所示，在竖直平面内，有一半径为R的绝缘的光滑圆环，圆环处于场强大小为E，方向水平向右的匀强电场中，圆环上的A、C两点处于同一水平面上，B、D分别为圆环的最高点和最低点．M为圆环上的一点，∠MOA=45°．环上穿着一个质量为m，带电量为+q的小球，它正在圆环上做圆周运动，已知电场力大小qE等于重力的大小mg，且小球经过M点时球与环之间的相互作用力为零．试确定小球经过A、B、C、D点时的动能各是多少？
学生自己审题，分析思考指定学生解答： 根据牛顿第二定律
当小球从M点运动到A点的过程中，电场力和重力做功分别为
根据动能定理得：
同理：
解析：小球是在重力、弹力和电场力的作用下做变速圆周运动，其中重力和电场力是恒力，弹力是变力．重力和电场力的合力仍为恒力：
M点时，由它所受的重力和电场力的合力提供向心力．所以用上述条件，根据牛顿第二定律和圆周运动规律可求出小球过M点时的动能．另外小球在做变速圆周运动的过程中只有重力和电场力做功，这两个力做功的特点都只与小球的位置变化有关，而与路径无关，因而可借助动能定理解题． [问题2]如图3-2-12所示，在水平向右的匀强电场中的A点，有一个质量为m，带电量为-q的油滴以速度v竖直向上运动．已知当油滴经过最高点B时，速度大小也为v．求：场强E的大小及A、B两点间的电势差．
根据分运动与合运动的等时性以及匀变速直线运动平均速度公式有：
即H=x 由动能定理： Eqx-mgH=0 得:
再由动能定理： qUAB-mgH=0
解析：油滴在重力和电场力两个恒力作用下，从A向B运动．这一运动可以看成是竖直上抛运动和水平方向上初速度为零的匀加速直线运动的合运动．所以可以选择有关运动学的知识和动能定理解题．
六、带电粒子在交变电场中的运动
在两个相互平行的金属板间加交变电压时，在两板间便可获得交变电场．此类电场从空间看是匀强的，即同一时刻，电场中各个位置处电场强度的大小、方向都相同；从时间上看是变化的，即电场强度的大小、方向都可随时间变化．
研究带电粒子在这种交变电场中的运动，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．
[问题1]如图3-2-13所示，A、B是一对平行的金属板．在两板间加上一周期为T的交变电压u．A板的电势UA=0，B板的电势UB随时间的变化规律为；在0到T/2的时间内，UB=U0（正的常数）；在T/2到T的时间内，UB=-U0；在T到3T/2的时间内，UB=U0；在3T/2到2T的时间内．UB=-U0……，现有一电子从A板上的小孔进入两板间的电场区内．设电子的初速度和重力的影响均可忽略，则（AB）
A．若电子是在t=0时刻进入的，它将一直向B板运动
B．若电子是在t=T/8时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动，最后打在B板上
C．若电子是在t=3T/8时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动，最后打在B板上
D．若电子是在t=T/2时刻进入的，它可能时而向B板、时而向A板运动． 学生读题、审题、找学生说出解题思路
画A、B、C、D四个选项的v-t图像．从图像分析带电粒子的运动情况． 解析：关键在于分析带电粒子的受力、加速度、速度的变化情况，根据位移变化确定运动情况．运用牛顿第二定律和运动学公式讨论比较麻烦，所以考虑应用图像．
[问题2]如图3-2-14所示，真空室中电极K发出的电子（初速不计）经过U0=1000伏的加速电场后，由小孔S沿两水平金属板A、B间的中心线射入．A、B板长l=0.20米，相距d=0.020米，加在A、B两板间电压u随时间t变化的u-t图线如图3-2-15所示．设A、B间的电场可看做是均匀的，且两板外无电场．在每个电子通过电场区域的极短时间内，电场可视做恒定的．两板右侧放一记录圆筒，筒在左侧边缘与极板右端距离b=0.15米，筒绕其竖直轴匀速转动，周期T=0.20秒，筒的周长s=0.20米，筒能接收到通过A、B板的全部电子．
学生自己读题、审题，指定学生讲述解题思路．
（1）以t=0时（见图3-2-15，此时u=0）电子打到圆筒记录纸上的点做为xy坐标系的原点，并取y轴竖直向上．试计算电子打到记录纸上的最高点的y坐标和X坐标．（不计重力作用）
（2）在给出的坐标纸（图3-2-16上定量地画出电子打到记录纸上的点形成的图线．
解析：（1）计算电子打到记录纸上的最高点的坐标，设v0为电子沿A、B板的中心线射入电场时的初速度，则
电子在中心线方向的运动为匀速运动，设电子穿过A、B板的时间为t0，则l=v0t0电子在垂直A、B板方向的运动为匀加速直线运动．对于恰能穿过A、B板的电子，在它通过时加在两板间的电压uc应满足
联立求解得
uc=(2d2)/(l2)U0=20伏
此电子从A、B板射出时沿y方向的分速度为
vy=(euc)/(md)t0
此时，此电子做匀速直线运动，它打在记录纸上的点最高，设纵坐标为y，由图3-2-17可得
（y-d/2）/b=vy/v0
由以上各式解得
y=bd/l+d/2=2.5厘米
从题给的u-t图线可知，加于两板电压u的周期T0=0.10秒，u的最大值um=100伏，因为u0＜Um，在一个周期T0内，只有开始的一段时间间隔t内有电子通过A、B板，t=（uc）/（um）T0
因为电子打在记录纸上的最高点不止一个，根据题中关于坐标原点与起始记录时刻的规定，第一个最高点的x坐标为
x1=ts/T=2厘米
第二个最高点的x坐标为
x2=（t＋T0）s/T=12厘米
第三个最高点的x坐标为
x3=[t＋2T0）/T]s=22厘米
由于记录筒的周长为20厘米，所以第三个最高点已与第一个最高点重合，即电子打到记录纸上的最高点只有两个，它们的x坐标分别为x1=2厘米和x2=12厘米．
（2）电子打到记录纸上所形成的图线，如图3-2-18所示．
[问题3]在光滑水平面上有一质量m=1.0×10-3kg，电量q=1.0×10-10C的带正电小球，静止在O点，以O点为原点，在该水平面内建立直角坐标系Oxy，现突然加一沿x轴正方向，场强大小E=2.0×106V/m的匀强电场，使小球开始运动，经过1.0s，所加电场突然变为沿y轴正方向，场强大小仍为E=2.0×106V/m的匀强电场，再经过1.0S，所加电场又突然变为另一个匀强电场，使小球在此电场作用下经1.08速度变为零．求此电场的方向及速度变为零时小球的位置．
学生读题、审题、讲述解题思路
解析：由牛顿定律得知，在匀强电场中小球加速度的大小为
a=qE/m
代入数值得
a=1.0×10-10×2.0×106/（1.0×10-3）=0.20m/s2
当场强沿x正方向时，经过1秒钟小球的速度大小为
vx=at=0.20×1.0=0.20m/s 速度的方向沿x轴正方向，小球沿x轴方向移动的距离
sx1=（1/2）at2=1/2×0.20×1.02=0.10m 在第2秒内，电场方向沿y轴正方向，故小球在x方向做速度为vx的匀速运动，在y方向做初速为零的匀加速运动，沿x方向移动的距离
Sx2=vxt=0.20m 沿y方向移动的距离
sy=（1/2）at2=1/2×0.20×1.02=0.10m 故在第2秒末小球到达的位置坐标
x2=Sx1+Sx2=0.30m y2=Sy=0.10m 在第2秒末小球在x方向的分速度仍为vx，在y方向的分速度
vy=at=0.20×1.0=0.20m/s 由上可知，此时运动方向与x轴成45°角．要使小球速度能变为零，则在第3秒内所加匀强电场的方向必须与此方向相反，即指向第三象限，与x轴成225°角．在第3秒内，设在电场作用下小球加速度的x分量和y分量分别为ax，ay，则
ax=vx/s=0．20m/S2 ay=vy/t=0.20m/s2
在第3秒末小球到达的位置坐标为
x3=x2+vxt-1/2axt2=0.40m y3=y2+vyt-1/2ayt2=0.20m 同步练习
一、选择题
1．下列粒子从初速度为零的状态经过加速电压为U的电场后，哪种粒子的速率最大
[
] A．质子 B．氘核 C．α粒子 D．钠离子 2．在匀强电场中，将质子和α粒子由静止释放，若不计重力，当它们获得相同动能时，质子经历的时间t1和α粒子经历的时间t2之比为
[
] A．1∶1 B．1∶2 C．2∶1 D．4∶1 3．如图3-2-19所示，质量为m，带电量为+q的滑块，沿绝缘斜面匀速下滑，当滑块滑至竖直向下的匀强电场区域时，滑块的运动状态
[
]
A．继续匀速下滑 B．将加速下滑 C．将减速下滑
D．上述三种情况都有可能发生
4．平行金属板板长为L，相距为d，两板间电势差为U．带电量为q，质量为m的粒子以速度v垂直板间电场方向进入板间电场区，并飞离出电场区域，则其侧移y的大小为
[
] A．与板长L成正比 B．与板间距离成反比 C．与两板间电势差U成正比 D．与粒子初速度v成正比
5．如图3-2-20所示，两平行金属板间的距离为d，两板间的电压为U，今有一电子从两板间的O点沿着垂直于板的方向射出到达A点后即返回，若OA距离为h，则此电子具有的初动能是
[
]
A．edh/U B．edhU C．Ue/（dh）
D．ehU/d 6．平行板电容器垂直于水平放置，板间的距离为d，电压为U，每个板带电量为Q．一个质量为m，带电量为q的粒子从两板上端中点以初速度v竖直向下射入电场，打在右板的M点．不计粒子的重力，现使右板向右平移d/2，而带电粒子仍从原处射入电场，为了使粒子仍然打在M点，下列措施哪些可行 [
] A．保持Q、m、v不变，减小q B．保持Q、U、v不变，减小q/m C．保持Q、m、U不变，减小v D．保持Q、m、U不变，增大v 7．两带有等量异种电荷的平行板间有一匀强电场，一个带电粒子以平行于极板的方向进入此电场，要使此粒子离开电场时偏转距离为原来的1/2（不计粒子所受重力），可采用方法为
[
] A．使粒子初速为原来2倍 B．使粒子初动能为原来2倍 C．使粒子初动量为原来2倍 D．使两板间电压为原来2倍
8．如图3-2-21所示，在平板电容器A、B两板上加上如图所示的交变电压，开始时B板电势比A板高，这时两板中间原来静止的电子在电场力作用下开始运动，设A、B两板间的距离足够大，则下述说法中正确的是
[
]
A．电子先向A板运动，然后向B板运动，再返向A板做周期性来回运动 B．电子一直向A板运动 C．电子一直向B板运动
D．电子先向B板运动，然后向A板运动，再返回B板做周期性来回运动
二、填空题
9．经过相同电场加速后的质子和α粒子垂直于电场线的方向飞进两平行板间的匀强电场，则它们通过该电场所用时间之比为______，通过该电场后发生偏转的角度的正切之比为
．
10．质子和α粒子的质量比为m1∶m2=1∶4，带电量之比为q1∶q2=1∶2，当它们从静止开始由同一匀强电场加速，通过相同的位移，则它们的速度之比v1∶v2：=______，动能比Ek1∶Ek2=______，动量比p1∶p2=______．
11．平行板电容器水平放置，板间的距离为d，一个半径为r、密度为P的带电油滴在两板间．当电容器的电压为U时，该油滴在电场中做匀速运动，由此可知油滴的带电量q=______C．
12．一个质量为m，带电量为q的油滴从空中自由下落时间t1后，进入水平放置的带电极板间，再经过时间t2速度为零，则电场力是重力的______倍．
13．在真空中的A、B两个点电荷，相距为L，质量分别为m和2m，它们由静止开始运动，开始时点电荷A的加速度为a，经过一段时间，点电荷B的加速度也为a，速率为v，那么这时点电荷A的速率为______，两点电荷相距______，它们的电势能减少了______．（不考虑重力的影响）
三、计算、论述题
14．在一个水平面上建立x轴，在过原点O垂直于x轴的平面的右侧空间有一匀强电场，场强大小E=6×105N/C，方向与x轴正方向相同，在O处放一个带电量q=-5×10-8C，质量m=10g的绝缘物块，物块与水平面间的动摩擦因数μ=0.2，沿x轴正方向给物块一个初速度v0=2m/s，如图3-2-22所示，求物块最终停止时的位置．（g取10m/s2）
15．如图3-2-23所示，一个带电物体P，沿一个绝缘的倾斜轨道向上运动，运动过程中P的带电量保持不变．空间存在着匀强电场（未在图中画出）．已知P经过A点时动能为30J，经过B点时它的动能减少了10J，机械能增加了20J，电势能减少了35J，它继续运动到C点时速度减为零．（1）在它从A到C的运动过程中，克服摩擦力做功多少？（2）它到达C点后还会不会向下运动？为什么？
16．如图3-2-24所示，A、B是两块相同的水平平行金属板，相距为d，构成电容为C的平行板电容器，B板接地，B板中有一个小孔，开始时A、B均不带电，在B板小孔上方h处，不断有小液珠从静止开始自由下落（不计空气阻力），每个液珠的电量为q、质量为m，液珠经小孔到达A板后被吸收，液珠的下落保持一定的间隙，即在前一液珠被A板吸收并达到静电平衡后，后一液珠才继续下落，试问有多少个液珠能落到A板上？
17．如图3-2-25所示，一条长为l的细线，上端固定，下端拴一质量为m的带电小球，将它置于一匀强电场中，电场强度大小为E，方向是水平的，已知当细线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡．
（1）小球带何种电荷？求出小球所带电量．
（2）如果使细线的偏角由α增大到，然后将小球由静止开始释放，则应为多大，才能使细线到达竖直位置时小球的速度刚好为零？
18．如图3-2-26所示，在竖直向下的匀强电场中，使一个带负电荷的小球从斜轨道上的A点静止滑下，若使小球通过半径为R的圆轨道顶端的B点时不落下来，求至少应使A点在斜轨道上的高度h为多少？设轨道是光滑而又绝缘的，小球的重力大于它所受的电场力．
19．如图3-2-27（1）中，A和B表示在真空中相距为d的两平行金属板，加上电压后，它们之间的电场可视为匀强电场，图（2）表示一周期性的交变电压的波形，横坐标代表时间t，纵坐标代表电压U，从t=0开始，电压为一给定值U0，经过半周期，突然变为-U0；再过半个周期，又突然变为U0……如此周期性地交替变化．
在t=0时，将上述交变电压U加在A、B两板上，使开始时A板电势比B板高，这时在紧靠B板处有一初速为零的电子（质量为m、电量为e）在电场作用下开始运动，要想使这个电子到达A板时具有最大的动能，则交变电压的频率最大不能超过多少？
20．如图3-2-28所示，长为l、相距为d的两平行金属板与一交流电源相连（图中未画出），有一质量为m、带电量为q的带负电的粒子以初速度v0从板中央水平射入电场，从飞入时刻算起，A、B板间所加电压的变化规律如图所示，为了使带电粒子离开电场时速度方向恰好平行于金属板，问：
（1）加速电压值U0的取值范围多大？（2）交变电压周期T应满足什么条件？ 参考答案
1．A 2．A 3．A 4．BC 5．D 6．C 7．B 8．C
14．物块向右运动时，受滑动摩擦力f=μmg=0.02N，方向向左和向左的电场力F=qE=0.03N做匀减速运动，设右行减速至0物块通过位移为x1，由动能定理
由于F＞f，物块减速至0后将先反向加速，出电场后，只受摩擦力，将再次减速为零．设出场后，物体位移为x2，由动能定理
Fx1-f（x1＋x2）=0-0 解得：x2=0.2m 所以物块最后停在x=-0.2m处．
15．物体P所受重力、电场力、摩擦力均为恒力，三力做功均与位移成正比，则物体动能增量△EK∝位移s．P从A→B动能减少10J，A→C动能减少30J，说明：
AC=3AB
（1）A→B，电势能减少35J，机械能增加20J，则A→C电势能减少105J，机械能增加60J，克服摩擦力做功45J．
（2）因为电场力的功：重力功=105∶90，所以，电场力沿斜面分力F1和重力沿斜面分力G1之比F1∶G1=105∶90=7∶6 F1＞G1则物体到达C点后，不会向下运动．
16． N=mgC·（d＋h）/q2，当N为整数时，有N＋1个；N不为整数时，有大于N的第1个整数．
第三篇：高三物理一轮复习6.7 带电粒子在电场中的运动(二)教学案+同步作业
课题：6.7 带电粒子在电场中的运动
（二）知识点：解决带电粒子在电场中运动的基本思路：
1．受力分析．
研究对象有两种：带电粒子和带电质点．前者______考虑重力，后者______考虑重力． 2．运动轨迹和过程分析．
带电粒子运动形式决定于：粒子的受力情况和初速度情况． 3．解题的依据．
（1）力的观点：牛顿运动定律和运动学公式．
（2）能量的观点：电场力做功与路径无关；动能定理；能的转化与守恒规律． 【典型例题】
题型1 带电粒子在电场中偏转
【例1】如图所示，质量为m，电量为e的电子，从A点以速度v0垂直场强方向射入匀强电场中，从B点射出电场时的速度方向与电场线成120角，则A、B两点间的电势差是多少？
【变式训练1】如图所示,两平行金属板A、B长L=8 cm,两板间距离d=8 cm,A板比B板电势高300 V.一带正电的粒子电荷量q=10C,质量m=10kg,沿电场中心线RO垂直电场线飞入电场,初速度v0=2×10 m/s,粒子飞出平行板电场后经过界面MN、PS间的无电场区域后,进入固定在O点的点电荷Q形成的电场区域,（设界面PS右边点电荷的电场分布不受界面的影响）.已知两界面MN、PS相距为12 cm,D是中心线RO与界面PS的交点,O点在中心线上,距离界面PS为9 cm,粒子穿过界面PS最后垂直打在放置于中心线上的荧光屏bc上.（静电力常量k=9.0×10 N·m/C）
（1）求粒子穿过界面MN时偏离中心线RO的距离多远?到达PS界面时离D点多远?（2）在图上粗略画出粒子运动的轨迹.（3）确定点电荷Q的电性并求其电荷量的大小.题型2 带电粒子在复合场中的运动
【例2】如图6-3-9所示，在竖直平面内，有一半径为R的绝缘的光滑圆环，圆环处于场强大小为E，方向水平向右的匀强电场中，圆环上的A、C两点处于同一水平面上，B、D分别为圆环的最高点和最低点．M为圆环上的一点，∠MOA=45°．环上穿着一个质量为m，带电量为+q的小球，它正在圆环上做圆周运动，已知电场力大小qE等于重力的大小mg，且小球经过M点时球与环之间的相互作用力为零．试确定小球经过A、B、C、D点时的动能各是多少？
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