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千题一律——带电粒子在三维空间的运动

 新用户65120Joi 2023-04-03 发布于山西
MN为竖直放置的两金属板,两板间电压为US板为记录板,分界面QPNS间区域分为I、II、III三部分,其中I区宽度均为dMNPQS所在平面相互平行,abMN上两正对的小孔。以ab所在直线为z轴,向右为正方向,取z轴与S板的交点O为坐标原点,以平行于S板水平向里为x轴正方向,竖直向上为y轴正方向,建立空间直角坐标系Oxyz。区域I、II内分别充满沿x轴正方向的匀强磁场和沿y轴负方向的匀强电场,磁感应强度大小、电场强度大小分别为B1E。区域III内充满沿z轴正方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B2。一质量为m、电荷量为+q的粒子,从a孔以初速度v0进入电场,经b孔进入磁场,经P面上的c点(图中未画出)进入电场后,从Q面上的f点(f点与c点等高)进入III区,经个周期打到记录板S上。不计粒子重力,求粒子:
(1)在磁场中做圆周运动的半径R以及c点到z轴的距离L
(2)从离开N板到打到板S所用的时间;
(3)打到记录板上的位置xy坐标(用Rd表示)。
         
       
先按题干文字和图示的空间分布,大致摸一下粒子在空间运动的底细。
M——N,应该是最简情况,电场中直线加速了事,动能定理一招解决。

N——P,正常的匀速圆周运动,已知弦长。

P——Q,匀强电场中的类斜上抛运动,初末速度大小相等,算总账电场力不做功。

Q——S,本题中最复杂的运动,螺旋线运动,两垂直方向的匀速圆周和匀速直线的叠加运动。将入射速度分解在平行于磁场和垂直于磁场两个方向,平行于磁场方向的运动为匀速直线运动,因此方向不受洛伦兹力运动;垂直于磁场方向为匀速圆周运动。
         
         
推敲细节,分区定量化。
M——N:
         
         
         
N——P:

Q——S:

         
QS间的距离也可知:
         
本题和上一题类似,电场区域粒子做类平抛运动,已知了初速度及偏转方向,根据平抛规律可求末速度、侧移量、电场强度的大小。
         
第一次在磁场区域做的也是螺旋线运动,因为螺旋线运动具有时空上的周期性,所以C的初始位置具有量子化的味道。
         
添加磁场之后,把两个磁场叠加之后,磁感应强度和速度方向是垂直关系,所以做圆周运动。
         
两题都是今年山东的模拟题,见过2022年山东高考真题的话,就知道这两题属于高仿题。模拟题永远是追随者的角色,大部分中学老师的工作特点的局限性所致,模仿到一定高度也是能力和水平的体现。

这类题考查的知识点还是带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动,不过换了一个场景,从二维空间延伸到了三维空间,需要一定的空间想象力,能把粒子在空间的轨迹想明白了,问的问题相对还不是太刁难,还可以下手。感觉不适应的地方是书写,符号多,稍不注意就容易出错。
         
这类题的难点有一个,就是粒子不是垂直于磁感应强度的方向打入匀强磁场时,运动被分解为两个垂直方向的运动。一个是匀速直线运动,另一个是与直线垂直的平面内的匀速圆周运动。叠加后的结果就是螺旋线运动,类似于等距螺纹轨迹。
         
人教版教材上对于螺旋线运动没有多提,只重点研究了匀速圆周运动,在实际的教学中,只要用过洛伦兹力演示仪,老师应该都会演示螺旋线运动。但具体定量化的规律,比如周期、螺距、螺纹直径这些量,是否做过定量推导,可能就因师或因生而异了。
         
复习备考阶段,本着滴水不漏的面面俱到精神,建议还是讲一下为好。若是三问的问题,前两问在能理解的前提下,思考到一定深度,是可以顺利拿下的。

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