带电粒子在电场中的运动的综合问题Word文件下载.docx
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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
如图1（a）所示，两平行正对的金属板A、B间加有如图（b）所示的交变电压，一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处.若在t0时刻释放该粒子，粒子会时而向A板运动，时而向B板运动，并最终打在A板上.则t0可能属于的时间段是（ ）
图1
A.0＜t0＜
B.
＜t0＜
C.
＜t0＜TD.T＜t0＜
答案 B
解析 设粒子的速度方向、位移方向向右为正.依题意知，粒子的速度方向时而为正，时而为负，最终打在A板上时位移为负，速度方向为负.分别作出t0＝0、
、
时粒子运动的v－t图象，如图所示.由于v－t图线与时间轴所围面积表示粒子通过的位移，则由图象知，0＜t0＜
与
＜t0＜T时粒子在一个周期内的总位移大于零，
时粒子在一个周期内的总位移小于零；
t0＞T时情况类似.因粒子最终打在A板上，则要求粒子在每个周期内的总位移应小于零，对照各项可知B正确.
变式1
如图2所示，A、B两金属板平行放置，在t＝0时将电子从A板附近由静止释放（电子的重力忽略不计）.分别在A、B两板间加上下列哪种电压时，有可能使电子到不了B板（ ）
图2
变式2
（多选）（2015·
山东理综·
20）如图3甲所示，两水平金属板间距为d，板间电场强度的变化规律如图乙所示.t＝0时刻，质量为m的带电微粒以初速度v0沿中线射入两板间，0～
时间内微粒匀速运动，T时刻微粒恰好经金属板边缘飞出.微粒运动过程中未与金属板接触.重力加速度的大小为g.关于微粒在0～T时间内运动的描述，正确的是（ ）
图3
A.末速度大小为
v0
B.末速度沿水平方向
C.重力势能减少了
mgd
D.克服电场力做功为mgd
答案 BC
解析 因0～
时间内微粒匀速运动，故E0q＝mg；
在
～
时间内，粒子只受重力作用，做平抛运动，在t＝
时刻的竖直速度为vy1＝
，水平速度为v0；
～T时间内，由牛顿第二定律2E0q－mg＝ma，解得a＝g，方向向上，则在t＝T时刻，vy2＝vy1－g
＝0，粒子的竖直速度减小到零，水平速度为v0，选项A错误，B正确；
微粒的重力势能减小了ΔEp＝mg·
＝
mgd，选项C正确；
从射入到射出，由动能定理可知，
mgd－W电＝0，可知克服电场力做功为
mgd，选项D错误；
故选B、C.
命题点二 用“等效法”处理带电粒子在
电场和重力场中的运动
1.等效重力法
将重力与电场力进行合成，如图4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4
2.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（称为临界速度）的点.
例2
如图5所示，半径为r的绝缘光滑圆环固定在竖直平面内，环上套有一质量为m、带电荷量为＋q的珠子，现在圆环平面内加一个匀强电场，使珠子由最高点A从静止开始释放（AC、BD为圆环的两条互相垂直的直径），要使珠子沿圆弧经过B、C刚好能运动到D.（重力加速度为g）
图5
（1）求所加电场的场强最小值及所对应的场强的方向；
（2）当所加电场的场强为最小值时，求珠子由A到达D的过程中速度最大时对环的作用力大小；
（3）在
（1）问电场中，要使珠子能完成完整的圆周运动，在A点至少应使它具有多大的初动能？
答案 见解析
解析
（1）根据题述，珠子运动到BC弧中点M时速度最大，作过M点的直径MN，设电场力与重力的合力为F，则其方向沿NM方向，分析珠子在M点的受力情况，由图可知，当F电垂直于F时，F电最小，最小值为：
F电min＝mgcos45°
mg
F电min＝qEmin
解得所加电场的场强最小值Emin＝
，方向沿∠AOB的角平分线方向指向左上方.
（2）当所加电场的场强为最小值时，电场力与重力的合力为F＝mgsin45°
把电场力与重力的合力看做是“等效重力”，对珠子由A运动到M的过程，由动能定理得
F（r＋
r）＝
mv2－0
在M点，由牛顿第二定律得：
FN－F＝m
联立解得FN＝（
＋1）mg
由牛顿第三定律知，珠子对环的作用力大小为
FN′＝FN＝（
＋1）mg.
（3）由题意可知，N点为等效最高点，只要珠子能到达N点，就能做完整的圆周运动，珠子在N点速度为0时，所需初动能最小，此过程中，由动能定理得：
－F（r－
r）＝0－EkA
解得EkA＝
mgr.
变式3
（2018·
陕西西安质检）如图6所示的装置是在竖直平面内放置的光滑绝缘轨道，处于水平向右的匀强电场中，带负电荷的小球从高为h的A处由静止开始下滑，沿轨道ABC运动并进入圆环内做圆周运动.已知小球所受电场力是其重力的
，圆环半径为R，斜面倾角为θ＝60°
，sBC＝2R.若使小球在圆环内能做完整的圆周运动，h至少为多少？
（sin37°
＝0.6，cos37°
＝0.8）
图6
答案 7.7R
解析 小球所受的重力和电场力都为恒力，故可将两力等效为一个力F，如图所示.可知F＝1.25mg，方向与竖直方向成37°
角.由图可知，小球做完整的圆周运动的临界点是D点，设小球恰好能通过D点，即到达D点时圆环对小球的弹力恰好为零.
由圆周运动知识得：
F＝
，即：
1.25mg＝m
小球由A运动到D点，由动能定理结合几何知识得：
mg（h－R－Rcos37°
）－
mg·
（
＋2R＋Rsin37°
）＝
mvD2，联立解得h≈7.7R.
命题点三 电场中的力电综合问题
1.力学规律
（1）动力学规律：
牛顿运动定律结合运动学公式.
（2）能量规律：
动能定理或能量守恒定律.
2.电场规律
（1）电场力的特点：
F＝Eq，正电荷受到的电场力与场强方向相同.
（2）电场力做功的特点：
WAB＝FLABcosθ＝qUAB＝EpA－EpB.
3.多阶段运动
在多阶段运动过程中，当物体所受外力突变时，物体由于惯性而速度不发生突变，故物体在前一阶段的末速度即为物体在后一阶段的初速度.对于多阶段运动过程中物体在各阶段中发生的位移之间的联系，可以通过作运动过程草图来获得.
例3
（2017·
全国卷Ⅰ·
25）真空中存在电场强度大小为E1的匀强电场，一带电油滴在该电场中竖直向上做匀速直线运动，速度大小为v0，在油滴处于位置A时，将电场强度的大小突然增大到某值，但保持其方向不变.持续一段时间t1后，又突然将电场反向，但保持其大小不变；
再持续同样一段时间后，油滴运动到B点.重力加速度大小为g.
（1）求油滴运动到B点时的速度；
（2）求增大后的电场强度的大小；
为保证后来的电场强度比原来的大，试给出相应的t1和v0应满足的条件.已知不存在电场时，油滴以初速度v0做竖直上抛运动的最大高度恰好等于B、A两点间距离的两倍.
解析
（1）油滴带电性质不影响结果.设该油滴带正电，油滴质量和电荷量分别为m和q，油滴速度方向向上为正.油滴在电场强度大小为E1的匀强电场中做匀速直线运动，故匀强电场方向向上.在t＝0时，电场强度突然从E1增加至E2，油滴做竖直向上的匀加速运动，加速度方向向上，大小a1满足
qE2－mg＝ma1①
油滴在t1时刻的速度为
v1＝v0＋a1t1②
电场强度在t1时刻突然反向，之后油滴做匀变速直线运动，加速度方向向下，大小a2满足
qE2＋mg＝ma2③
油滴在t2＝2t1时刻，即运动到B点时的速度为
v2＝v1－a2t1④
由①②③④式得
v2＝v0－2gt1⑤
（2）由题意，在t＝0时刻前有
qE1＝mg⑥
油滴从t＝0到t1时刻的位移为
x1＝v0t1＋
a1t12⑦
油滴在从t1时刻到t2＝2t1时刻的时间间隔内的位移为
x2＝v1t1－
a2t12⑧
由题给条件有v
＝2g×
2h＝4gh⑨
式中h是B、A两点之间的距离.
若B点在A点之上，依题意有
x1＋x2＝h⑩
由①②③⑥⑦⑧⑨⑩式得
E2＝[2－2
＋
）2]E1⑪
为使E2＞E1，应有
2－2
）2＞1⑫
解得0＜t1＜（1－
）
⑬
或t1＞（1＋
⑭
条件⑬式和⑭式分别对应于v2＞0和v2＜0两种情形.
若B在A点之下，依题意有
x2＋x1＝－h⑮
由①②③⑥⑦⑧⑨⑮式得
－
）2]E1⑯
为使E2>
E1，应有
）2>
1⑰
解得t1>
＋1）
⑱
另一解为负，不符合题意，舍去.
变式4
全国卷Ⅱ·
25）如图7所示，两水平面（虚线）之间的距离为H，其间的区域存在方向水平向右的匀强电场.自该区域上方的A点将质量均为m，电荷量分别为q和－q（q>
0）的带电小球M、N先后以相同的初速度沿平行于电场的方向射出.小球在重力作用下进入电场区域，并从该区域的下边界离开.已知N离开电场时的速度方向竖直向下；
M在电场中做直线运动，刚离开电场时的动能为N刚离开电场时的动能的1.5倍.不计空气阻力，重力加速度大小为g.求：
图7
（1）M与N在电场中沿水平方向的位移之比；
（2）A点距电场上边界的高度；
（3）该电场的电场强度大小.
答案
（1）3∶1
（2）
H （3）
解析
（1）设小球M、N在A点水平射出时的初速度大小为v0，则它们进入电场时的水平速度仍然为v0.M、N在电场中运动的时间t相等，电场力作用下产生的加速度沿水平方向，大小均为a，在电场中沿水平方向的位移分别为s1和s2.由题给条件和运动学公式得
v0－at＝0①
s1＝v0t＋
at2②
s2＝v0t－
at2③
联立①②③式得
＝3④
（2）设A点距电场上边界的高度为h，小球下落h时在竖直方向的分速度为vy，由运动学公式
vy2＝2gh⑤
H＝vyt＋
gt2⑥
M进入电场后做直线运动，由几何关系知
⑦
联立①②⑤⑥⑦式可得
h＝
H⑧
（3）设电场强度的大小为E，小球M进入电场后做直线运动，则
⑨
设M、N离开电场时的动能分别为Ek1、Ek2，由动能定理得
Ek1＝
m（v02＋vy2）＋mgH＋qEs1⑩
Ek2＝
m（v02＋vy2）＋mgH－qEs2⑪
由已知条件
Ek1＝1.5Ek2⑫
联立④⑤⑦⑧⑨⑩⑪⑫式得
E＝
变式5
如图8所示，在E＝103V/m的竖直匀强电场中，有一光滑半圆形绝缘轨道QPN与一水平绝缘轨道MN在N点平滑相接，半圆形轨道平面与电场线平行，其半径R＝40cm，N为半圆形轨道最低点，P为QN圆弧的中点，一带负电q＝10－4C的小滑块质量m＝10g，与水平轨道间的动摩擦因数μ＝0.15，位于N点右侧1.5m的M处，g取10m/s2，求：
图8
（1）要使小滑块恰能运动到半圆形轨道的最高点Q，则小滑块应以多大的初速度v0向左运动？
（2）这样运动的小滑块通过P点时对轨道的压力是多大？
答案
（1）7m/s
（2）0.6N
解析
（1）设小滑块恰能到达Q点时速度为v，
由牛顿第二定律得mg＋qE＝m
小滑块从开始运动至到达Q点过程中，由动能定理得
－mg·
2R－qE·
2R－μ（mg＋qE）x＝
mv2－
mv02
联立解得：
v0＝7m/s.
（2）设小滑块到达P点时速度为v′，则从开始运动至到达P点过程中，由动能定理得
－（mg＋qE）R－μ（qE＋mg）x＝
mv′2－
又在P点时，由牛顿第二定律得FN＝m
代入数据，解得：
FN＝0.6N
由牛顿第三定律得，小滑块通过P点时对轨道的压力FN′＝FN＝0.6N.
1.（2017·
河南中原名校第二次联考）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，电子在板间运动（假设不与板相碰），下列说法正确的是（ ）
A.电压是甲图时，在0～T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
答案 D
解析 若电压是甲图，0～T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，即电场力先做正功后做负功，电势能先减少后增加，故A错误；
电压是乙图时，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；
电压是丙图时，电子先向左做加速度先增大后减小的加速运动，过了
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，C错误；
电压是丁图时，电子先向左加速，到
后向左减速，
后向右加速，
T后向右减速，T时速度减为零，之后重复前面的运动，故电子做往复运动，D正确.
2.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
3.一匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象如图4所示，在该匀强电场中，有一个带负电粒子于t＝0时刻由静止释放，若带电粒子只受电场力作用，则下列说法中正确的是（假设带电粒子不与板相碰）（ ）
A.带电粒子只向一个方向运动
B.0～2s内，电场力做功等于0
C.4s末带电粒子回到原出发点
D.2.5～4s内，电场力做功等于0
解析 画出带电粒子速度v随时间t变化的图象如图所示，
v－t图线与时间轴所围“面积”表示位移，可见带电粒子不是只向一个方向运动，4s末带电粒子不能回到原出发点，A、C错误；
2s末速度不为0，可见0～2s内电场力做的功不等于0，B错误；
2.5s末和4s末，速度的大小、方向都相同，则2.5～4s内，电场力做功等于0，所以D正确.
4.如图5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.电场力跟重力平衡
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
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，电场力方向竖直向上，小球带正电，A错，B对；
从a→b，电场力做负功，电势能增大，C错；
由于有电场力做功，机械能不守恒，D错.
5.（多选）（2017·
河北唐山一模）如图6所示，竖直平面内有A、B两点，两点的水平距离和竖直距离均为H，空间存在水平向右的匀强电场.一质量为m的带电小球从A点以水平速度v0抛出，经一段时间竖直向下通过B点.重力加速度为g，小球在由A到B的运动过程中，下列说法正确的是（ ）
B.速度先增大后减小
C.机械能一直减小
D.任意一小段时间内，电势能的增加量总等于重力势能的减少量
答案 AC
解析 由题可知，小球在竖直方向做自由落体运动，在水平方向做匀减速运动，可知其所受电场力方向向左，与电场方向相反，则小球带负电，电场力一直对小球做负功，小球的电势能增加，机械能减小，A、C正确.小球受竖直向下的重力和水平向左的电场力，合力方向指向左下方，又初速度水平向右，末速度竖直向下，由力与速度夹角关系可知，合力对小球先做负功，后做正功，小球的速度先减小后增大，B错误.任意一小段时间内，小球的动能、电势能和重力势能的和保持不变，则电势能的增加量不一定等于重力势能的减少量，D错误.
6.（2017·
河南郑州第一次联考）如图7甲所示，在y＝0和y＝2m之间有沿着x轴方向的匀强电场，MN为电场区域的上边界，在x轴方向范围足够大.电场强度的变化如图乙所示，取x轴正方向为电场正方向.现有一个带负电的粒子，粒子的比荷
＝1.0×
10－2C/kg，在t＝0时刻以速度v0＝5×
102m/s从O点沿y轴正方向进入电场区域，不计粒子重力作用.求：
（1）粒子通过电场区域的时间；
（2）粒子离开电场的位置坐标；
（3）粒子通过电场区域后沿x轴方向的速度大小.
答案
（1）4×
10－3s
（2）（－2×
10－5m,2m） （3）4×
10－3m/s
解析
（1）因为粒子初速度方向垂直于匀强电场，在电场中做类平抛运动，所以粒子通过电场区域的时间t＝
＝4×
10－3s.
（2）粒子带负电，沿x轴负方向先加速后减速，加速时的加速度大小a1＝
＝4m/s2，减速时的加速度大小a2＝
＝2m/s2，离开电场时，在x轴方向上的位移大小x＝
a1（
）2＋a1（
）2－
a2（
）2＝2×
10－5m，因此粒子离开电场的位置坐标为（－2×
10－5m,2m）.
（3）粒子通过电场区域后沿x轴方向的速度大小为：
vx＝a1
－a2
10－3m/s.
7.（2018·
江西宜春调研）如图8所示，O、A、B、C为一粗糙绝缘水平面上的四点，不计空气阻力，一电荷量为－Q的点电荷固定在O点，现有一质量为m、电荷量为－q的小金属块（可视为质点），从A点由静止沿它们的连线向右运动，到B点时速度最大，其大小为vm，小金属块最后停止在C点.已知小金属块与水平面间的动摩擦因数为μ，A、B间距离为L，静电力常量为k，则（ ）
A.在点电荷－Q形成的电场中，A、B两点间的电势差UAB＝
B.在小金属块由A向C运动的过程中，电势能先增大后减小
C.OB间的距离为
D.从B到C的过程中，小金属块的动能全部转化为电势能
答案 C
解析 小金属块从A到B过程，由动能定理得：
－qUAB－μmgL＝
mvm2－0，得A、B两点间的电势差UAB＝－
，故A错误；
小金属块由A点向C点运动的过程中，电场力一直做正功，电势能一直减小，故B错误；
由题意知，A到B过程，金属块做加速运动，B到C过程，金属块做减速运动，在B点金属块所受的滑动摩擦力与库仑力平衡，则有μmg＝k
，得r＝
，故C正确；
从B到C的过程中，小金属块的动能和减少的电势能全部转化为内能，故D错误.
8.如图9所示，匀强电场方向与水平线间夹角θ＝30°
，方向斜向右上方，电场强度为E，质量为m的小球带负电，以初速度v0开始运动，初速度方向与电场方向一致.
图9
（1）若小球的带电荷量为q＝
，为使小球能做匀速直线运动，应对小球施加的恒力F1的大小和方向各如何？
（2）若小球的带电荷量为q＝
，为使小球能做直线运动，应对小球施加的最小恒力F2的大小和方向各如何？
答案
（1）
mg 方向与水平线成60°
角斜向右上方
（2）
角斜向左上方
解析
（1）如图甲所示，为使小球做匀速直线运动，必使其合外力为0，设对小球施加的力F1与水平方向夹角为α，则F1cosα＝qEcosθ，F1sinα＝mg＋qEsinθ
代入数据解得α＝60°
，F1＝
即恒力F1与水平线成60°
角斜向右上方.
（2）为使小球能做直线运动，则小球所受合力的方向必和运动方向在一条直线上，故要使力F2和mg的合力和电场力在一条直线上.如图乙，当F2取最小值时，F2垂直于F.故F2＝mgsin60°
mg，方向与水平线成60°
角
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