2017_2018學(xué)年高中物理第5章磁場(chǎng)與回旋加速器學(xué)案（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,磁場(chǎng),回旋加速器,打包,滬科版 第5章 磁場(chǎng)與回旋加速器 章末分層突破 ①安培定則 ②強(qiáng)弱 ③切線方向 ④BSsin θ ⑤BIL ⑥平面 ⑦Bqv ⑧平面 　 　 　 　 　安培力的平衡問(wèn)題 安培力作用下物體的平衡是常見的一類題型，體現(xiàn)了學(xué)科內(nèi)知識(shí)的綜合應(yīng)用及知識(shí)的遷移能力，在解決這類問(wèn)題時(shí)應(yīng)把握以下幾點(diǎn)： (1)先畫出與導(dǎo)體棒垂直的平面，將題中的角度、電流的方向、磁場(chǎng)的方向標(biāo)注在圖上． (2)利用左手定則確定安培力的方向． (3)根據(jù)共點(diǎn)力平衡的條件列出方程求解． 　如圖5-1所示，平行金屬導(dǎo)軌PQ與MN都與水平面成θ角，相距為l.一根質(zhì)量為m的金屬棒ab在導(dǎo)軌上，并保持水平方向，ab棒內(nèi)通有恒定電流，電流大小為I，方向從a到b.空間存在著方向與導(dǎo)軌平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，ab棒在磁場(chǎng)力的作用下保持靜止，并且棒與導(dǎo)軌間沒(méi)有摩擦力．求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向． 圖5-1 【解析】　金屬棒受力如圖所示， 根據(jù)力的平衡條件可知：F安＝mgsin θ 而F安＝BIl 可得B＝ 由左手定則可知，B的方向垂直導(dǎo)軌平面向下． 【答案】　　方向垂直導(dǎo)軌平面向下 1．必須先將立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖，然后對(duì)物體受力分析，先重力，再安培力，最后是彈力和摩擦力． 2．注意：若存在靜摩擦力，則可能有不同的方向，因而求解結(jié)果是一個(gè)范圍． 　帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是指在局部空間存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)，帶電粒子從磁場(chǎng)區(qū)域外垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)區(qū)域，在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷一段勻速圓周運(yùn)動(dòng)，也就是通過(guò)一段圓弧后離開磁場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過(guò)程．解決這一類問(wèn)題時(shí)，找到粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的圓心位置、半徑大小以及與半徑相關(guān)的幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵． (1)磁場(chǎng)邊界的類型(如圖5-2所示) 圖5-2 (2)與磁場(chǎng)邊界的關(guān)系 ①剛好穿出磁場(chǎng)邊界的條件是帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與邊界相切． ②當(dāng)速度v一定時(shí)，弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，圓心角越大，則帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)． ③當(dāng)速率v變化時(shí)，圓心角越大的，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)． (3)有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性 ①?gòu)哪骋恢本€邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，速度與邊界的夾角相等． ②在圓形磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，沿徑向射入的粒子，必沿徑向射出． 　在以坐標(biāo)原點(diǎn)O為圓心、半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)，存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖5-3所示．一個(gè)不計(jì)重力的帶電粒子從磁場(chǎng)邊界與x軸的交點(diǎn)A處以速度v沿－x方向射入磁場(chǎng)，它恰好從磁場(chǎng)邊界與y軸的交點(diǎn)C處沿y方向飛出. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：29682036】 圖5-3 (1)請(qǐng)判斷該粒子帶何種電荷，并求出其比荷； (2)若磁場(chǎng)的方向和所在空間范圍不變，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)锽′，該粒子仍從A處以相同的速度射入磁場(chǎng)，但飛出磁場(chǎng)時(shí)的速度方向相對(duì)于入射方向改變了60°角，求磁感應(yīng)強(qiáng)度B′多大？此次粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間t是多少？ 【解析】　(1)由粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用左手定則可知，該粒子帶負(fù)電荷． 粒子由A點(diǎn)射入，由C點(diǎn)飛出，其速度方向改變了90°，則粒子軌跡半徑R＝r.又qvB＝m，則粒子的比荷＝. (2)當(dāng)粒子從D點(diǎn)飛出磁場(chǎng)時(shí)速度方向改變了60°角，故AD弧所對(duì)圓心角為60°，如圖所示． 粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑 R′＝rcot 30°＝r 又R′＝，所以B′＝B 粒子在磁場(chǎng)中飛行時(shí)間，t＝T＝×＝. 【答案】　(1)負(fù)電荷　　(2)B　 　帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1.弄清復(fù)合場(chǎng)的組成，一般有磁場(chǎng)、電場(chǎng)的復(fù)合；電場(chǎng)、重力場(chǎng)的復(fù)合；磁場(chǎng)、重力場(chǎng)的復(fù)合；磁場(chǎng)、電場(chǎng)、重力場(chǎng)三者的復(fù)合． 2．正確受力分析，除重力、彈力、摩擦力外要特別注意靜電力和磁場(chǎng)力的分析． 3．確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，注意運(yùn)動(dòng)情況和受力情況的分析． 4．對(duì)于粒子連續(xù)通過(guò)幾個(gè)不同情況場(chǎng)的問(wèn)題，要分階段進(jìn)行處理．轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度往往成為解題的突破口． 5．畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，靈活選擇不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律． 　如圖5-4，在x軸上方存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面向外；在x軸下方存在勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)方向與xOy平面平行，且與x軸成45°夾角．一質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子以速度v0從y軸上P點(diǎn)沿y軸正方向射出，一段時(shí)間后進(jìn)入電場(chǎng)，進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度方向與電場(chǎng)方向相反；又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T0，磁場(chǎng)方向變?yōu)榇怪奔埫嫦蚶?，大小不變，不?jì)重力． 圖5-4 (1)求粒子從P點(diǎn)出發(fā)至第一次到達(dá)x軸時(shí)所需的時(shí)間； (2)若要使粒子能夠回到P點(diǎn)，求電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值． 【解析】　(1)帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)運(yùn)動(dòng)半徑為R，運(yùn)動(dòng)周期為T，根據(jù)洛倫茲力公式及圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有 qv0B＝m ① T＝ ② 依題意，粒子第一次到達(dá)x軸時(shí)如圖所示，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為π，所需時(shí)間t1為t1＝T ③ 求得t1＝. ④ (2)粒子進(jìn)入電場(chǎng)后，先做勻減速運(yùn)動(dòng)，直到速度減小為0，然后沿原路返回做勻加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)x軸時(shí)速度大小仍為v0，設(shè)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為t2，加速度大小為a，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E，有 qE＝ma ⑤ v0＝at2 ⑥ 得t2＝ ⑦ 根據(jù)題意，要使粒子能夠回到P點(diǎn)，必須滿足 t2≥T0 ⑧ 得電場(chǎng)強(qiáng)度最大值 E＝. ⑨ 【答案】　(1)　(2) 1．如圖5-5，a是豎直平面P上的一點(diǎn)，P前有一條形磁鐵垂直于P，且S極朝向a點(diǎn)，P后一電子在偏轉(zhuǎn)線圈和條形磁鐵的磁場(chǎng)的共同作用下，在水平面內(nèi)向右彎曲經(jīng)過(guò)a點(diǎn)．在電子經(jīng)過(guò)a點(diǎn)的瞬間，條形磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)該電子的作用力的方向(　　) 圖5-5 A．向上　　　　 B．向下 C．向左 D．向右 【解析】　a點(diǎn)處磁場(chǎng)垂直于紙面向外，根據(jù)左手定則可以判斷電子受力向上，A正確． 【答案】　A 2．(多選)有兩個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ和Ⅱ，Ⅰ中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是Ⅱ中的k倍．兩個(gè)速率相同的電子分別在兩磁場(chǎng)區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng)．與Ⅰ中運(yùn)動(dòng)的電子相比，Ⅱ中的電子(　　) A. 運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑是Ⅰ中的k倍 B．加速度的大小是Ⅰ中的k倍 C．做圓周運(yùn)動(dòng)的周期是Ⅰ中的k倍 D．做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度與Ⅰ中的相等 【解析】　兩速率相同的電子在兩勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且Ⅰ磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B1是Ⅱ磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的k倍．由qvB＝得r＝∝，即Ⅱ中電子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑是Ⅰ中的k倍，選項(xiàng)A正確．由F合＝ma得a＝＝∝B，所以＝，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．由T＝得T∝r，所以＝k，選項(xiàng)C正確．由ω＝得＝＝，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． 正確選項(xiàng)為A、C. 【答案】　AC 3．(多選)如圖5-6所示，S處有一電子源，可向紙面內(nèi)任意方向發(fā)射電子，平板MN垂直于紙面，在紙面內(nèi)的長(zhǎng)度L＝9.1 cm，中點(diǎn)O與S間的距離d＝4.55 cm，MN與SO直線的夾角為θ，板所在平面有電子源的一側(cè)區(qū)域有方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝2.0×10－4 T，電子質(zhì)量m＝9.1×10－31 kg，電荷量e＝－1.6×10－19 C，不計(jì)電子重力，電子源發(fā)射速度v＝1.6×106 m/s的一個(gè)電子，該電子打在板上可能位置的區(qū)域的長(zhǎng)度為l，則(　　) 圖5-6 A．θ＝90°時(shí)，l＝9.1 cm B．θ＝60°時(shí)，l＝9.1 cm C．θ＝45°時(shí)，l＝4.55 cm D．θ＝30°時(shí)，l＝4.55 cm 【解析】　電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力：evB＝，R＝＝4.55×10－2 m＝4.55 cm＝，θ＝90°時(shí)，擊中板的范圍如圖(1)，l＝2R＝9.1 cm，選項(xiàng)A正確．θ＝60°時(shí)，擊中板的范圍如圖(2)所示，l＜2R＝9.1 cm，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．θ＝30°，如圖(3)所示l＝R＝4.55 cm，當(dāng)θ＝45°時(shí)，擊中板的范圍如圖(4)所示，l＞R(R＝4.55 cm)，故選項(xiàng)D正確，選項(xiàng)C錯(cuò)誤． 圖(1) 圖(2)　　　　　　　　　　　　　圖(3) 圖(4) 【答案】　AD 4．如圖5-7，一關(guān)于y軸對(duì)稱的導(dǎo)體軌道位于水平面內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與平面垂直．一根足夠長(zhǎng)，質(zhì)量為m的直導(dǎo)體棒沿x軸方向置于軌道上，在外力F作用下從原點(diǎn)由靜止開始沿y軸正方向做加速度為a的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)棒與x軸始終平行．棒單位長(zhǎng)度的電阻ρ，與電阻不計(jì)的軌道接觸良好，運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱功率隨棒位置的變化規(guī)律為P＝ky3/2(SI)．求： 圖5-7 (1)導(dǎo)體軌道的軌道方程y＝f(x)； (2)棒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的安培力Fm隨y的變化關(guān)系； (3)棒從y＝0運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)＝L過(guò)程中外力F的功． 【解析】　(1)設(shè)棒運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)與軌道接觸點(diǎn)的坐標(biāo)為(±x，y)，安培力的功率 F＝ P＝＝ky3/2 棒做勻加速運(yùn)動(dòng) v2＝2ay R＝2ρx 代入前式得y＝x2 軌道形式為拋物線． (2)安培力Fm＝v＝ 以軌道方程代入得Fm＝ y (3)由動(dòng)能定理W＝Wm＋mv2 安培力做功Wm＝ L2 棒在y＝L處動(dòng)能mv2＝maL 外力做功W＝ L2＋maL 【答案】　(1)y＝x2　(2)Fm＝ y (3) L2＋maL 5．如圖5-8，一長(zhǎng)為10 cm的金屬棒ab用兩個(gè)完全相同的彈簧水平地懸掛在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中；磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為0.1 T，方向垂直于紙面向里；彈簧上端固定，下端與金屬棒絕緣．金屬棒通過(guò)開關(guān)與一電動(dòng)勢(shì)為12 V的電池相連，電路總電阻為2 Ω.已知開關(guān)斷開時(shí)兩彈簧的伸長(zhǎng)量為0.5 cm；閉合開關(guān)，系統(tǒng)重新平衡后，兩彈簧的伸長(zhǎng)量與開關(guān)斷開時(shí)相比均改變了0.3 cm.重力加速度大小取10 m/s2.判斷開關(guān)閉合后金屬棒所受安培力的方向，并求出金屬棒的質(zhì)量． 圖5-8 【解析】　依題意，開關(guān)閉合后，電流方向從b到a，由左手定則可知，金屬棒所受的安培力方向豎直向下． 開關(guān)斷開時(shí)，兩彈簧各自相對(duì)于其原長(zhǎng)伸長(zhǎng)了Δl1＝0.5 cm.由胡克定律和力的平衡條件得 2kΔl1＝mg ① 式中，m為金屬棒的質(zhì)量，k是彈簧的勁度系數(shù)，g是重力加速度的大小． 開關(guān)閉合后，金屬棒所受安培力的大小為 F＝IBL ② 式中，I是回路電流，L是金屬棒的長(zhǎng)度．兩彈簧各自再伸長(zhǎng)了Δl2＝0.3 cm，由胡克定律和力的平衡條件得 2k(Δl1＋Δl2)＝mg＋F ③ 由歐姆定律有 E＝IR ④ 式中，E是電池的電動(dòng)勢(shì)，R是電路總電阻． 聯(lián)立①②③④式，并代入題給數(shù)據(jù)得 m＝0.01 kg ⑤ 【答案】　安培力的方向豎直向下　金屬棒的質(zhì)量為0.01 kg 9