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第7课时专题强化:带电粒子在电场中的力电综合问题
目标要求1.会用等效法分析带电粒子在电场和重力场中的圆周运动。2.会用动力学、能量和动量观点分析带电粒子的力电综合问题。
考点一带电粒子在重力场和电场中的圆周运动
1.等效重力场
物体仅在重力场中的运动是最常见、最基本的运动,但是对于处在匀强电场和重力场中物体的运动问题就会变得复杂一些。此时可以将重力场与电场合二为一,用一个全新的“复合场”来代替,可形象称之为“等效重力场”。
2.
3.举例
例1(2023·广东中山市期末)空间中有竖直向上的匀强电场,电场强度E=eq\f(3mg,q)。绝缘圆形轨道竖直放置,O点是它的圆心、半径为R,A、C为圆轨道的最低点和最高点,B、D为与圆心O等高的两点,如图所示。在轨道A点放置一质量为m,带电荷量为+q的光滑小球。现给小球一初速度v0(v0≠0),重力加速度为g,则下列说法正确的是()
A.无论v0多大,小球不会脱离轨道
B.只有v0≥eq\r(gR),小球才不会脱离轨道
C.v0越大,小球在A、C两点对轨道的压力差也越大
D.若将小球无初速度从D点释放,小球一定会沿轨道经过C点
答案D
解析由题意可知小球所受静电力与重力的合力方向竖直向上,大小为F=qE-mg=2mg,若要使小球不脱离轨道,设其在A点所具有的最小速度为vmin,根据牛顿第二定律有F=meq\f(vmin2,R),解得vmin=eq\r(2gR),所以只有当v0≥eq\r(2gR)时,小球才不会脱离轨道,故A、B错误;假设小球可以在轨道中做完整的圆周运动,在C点的速度大小为v1,根据动能定理有eq\f(1,2)mv12-eq\f(1,2)mv02=F·2R,在A、C点小球所受轨道的支持力大小分别为F0和F1,根据牛顿第二定律有F0+F=meq\f(v02,R),F1-F=meq\f(v12,R),联立以上三式解得ΔF=F1-F0=6F=12mg,根据牛顿第三定律可知小球在A、C两点对轨道的压力差等于12mg,与v0的大小无关,故C错误;若将小球无初速度从D点释放,由于F向上,所以小球一定能沿DC轨道经过C点,故D正确。
例2(多选)(2023·四川省二模)如图所示,质量为m、带电荷量为+q的小圆环套在半径为R的光滑绝缘大圆环上,大圆环固定在竖直平面内,O为环心,A为最低点,B为最高点,在大圆环所在的竖直平面内施加水平向右、电场强度大小为eq\f(mg,q)(g为重力加速度)的匀强电场,并同时给在A点的小圆环一个向右的水平初速度v0(v0未知),小圆环恰好能够沿大圆环做完整的圆周运动,则小圆环运动过程中()
A.动能最小与最大的位置在同一等势面上
B.电势能最小的位置恰是机械能最大的位置
C.在A点获得的初速度为eq\r(2?1+\r(2)?gR)
D.过B点受到大环的弹力大小为mg
答案BC
解析由于匀强电场的电场强度为eq\f(mg,q),即静电力与重力大小相等,作出小圆环的等效物理最低点C与等效物理最高点位置D,如图所示,
小圆环在等效物理最低点速度最大,动能最大,在等效物理最高点速度最小,动能最小,根据沿电场线电势降低,可知φDφC,可知其不在同一等势面上,A错误;小圆环在运动过程中,只有电势能、动能与重力势能的转化,即只有电势能与机械能的转化,则电势能最小的位置恰是机械能最大的位置,B正确;小圆环恰好能够沿大圆环做完整的圆周运动,即小圆环通过等效物理最高点D的速度为0,对圆环分析有
-qERsin45°-mg(R+Rcos45°)=0-eq\f(1,2)mv02,
解得v0=eq\r(2?1+\r(2)?gR),C正确;
小圆环从A运动到B过程有
-mg·2R=eq\f(1,2)mvB2-eq\f(1,2)mv02,
在B点有FN+mg=meq\f(vB2,R),
解得FN=(2eq\r(2)-3)mg0,
可知,小圆环过B点受到大环的弹力大小为
(3-2eq\r(2))mg,D错误。
考点二电场中的力电综合问题
1.动力学的观点
(1)由于匀强电场中带电粒子所受静电力和重力都是恒力,可用正交分解法。
(2)综合运用牛顿运动定律和匀变速直线运动公式,注意受力分析要全面,特别注意重力是否需要考虑的问题。
2.能量的观点
(1)运用动能定理,注意过程分析要全面,准确求出过程中的所有力做的功,判断是对分过程还是对全过程使用动能定理。
(2)运用能量守恒定律,注意题目中有哪些形式的能量出现。
3.动量的观点
(1)运用动量定理,要注意动量定理的表达式是矢量式,在一维情况下,各个矢量必须选同一个正方向。
(2)运用动量守恒定律,除了要注意动量守恒定律的表达式是矢量式,还要注意题目表述是否为某方向上动量守恒
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