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【物理課堂】用配速法解決問題—經(jīng)典7例

 雨下云 2023-01-30 發(fā)布于北京

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若帶電粒子在磁場中所受合力不為零,則粒子的速度會改變,洛倫茲力也會隨著變化,合力也會跟著變化,粒子做一般曲線運動,運動比較復(fù)雜。此時,我們可以把初速度分解成兩個分速度,使其一個分速度對應(yīng)的洛倫茲力與重力(或電場力,或重力和電場力的合力)平衡,另一個分速度對應(yīng)的洛倫茲力使粒子做勻速圓周運動,這樣一個復(fù)雜的曲線運動就可以分解分兩個比較常見的運動,即沿某一方向的勻速直線運動和沿某一時針方向的勻速圓周運動的合成。這實際上是借助等效原理和運動的合成分解原理,在全新的數(shù)理模型基礎(chǔ)上簡化了問題,我們將這種方法稱之為'配速法'。

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典例1如右圖所示,在垂直紙面向內(nèi)的勻強磁場B和豎直向下的電場E中,有一質(zhì)量m、帶電量+q的粒子(不計重力)由點P無初速釋放,求:

(1)粒子向下運動的最大位移dmax。

(2)粒子運動過程中的最小速度Vmin和最大速度Vmax。

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解析:由于粒子初速為零釋放,運用配速法,把初速零分解成水平向右的速度V1與水平向左的速度V1,同時粒子水平向右的速度1對應(yīng)豎直向上的洛倫茲力平衡電場力,即BqV1=qE,得V1=E/B。粒子水平向左的速度1對應(yīng)豎直向下的洛倫茲力,所以粒子可看成是水平向右以速度V1做勻速直線運動和以速度V1做逆時針方向勻速圓周運動的合運動。

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典例2在場強為B的水平勻強磁場中,一質(zhì)量為m、帶正電q的小球在0點靜止釋放,小球的運動曲線如圖所示,重力加速度為g 。求:

(1)小球在運動過程中第一次下降的最大距離ym;
(2)當在上述磁場中加一豎直向上場強為E(E>mg/q)的勻強電場時,小球從O點靜止釋放后獲得的最大速率vm。
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(1)(配速法):粒子的初速度為零,可分解為水平向右的速度1和水平向左的速度V1,其中水平向右的速度V1對應(yīng)的洛倫茲力與重力平衡
BqV1=mg①

因此,粒子的運動是水平向右速度為V1的勻速直線運動和初速度水平向左,大小為V1的逆時針勻速圓周運動的合運動,圓周運動的半徑

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把初速零分解成水平向右的速度v1與水平向左的速度V1,同時粒子水平向左的速度V1對應(yīng)豎直向下的洛倫茲力平衡電場力和重力的合力,其中,Bqv1=Eq-mg

因此,粒子的運動是水平向左速度為v1的勻速直線運動和初速度水平向右,大小為V1的順時針勻速圓周運動的合運動,最低點速度最大。

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典例3如圖所示,空間存在范圍足夠大的垂直于xOy平面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B,讓質(zhì)量為m、電量為q(q>0)的粒子以初速V0沿豎直向上發(fā)射,粒子運動過程中重力不能忽略,。求該粒子運動過程中的最大速度值vm

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解析:把初速度V0,分解成速度v1和速度V2,由矢量分解有粒子水平向右的速度V1對應(yīng)豎直向上的洛倫茲力平衡重力,其中:Bqv1=mg因此粒子的運動是水平向右速度為V1的勻速直線運動和初速度斜向左上方,大小為V2的逆時針勻速圓周運動的合運動,最低點速度最大:vm=v1+v

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典例4某空間內(nèi)存在電場強度大小E=100V/m、方向水平向左的勻強電場和磁感應(yīng)強度大小B1=100T、方向垂直紙面向里的勻強磁場(圖中均未畫出)。一質(zhì)量m=0.1kg、帶電荷量q=+0.01C的小球從O點由靜止釋放,虛線OB與水平方向的夾角為450,小球在豎直面內(nèi)的運動軌跡如圖中實線所示,軌跡上的A點離OB最遠且與OB的距離為L,重力加速度g取10m/s2。下列說法正確是(    )

A、在運動過程中,小球的機械能守恒 B、在運動過程的最大速度為2m/s

C、小球經(jīng)過B點時的速度為0               D、L=根號2m

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典例5

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典例6

(2022·全國甲卷·18)空間存在著勻強磁場和勻強電場,磁場的方向垂直于紙面(xOy平面)向里,電場的方向沿y軸正方向.一帶正電的粒子在電場和磁場的作用下,從坐標原點O由靜止開始運動.下列四幅圖中,可能正確描述該粒子運動軌跡的是(  )

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【解析】在xOy平面內(nèi)電場的方向沿y軸正方向,故在坐標原點O靜止的帶正電粒子在電場力作用下會向y軸正方向運動.磁場方向垂直于紙面向里,根據(jù)左手定則,可判斷出向y軸正方向運動的粒子同時受到沿x軸負方向的洛倫茲力,故帶電粒子向x軸負方向偏轉(zhuǎn),A、C錯誤;運動的過程中電場力對帶電粒子做功,粒子速度大小發(fā)生變化,粒子所受的洛倫茲力方向始終與速度方向垂直.由于勻強電場方向是沿y軸正方向,故x軸為勻強電場的等勢面,從開始到帶電粒子偏轉(zhuǎn)再次運動到x軸時,電場力做功為0,洛倫茲力不做功,故帶電粒子再次回到x軸時的速度為0,隨后受電場力作用再次進入第二象限重復(fù)向左偏轉(zhuǎn),B正確,D錯誤.

典例7空間同時存在勻強電場和勻強磁場.如圖所示,勻強電場的方向沿y軸正方向,場強大小為E;磁場方向垂直紙面向外.質(zhì)量為m、電荷量為+q 的粒子(重力不計)從坐標原點0由靜止釋放,釋放后粒子恰能沿圖中的曲線運動.已知該曲線的最高點P的縱坐標為h,曲線在P點附近的一小部分,可以看做是半徑為2h的圓周上的一小段圓弧,則( )

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本文電子版來源于韓進忠老師,韓進忠老師早年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系。物理名師,對高考物理頗有研究。

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