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内容举例: 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动 1. 带电粒子在匀强磁场中的运动分析 带电粒子垂直进入匀强磁场中,只受洛伦兹力作用,洛伦兹力提供粒子做匀速圆周运动的向心力,运动半径r=mv/qB,运动周期T=2πm/qB。除了半径和周期外,我们有时还分析粒子的运动速度、运动时间等问题。解题时要把握好“一找圆心,二定半径,三定圆心角”的分析方法,在具体问题中,要依据题目条件和情景而定。 (1)圆心的确定 方法一:若已知粒子轨迹上的两点的速度方向,则可根据洛伦兹力F⊥v,分别确定两点处洛伦兹力F的方向,其延长线的交点即圆心,如图甲。 方法二:若已知粒子运动轨迹上的两点和其中某一点的速度方向,则可作出此两点的连线(即过这两点的圆弧的弦)的中垂线,中垂线与过已知点速度方向的垂线的交点即圆心,如图乙。 (2)半径的确定和计算 利用平面几何关系,求出该圆的可能半径(或圆心角), 求解时注意以下几何特点: 粒子速度的偏向角(φ)等于圆心角(α), 并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍(如图), 即φ=α=2θ=ωt。 (3)运动时间的确定 粒子在磁场中运动一周的时间为T,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α 时,其运动时间可由下式表示:t=α/(360°)T(或t=α/2π T),t=l/v (l为弧长)。 2. 常见运动轨迹的确定 (1)直线边界:粒子从直线边界进出磁场,速度与边界的夹角相等 (2)平行边界:常见情景如图乙所示。经常出现粒子恰好从磁场另一侧飞出(或恰好飞不出)的临界问题。 (3)圆形边界:沿径向射入的带电粒子必沿径向射出,如图丙所示。 六、带电粒子在组合场中的运动 1. 组合场 组合场指电场与磁场各位于一定的区域内的情况。带电粒子在组合场中的运动,实际上是几个典型运动的组合,解决此类问题要分段处理,找出各段之间的衔接点和相关物理量。 2. 电偏转与磁偏转电偏转 磁偏转 偏转条件 垂直电场方向进入匀强电场(不计重力) 垂直磁场方向进入匀强磁场(不计重力) 受力情况 电场力F电=qE,大小和方向都不变 洛伦兹力F洛=qvB,大小不变,方向始终和v垂直 运动类型 类平抛运动 匀速圆周运动 运动轨迹 抛物线 圆或圆弧 运动图示 3. 解决带电粒子在组合场中运动问题的思路、方法 七、带电粒子(物体)在叠加场中的运动 1. 洛伦兹力、重力并存 (1)若重力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动。 (2)若重力和洛伦兹力不平衡,则带电体将做复杂的曲线运动,因洛伦兹力不做功,故机械能守恒。 2. 电场力、洛伦兹力并存(不计重力) (1)若电场力和洛伦兹力平衡,则带电体做匀速直线运动。 (2)若电场力和洛伦兹力不平衡,则带电体做复杂的曲线运动,可用动能定理求解。 3. 电场力、洛伦兹力、重力并存 (1)若三力平衡,带电体做匀速直线运动。 (2)若重力与电场力平衡,带电体做匀速圆周运动。 (3)若合力不为零,带电体可能做复杂的曲线运动,可用能量守恒定律或动能定理求解。 4. 带电粒子在叠加场中运动的处理方法 (1)确定叠加场的种类:电场、磁场、重力场两两叠加,或三者叠加。 (2)进行受力分析:一般涉及三种场力(电场力、磁场力、重力)、弹力、摩擦力。 (3)运动分析:根据带电粒子的受力情况,判断其运动状态,是做匀速直线运动、匀速圆周运动、匀变速直线运动还是非匀变速直线运动、非匀变速曲线运动。 (4)利用运动学公式、牛顿第二定律、功能关系分析 ①力和运动的角度:根据带电粒子所受的力,运用牛顿第二定律并结合运动学规律求解,必要时进行运动的合成与分解,如类平抛运动。 ②功能的角度:根据场力及其他外力对带电粒子做功引起的能量变化或全过程中的功能关系解决问题,这条线索不仅适用于均匀场,也适用于非均匀场,因此要熟悉各种力做功的特点。 八、带电粒子在匀强磁场中运动的临界问题 1. 分析临界极值问题常用的四个结论 (1)刚好不能穿出匀强磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切。 (2)当速率v一定时,弧长越长,圆心角越大,带电粒子在有界匀强磁场中运动的时间越长。 (3)当速率v变化时,圆心角大的,运动时间长,解题时一般要根据受力情况和运动情况画出运动轨迹的草图,找出圆心,根据几何关系求出半径及圆心角等。 (4)在圆形匀强磁场中,当运动轨迹圆半径大于区域圆半径时,则当入射点和出射点分别为圆形匀强磁场的同一直径的两个端点时,轨迹对应的偏转角最大(所有的弦长中直径最长)
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