1、专题强化九带电粒子(带电 体)在电场中运 动的综合问题大一轮复习讲义1.本专题主要讲解带电粒子(带电体)在电场中运动时动力学和能量观点的综合 运用，高考常以计算题出现.2.学好本专题，可以加深对动力学和能量知识的理解，能灵活应用受力分析、运动分析(特别是平抛运动、圆周运动等曲线运动)的方法与技巧，熟练应用 能量观点解题.3.用到的知识：受力分析、运动分析、能量观点.专题解读专题解读带电粒子在交变电场中的运动带电粒子在交变电场中的运动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
2、(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).题型题型一一基础考点自主悟透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临界条件.(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.例1 1(多选)(2019山东潍坊市二模)如图1甲所示，长为8d、间距为d的平行金属板水平放置，O点有一粒子源，能持续水平向右发射初速度为v0、电荷量为q、质量为m的粒子.在两板间存在如图乙所
3、示的交变电场，取竖直向下为正方向，不计粒子重力.以下判断正确的是图图1则任意时刻射入的粒子若能射出电场，则射出电场时沿电场方向的速度均为0，则最后从O点射出时沿电场方向的位移为零，则粒子将从O点射出，选项D正确.则最后从O点射出时有沿电场方向向下的位移，则粒子将从O点下方射出，故C错误；图图2变式1 1(2019河南高考适应性测试)如图2甲所示，M、N为正对竖直放置的平行金属板，A、B为两板中线上的两点.当M、N板间不加电压时，一带电小球从A点由静止释放经时间T到达B点，此时速度为v.若两板间加上如图乙所示的交变电压，t0时，将带电小球仍从A点由静止释放，小球运动过程中始终未接触极板，则tT时
4、，小球A.在B点上方 B.恰好到达B点C.速度大于v D.速度小于v解析在A、B两板间加上如题图乙所示的交变电压，小球受到重力和电场力的作用，电场力做周期性变化，且电场力沿水平方向，所以小球竖直方向做自由落体运动.在水平方向小球先做匀加速直线运动，后沿原方向做匀减速直线运动，t 时速度为零，接着反向做匀加速直线运动，后继续沿反方向做匀减速直线运动，tT时速度为零.根据对称性可知在tT时小球的水平位移为零，所以tT时，小球恰好到达B点，故A错误，B正确；在0T时间内，电场力做功为零，小球机械能变化量为零，所以tT时，小球速度等于v，故C、D错误.用用“等效法等效法”处理处理带电粒子在电场和重力场
5、中的运带电粒子在电场和重力场中的运动动能力考点师生共研题型二题型二1.等效重力法将重力与电场力进行合成，如图3所示，则F合为等效重力场中的“重力”，g 为等效重力场中的“等效重力加速度”，F合的方向等效为“重力”的方向，即在等效重力场中的“竖直向下”方向.图图32.物理最高点与几何最高点在“等效力场”中做圆周运动的小球，经常遇到小球在竖直平面内做圆周运动的临界速度问题.小球能维持圆周运动的条件是能过最高点，而这里的最高点不一定是几何最高点，而应是物理最高点.几何最高点是图形中所画圆的最上端，是符合人眼视觉习惯的最高点.而物理最高点是物体在圆周运动过程中速度最小的点.例2 2(2019吉林“五地
6、六校”合作体联考)如图4，一光滑绝缘半圆环轨道固定在竖直平面内，与光滑绝缘水平面相切于B 点，轨道半径为R.整个空间存在水平向右的匀强电场E，场强大小为 ，一带正电小球质量为m、电荷量为q，从距离B点为 处的A点以某一初速度沿AB方向开始运动，经过B点后恰能运动到轨道的最高点C.(重力加速度为g，sin 370.6，cos 370.8)则：图图4(1)带电小球从A 点开始运动时的初速度v0多大？解析小球在半圆环轨道上运动时，当小球所受重力、电场力的合力方向与速度垂直时，速度最小.设F合与竖直方向夹角为，设此时的速度为 v，由于合力恰好提供小球圆周运动的向心力，从A点到该点由动能定理：(2)带电
7、小球从轨道最高点C经过一段时间运动到光滑绝缘水平面上D点(图中未标出)，B 点与D 点的水平距离多大？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.设水平方向的加速度为a，B点到D点的水平距离为x变式2 2(多选)(2019四川乐山市第一次调查研究)如图5所示，在竖直平面内有水平向左的匀强电场，在匀强电场中有一根长为L的绝缘细线，细线一端固定在O点，另一端系一质量为m的带电小球.小球静止时细线与竖直方向成角，此时让小球获得初速度且恰能绕O点在竖直平面内沿逆时针方向做圆周运动，重力加速度为g.下列说法正确的是图图5D.小球从初始位置开始，在竖直
8、平面内运动一周的过程中，其电势能先减小后增大小球的机械能和电势能之和守恒，则小球运动至电势能最大的位置机械能最小，小球带负电，则小球运动到圆周轨迹的最左端点时机械能最小，选项C错误；小球从初始位置开始，在竖直平面内运动一周的过程中，电场力先做正功，后做负功，再做正功，则其电势能先减小后增大，再减小，选项D错误.电场中的力电综合问题电场中的力电综合问题1.带电粒子在电场中的运动(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
9、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.题型三题型三高考热点讲透练熟2.用能量观点处理带电体的运动对于受变力作用的带电体的运动，必须借助能量观点来处理.即使都是恒力作用的问题，用能量观点处理也常常更简捷.具体方法有：(1)用动能定理处理思维顺序一般为：弄清研究对象，明确所研究的物理过程.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.弄清所研究过程的始、末状态(主要指动能).根据WEk列出方程求解.(2)用包括电势能和
10、内能在内的能量守恒定律处理列式的方法常有两种：利用初、末状态的能量相等(即E1E2)列方程.利用某些能量的减少等于另一些能量的增加列方程.(3)两个结论若带电粒子只在电场力作用下运动，其动能和电势能之和保持不变.若带电粒子只在重力和电场力作用下运动，其机械能和电势能之和保持不变.例3 3(2019山东临沂市二模)一长为L的绝缘细线，细线一端固定在O点，另一端拴一质量为m、带电荷量为q的小球，处于如图6所示的水平向右的匀强电场中.开始时，将细线与小球拉成水平，小球静止在A点，释放后小球由静止开始向下摆动，当细线转过60角时，小球到达B点，速度恰好为零.求：图图6(1)A、B两点间的电势差和电场强
11、度大小；解析小球由A点到B点过程中，由动能定理得：mgLsin 60qUAB0，(2)判断小球的电性和小球到达B点时，细线对小球的拉力大小.解析小球在B点受到水平向右的电场力，与电场方向相同，故小球带正电；小球在A、B间摆动，由对称性得知，B处细线的拉力与A处细线的拉力相等，变式3 3(2020山东青岛市模拟)如图7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，小球带电荷量为q，静止时距地面的高度为h，细线与竖直方向的夹角为37，重力加速度为g.(sin 370.6，cos 370.8)求：图图7(1)匀强电场的场强大小E；解析小球静止时
12、，对小球受力分析如图所示，由FTcos 37mgFTsin 37qE(2)现将细线剪断，小球落地过程中水平位移的大小；解析剪断细线，小球在竖直方向做自由落体运动，水平方向做加速度为a的匀加速运动，由Eqma(3)现将细线剪断，带电小球落地前瞬间的动能.变式4 4(2019广东广州市下学期一模)在竖直平面内，一根长为L的绝缘细线，一端固定在O点，另一端拴着质量为m、电荷量为q的小球.小球始终处在场强大小为 、方向竖直向上的匀强电场中，现将小球拉到与O点等高处，且细线处于拉直状态，由静止释放小球，当小球的速度沿水平方向时，细线被拉断，之后小球继续运动并经过P点，P点与O点间的水平距离为L.重力加速
13、度为g，不计空气阻力，求：(1)细线被拉断前瞬间，细线的拉力大小；答案1.5mg解析由题意可知小球受到竖直向上的电场力FqE1.5mgmg所以小球被释放后将向上绕O点做圆周运动，到达圆周最高点时速度沿水平方向，设此时速度为v，解得：FT1.5mg(2)O、P两点间的电势差.解析细线断裂后小球做类平抛运动，加速度a竖直向上，由牛顿第二定律：Fmgma设细线断裂后小球经时间t到达P点，水平方向上有Lvt O、P两点沿电场方向(竖直方向)的距离为dLyO、P两点间的电势差UOPEd1.如图1所示，在两平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力)，当两板间的电压分别如图2中甲、乙、丙、丁所示时，电子在板
14、间运动(假设不与板相碰)，下列说法正确的是1234课时精练限时训练 练规范 练速度双基巩固练图图1图图2A.电压是甲图时，在0T 时间内，电子的电势能一直减少B.电压是乙图时，在0 时间内，电子的电势能先增加后减少C.电压是丙图时，电子在板间做往复运动D.电压是丁图时，电子在板间做往复运动56789 10电压是题图丙时，电子先向左做加速度先增大后减小的加速运动，过了 后做加速度先增大后减小的减速运动，到T 时速度减为0，之后重复前面的运动，故电子一直朝同一方向运动，故C错误；1234解析若电压是题图甲，0T 时间内，电场力先向左后向右，则电子先向左做匀加速直线运动，后做匀减速直线运动，即电场力
15、先做正功后做负功，电势能先减少后增加，故A错误；电压是题图乙时，在0 时间内，电子向右先加速后减速，即电场力先做正功后做负功，电势能先减少后增加，故B错误；56789 101234图图32.将如图3所示的交变电压加在平行板电容器A、B两板上，开始B板电势比A板电势高，这时有一个原来静止的电子正处在两板的中间，它在电场力作用下开始运动，设A、B两极板间的距离足够大，下列说法正确的是A.电子一直向着A板运动B.电子一直向着B板运动C.电子先向A板运动，然后返回向B板运动，之后在A、B两板间做周期性往复运动D.电子先向B板运动，然后返回向A板运动，之后在A、B两板间做周期性往复运动56789 103
16、.如图4所示，在竖直向上的匀强电场中，一根不可伸长的绝缘细绳的一端系着一个带电小球，另一端固定于O点，小球在竖直平面内做匀速圆周运动，最高点为a，最低点为b.不计空气阻力，则下列说法正确的是A.小球带负电B.电场力与重力平衡C.小球在从a点运动到b点的过程中，电势能减小D.小球在运动过程中机械能守恒1234图图456789 101234从ab，电场力做负功，电势能增大，C错误；由于有电场力做功，机械能不守恒，D错误.解析由于小球在竖直平面内做匀速圆周运动，所以重力与电场力的合力为0，即电场力与重力平衡，则电场力方向竖直向上，小球带正电，A错误，B正确；56789 1012344.水平放置的平行
17、板电容器与某一电源相连接后，断开电键，重力不可忽略的小球由电容器的正中央沿水平向右的方向射入该电容器，如图5所示，小球先后经过虚线的A、B两点.则A.如果小球所带的电荷为正电荷，小球所受的电场力一定向下B.小球由A到B的过程中电场力一定做负功C.小球由A到B的过程中动能可能减小D.小球由A到B的过程中，小球的机械能可能减小图图556789 101234如果小球受到的电场力向下，小球从A运动到B点过程中电场力做正功，如果小球受到的电场力向上，则电场力做负功，B错误；小球受到的合力向下，小球从A点运动到B点过程中合外力做正功，小球的动能增加，C错误；小球从A点运动到B点过程若电场力做负功，则小球的
18、机械能减少，D正确.解析由题图所示小球运动轨迹可知，小球向下运动，说明小球受到的合力竖直向下，重力与电场力的合力竖直向下；当小球带正电时，若上极板带正电荷，小球受到的合力向下，小球运动轨迹向下，若上极板带负电，且电场力小于重力，小球受到的合力向下，小球运动轨迹向下，A错误；56789 105.(多选)如图6所示为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象.当t0时，在此匀强电场中由静止释放一个带正电粒子，设带电粒子只受电场力的作用，则下列说法中正确的是A.带电粒子始终向同一个方向运动B.2 s末带电粒子回到原出发点C.3 s末带电粒子的速度为零D.03 s内，电场力做的总功为零图图61234567
19、89 10解析设第1 s内粒子的加速度为a1，第2 s内的加速度为a2，由a 可知，a22a1，可见，粒子第1 s内向负方向运动，1.5 s末粒子的速度为零，然后向正方向运动，至3 s末回到原出发点，粒子的速度为0，vt图象如图所示，由动能定理可知，此过程中电场力做的总功为零，综上所述，可知C、D正确.123456789 106.(多选)(2019四川达州市第二次诊断)如图7所示，M、N是组成电容器的两块水平放置的平行金属极板，M中间有一小孔.M、N分别接到电压恒定的电源上(图中未画出).小孔正上方的A点与极板M相距h，与极板N相距3h.某时刻一质量为m、带电荷量为q的微粒从A点由静止下落，到
20、达极板N时速度刚好为零，不计空气阻力，重力加速度为g.则A.带电微粒在M、N两极板间往复运动B.两极板间电场强度大小为C.若将M向下平移 ，微粒仍从A点由静止下落，进入电场后速度为零的位置与N的距离为 hD.若将N向上平移 ，微粒仍从A由静止下落，进入电场后速度为零的位置与M的距离为 h图图7123456789 10解析由于微粒在电场中和在电场外受到的力都是恒力不变，可知微粒将在A点和下极板之间往复运动，选项A错误；设微粒速度为零时的位置与M极板相距h，123456789 10综合提升练7.(2019河南南阳市上学期期末)如图8所示，用长为L的绝缘轻线把质量为m、带电荷量为q(q0)的小球悬挂
21、于天花板上O点，小球静止于O点正下方.如果在天花板下方空间，加上水平向右的匀强电场，小球向右运动，悬线偏转的最大角度为60，则所加匀强电场的电场强度为图图8解析带电小球受到电场力向右摆动的最大角度为60，末速度为零，此过程中电场力Eq对小球做正功，重力G做负功，细线拉力FT不做功，根据动能定理，则有：qELsin mgL(1cos 60)0，123456789 108.(多选)(2020四川乐山市第一次调查研究)如图9所示，在绝缘的斜面上方存在着水平向右的匀强电场，一带电金属块沿斜面滑下，已知金属块在滑下的过程中动能增加了12 J，金属块克服摩擦力做功8 J，重力做功24 J，则以下判断正确的
22、是A.金属块的机械能增加32 JB.金属块的电势能增加4 JC.金属块带正电荷D.金属块克服电场力做功8 J图图9解析由动能定理得：W总WGW电WfEk，解得：W电4 J，所以金属块克服电场力做功4 J，金属块的电势能增加4 J；由于金属块下滑，电场力做负功，所以电场力应该水平向右，所以金属块带正电荷，故B、C正确，D错误；在金属块下滑的过程中重力做功24 J，重力势能减小24 J，动能增加了12 J，所以金属块的机械能减少12 J，故A错误.123456789 109.(2019广东“六校联盟”第四次联考)如图10所示，ACB是一条足够长的绝缘水平轨道，轨道CB处在方向水平向右、大小E1.0
23、106 N/C的匀强电场中，一质量m0.25 kg、电荷量q2.0106 C的可视为质点的小物体，在距离C点L06.0 m的A点处，在拉力F4.0 N的作用下由静止开始向右运动，当小物体到达C点时撤去拉力，小物体滑入电场中.已知小物体与轨道间的动摩擦因数0.4，取g10 m/s2，求：图图10123456789 10(1)小物体到达C点时的速度大小；答案12 m/s小物体到达C点的过程中有：v22aL0代入数据解得：v12 m/s123456789 10(2)小物体在电场中运动的时间.答案2.7 s由于|q|Emg，所以小物体先向右减速运动，后反向向左加速运动，直到滑出电场123456789
24、1010.(2019四川南充市第一次适应性考试)如图11所示，在竖直平面内的平面直角坐标系xOy中，x轴上方有水平向右的匀强电场，有一质量为m、电荷量为q(q0)的带电绝缘小球，从y轴上的P(0，L)点由静止开始释放，运动至x轴上的A(L,0)点时，恰好无碰撞地沿切线方向进入固定在x轴下方竖直放置的四分之三圆弧形光滑绝缘细管，细管的圆心O1位于y轴上，交y轴于B点，交x轴于A点和C(L,0)点，已知细管内径略大于小球外径，小球直径远小于细管轨道的半径，不计空气阻力，重力加速度为g.求：图图11123456789 10(1)匀强电场的电场强度的大小；解析小球由静止释放后在重力和电场力的作用下做匀加速直线运动，小球从A点沿切线方向进入，则此时速度方向与竖直方向的夹角为45，即加速度方向与竖直方向的夹角为45，123456789 10(2)小球运动到B点时对细管的压力；根据牛顿第三定律可得小球运动到B点时对细管的压力大小123456789 10(3)小球从C点飞出后落在x轴上的位置坐标.答案(7L,0)123456789 10解析从P到A的过程中，根据动能定理得：小球从C点抛出后做类平抛运动xL8L7L，则小球从C点飞出后落在x轴上的坐标为(7L,0).123456789 10大一轮复习讲义专题强化九带电粒子(带电 体)在电场中运 动的综合问题
