高中物理带电粒子在电场中的运动题20套(带答案)含解析

高中物理带电粒子在电场中的运动题20套(带答案)含解析
一、高考物理精讲专题带电粒子在电场中的运动
1．如图所示，竖直平面内有一固定绝缘轨道ABCDP ，由半径r ＝0.5m 的圆弧轨道CDP 和与之相切于C 点的水平轨道ABC 组成，圆弧轨道的直径DP 与竖直半径OC 间的夹角θ＝37°，A 、B 两点间的距离d ＝0.2m 。

质量m 1＝0.05kg 的不带电绝缘滑块静止在A 点，质量m 2＝0.1kg 、电荷量q ＝1×10﹣5C 的带正电小球静止在B 点，小球的右侧空间存在水平向右的匀强电场。

现用大小F ＝4.5N 、方向水平向右的恒力推滑块，滑块到达B 点前瞬间撤去该恒力，滑块与小球发生弹性正碰，碰后小球沿轨道运动，到达P 点时恰好和轨道无挤压且所受合力指向圆心。

小球和滑块均视为质点，碰撞过程中小球的电荷量不变，不计一切摩擦。

取g ＝10m/s 2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8.
(1)求撤去该恒力瞬间滑块的速度大小v 以及匀强电场的电场强度大小E ； (2)求小球到达P 点时的速度大小v P 和B 、C 两点间的距离x ；
(3)若小球从P 点飞出后落到水平轨道上的Q 点（图中未画出）后不再反弹，求Q 、C 两点间的距离L 。

【答案】（1）撤去该恒力瞬间滑块的速度大小是6m/s ，匀强电场的电场强度大小是7.5×104N/C ；（2）小球到达P 点时的速度大小是2.5m/s ，B 、C 两点间的距离是0.85m 。

（3）Q 、C 两点间的距离为0.5625m 。

【解析】 【详解】
（1）对滑块从A 点运动到B 点的过程，根据动能定理有：Fd ＝1
2
m 1v 2， 代入数据解得：v ＝6m/s
小球到达P 点时，受力如图所示，由平衡条件得：qE ＝m 2g tanθ， 解得：E ＝7.5×104N/C 。

（2）小球所受重力与电场力的合力大小为：G 等＝
2cos m g
①
小球到达P点时，由牛顿第二定律有：G等＝m2
2
P
v
r
②
联立①②，代入数据得：v P＝2.5m/s
滑块与小球发生弹性正碰，设碰后滑块、小球的速度大小分别为v1、v2，
以向右方向为正方向，由动量守恒定律得：m1v＝m1v1+m2v2 ③
由能量守恒得：222
11122
111
222
m v m v m v
=+④
联立③④，代入数据得：v1＝﹣2m/s（“﹣”表示v1的方向水平向左），v2＝4m/s
小球碰后运动到P点的过程，由动能定理有：
qE（x﹣r sinθ）﹣m2g（r+r cosθ）＝22
222
11
22
P
m v m v
-⑤
代入数据得：x＝0.85m。

（3）小球从P点飞出水平方向做匀减速运动，有：L﹣r sinθ＝v P cosθt﹣2
2
1
2
qE
t
m⑥
竖直方向做匀加速运动，有：r+r cosθ＝v P sinθt+
1
2
gt2⑦
联立⑥⑦代入数据得：L＝0.5625m；
2．在如图所示的平面直角坐标系中，存在一个半径R＝0.2m的圆形匀强磁场区域，磁感应强度B＝1.0T，方向垂直纸面向外，该磁场区域的右边缘与y坐标轴相切于原点O点。

y 轴右侧存在一个匀强电场，方向沿y轴正方向，电场区域宽度l＝0.1m。

现从坐标为（﹣0.2m，﹣0.2m）的P点发射出质量m＝2.0×10﹣9kg、带电荷量q＝5.0×10﹣5C的带正电粒子，沿y轴正方向射入匀强磁场，速度大小v0＝5.0×103m/s（粒子重力不计）。

（1）带电粒子从坐标为（0.1m，0.05m）的点射出电场，求该电场强度；
（2）为了使该带电粒子能从坐标为（0.1m，﹣0.05m）的点回到电场，可在紧邻电场的右侧区域内加匀强磁场，试求所加匀强磁场的磁感应强度大小和方向。

【答案】（1）1.0×104N/C（2）4T，方向垂直纸面向外
【解析】
【详解】
解：（1）带正电粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力有：
2
v
qv B m
r
=
可得：r=0.20m=R
根据几何关系可以知道，带电粒子恰从O点沿x轴进入电场，带电粒子做类平抛运动，设
粒子到达电场边缘时，竖直方向的位移为y 根据类平抛规律可得：2012
l v t y at ==
， 根据牛顿第二定律可得：Eq ma = 联立可得：41.010E =⨯N/C
（2）粒子飞离电场时，沿电场方向速度：30
5.010y qE l
v at m v ===⨯g m/s=0v 粒子射出电场时速度：02=v v
根据几何关系可知，粒子在B '区域磁场中做圆周运动半径：2r y '=
根据洛伦兹力提供向心力可得： 2
v qvB m r '='
联立可得所加匀强磁场的磁感应强度大小：4mv
B qr
'=
='T 根据左手定则可知所加磁场方向垂直纸面向外。

3．如图所示，竖直平面内有一固定绝缘轨道ABCDP ，由半径r=0.5m 的圆弧轨道CDP 和与之相切于C 点的水平轨道ABC 组成，圆弧轨道的直径DP 与竖直半径OC 间的夹角θ=37°，A 、B 两点间的距离d=0.2m ．质量m 1=0.05kg 的不带电绝缘滑块静止在A 点，质量m 2=0.1kg 、电荷量q=1×10-5C 的带正电小球静止在B 点，小球的右侧空间存在水平向右的匀强电场．现用大小F=4.5N 、方向水平向右的恒力推滑块，滑块到达月点前瞬间撤去该恒力，滑块与小球发生弹性正碰，碰后小球沿轨道运动，到达P 点时恰好和轨道无挤压且所受合力指向圆心．小球和滑块均视为质点，碰撞过程中小球的电荷量不变，不计一切摩擦．取g=10m ／s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8．
(1)求撤去该恒力瞬间滑块的速度大小v 以及匀强电场的电场强度大小E ； (2)求小球到达P 点时的速度大小v P 和B 、C 两点间的距离x ． 【答案】(1) 6m /s ；7.5×104N /C (2) 2.5m /s ；0.85m 【解析】 【详解】
(1)对滑块从A 点运动到B 点的过程，根据动能定理有：211
2
Fd m v = 解得：v =6m /s
小球到达P 点时，受力如图所示:
则有：qE =m 2g tan θ, 解得：E =7.5×104N /C
(2)小球所受重力与电场力的合力大小为：2cos m g
G 等θ
=
小球到达P 点时，由牛顿第二定律有：2
P v G r
=等
解得：v P =2.5m /s
滑块与小球发生弹性正碰，设碰后滑块、小球的速度大小分别为v 1、v 2， 则有：m 1v =m 1v 1+m 2v 2
22211122111
222
m v m v m v =+ 解得：v 1=-2m /s(“-”表示v 1的方向水平向左)，v 2=4m /s 对小球碰后运动到P 点的过程，根据动能定理有：
()()22222211
sin cos 22
P qE x r m g r r m v m v θθ--+=
- 解得：x =0.85m
4．两平行的带电金属板水平放置，板间电场可视为匀强电场．带电量相等粒子a ，b 分别以相同初速度水平射入匀强电场，粒子a 飞离电场时水平方向分位移与竖直方向分位移大小相等，粒子b 飞离电场时水平方向速度与竖直方向速度大小相等．忽略粒子间相互作用力及重力影响，求粒子a 、b 质量之比． 【答案】1：2 【解析】 【详解】
假设极板长度为l ，粒子a 的质量为m a ，离开电场时竖直位移为y ，粒子b 的质量为m b ，离开电场时竖直分速度为v y ，两粒子初速度均为v 0，在极板间运动时间均为t 对粒子a ：l ＝v 0t …①
y＝1
2
a1t
2…②
1
a
qE
a
m
=…③
y＝l…④
①②③④联立解得：2
2
a
qEl
m
v
=
对粒子b：v y＝a2t…⑤
v y＝v0…⑥
2
b
qE
a
m
=…⑦
①⑤⑥⑦联立解得：2
b
qEl
m
v
=
则
1
2
a
b
m
m
=．
5．如图1所示，光滑绝缘斜面的倾角θ=30°，整个空间处在电场中，取沿斜面向上的方向为电场的正方向，电场随时间的变化规律如图2所示．一个质量m=0.2kg，电量q=1×10－5C 的带正电的滑块被挡板P挡住，在t=0时刻，撤去挡板P．重力加速度g=10m/s2，求：
(1)0~4s内滑块的最大速度为多少?
(2)0~4s内电场力做了多少功?
【答案】（1）20m/s（2）40J
【解析】
【分析】
对滑块受力分析，由牛顿运动定律计算加速度计算各速度．
【详解】
【解】(l)在0~2 s内，滑块的受力分析如图甲所示，
电场力F=qE
11sin F mg ma θ-=
解得2
110/a m s =
在2 ---4 s 内，滑块受力分析如图乙所示
22sin F mg ma θ+=
解得2
210/a m s =
因此物体在0～2 s 内，以2
110/a m s =的加速度加速， 在2～4 s 内，2
210/a m s =的加速度减速，即在2s 时，速度最大
由1v a t =得，max 20/v m s =
(2)物体在0～2s 内与在2～4s 内通过的位移相等．通过的位移max
202
v x t m == 在0~2 s 内，电场力做正功1160W F x J == - 在2～4 s 内，电场力做负功2220W F x J ==- 电场力做功W=40 J
6．如图所示,在平面直角坐标系xOy 平面内,直角三角形abc 的直角边ab 长为6d ，与y 轴重合,∠bac=30°,中位线OM 与x 轴重合,三角形内有垂直纸面向里的匀强磁场．在笫一象限内,有方向沿y 轴正向的匀强电场,场强大小E 与匀强磁场磁感应强度B 的大小间满足E=v 0B ．在x=3d 的N 点处,垂直于x 轴放置一平面荧光屏.电子束以相同的初速度v 0从y 轴上－3d≤y≤0的范围内垂直于y 轴向左射入磁场,其中从y 轴上y=－2d 处射入的电子,经磁场偏转后,恰好经过O 点．电子质量为m,电量为e,电子间的相互作用及重力不计．求
(1)匀强磁杨的磁感应强度B
(2)电子束从y 轴正半轴上射入电场时的纵坐标y 的范围; (3)荧光屏上发光点距N 点的最远距离L
【答案】（1）0mv ed ； （2）02y d ≤≤；（3）9
4
d ； 【解析】
(1)设电子在磁场中做圆周运动的半径为r ； 由几何关系可得r =d
电子在磁场中做匀速圆周运动洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得：2
0v ev B m r
=
解得：0
mv B ed
=
(2)当电子在磁场中运动的圆轨迹与ac 边相切时，电子从+ y 轴射入电场的位置距O 点最远，如图甲所示.
设此时的圆心位置为O '，有：sin 30r
O a '=
︒
3OO d O a ='-' 解得OO d '=
即从O 点进入磁场的电子射出磁场时的位置距O 点最远 所以22m y r d ==
电子束从y 轴正半轴上射入电场时的纵坐标y 的范围为02y d ≤≤
设电子从02y d ≤≤范围内某一位置射入电场时的纵坐标为y ，从ON 间射出电场时的位置横坐标为x ，速度方向与x 轴间夹角为θ，在电场中运动的时间为t ，电子打到荧光屏上
产生的发光点距N 点的距离为L ，如图乙所示：
根据运动学公式有：0x v t =
212eE y t m
=
⋅ y eE v t m
=
tan y v v θ=
tan 3L
d x
θ=
- 解得：(32)2L d y y =即9
8
y d =
时，L 有最大值 解得：94
L d =
当322d y y
【点睛】本题属于带电粒子在组合场中的运动，粒子在磁场中做匀速圆周运动，要求能正确的画出运动轨迹，并根据几何关系确定某些物理量之间的关系；粒子在电场中的偏转经常用化曲为直的方法，求极值的问题一定要先找出临界的轨迹，注重数学方法在物理中的应用．
7．如图甲所示，在直角坐标系0≤x ≤L 区域内有沿y 轴正方向的匀强电场，右侧有一个以点（3L ，0）为圆心、半径为L 的圆形区域，圆形区域与x 轴的交点分别为M 、N ．现有一质量为m 、带电量为e 的电子，从y 轴上的A 点以速度v 0沿x 轴正方向射入电场，飞出电场后从M 点进入圆形区域，此时速度方向与x 轴正方向的夹角为30°．不考虑电子所受的重力．
（1）求电子进入圆形区域时的速度大小和匀强电场场强E的大小；
（2）若在圆形区域内加一个垂直纸面向里的匀强磁场，使电子穿出圆形区域时速度方向垂直于x轴．求所加磁场磁感应强度B的大小和电子刚穿出圆形区域时的位置坐标；
（3）若在电子刚进入圆形区域时，在圆形区域内加上图乙所示变化的磁场（以垂直于纸面向外为磁场正方向），最后电子从N点处飞出，速度方向与进入磁场时的速度方向相同．请写出磁感应强度B0的大小、磁场变化周期T各应满足的关系表达式．
【答案】（1）（2）（3）（n=1，2，3…）
（n=1，2，3…）
【解析】
（1）电子在电场中作类平抛运动，射出电场时，速度分解图如图1中所示．
由速度关系可得：
解得：
由速度关系得：v y=v0tanθ=v0
在竖直方向：
而水平方向:
解得：
（2）根据题意作图如图1所示，电子做匀速圆周运动的半径R=L
根据牛顿第二定律：
解得：
根据几何关系得电子穿出圆形区域时位置坐标为（，-）
（3）电子在在磁场中最简单的情景如图2所示．
在磁场变化的前三分之一个周期内，电子的偏转角为60°，设电子运动的轨道半径为r，运动的T0，粒子在x轴方向上的位移恰好等于r1；
在磁场变化的后三分之二个周期内，因磁感应强度减半，电子运动周期T′=2T0，故粒子的偏转角度仍为60°，电子运动的轨道半径变为2r，粒子在x轴方向上的位移恰好等于
2r．
综合上述分析，则电子能到达N点且速度符合要求的空间条件是：3rn=2L（n=1，2，3…）
而：
解得：（n=1，2，3…）
应满足的时间条件为： (T0+T′)=T
而：
解得（n=1，2，3…）
点睛：本题的靓点在于第三问，综合题目要求及带电粒子运动的半径和周期关系，则符合
要求的粒子轨迹必定是粒子先在正B0中偏转60°，而后又在− B0中再次偏转60°，经过n次这样的循环后恰恰从N点穿出．先从半径关系求出磁感应强度的大小，再从周期关系求出交变磁场周期的大小.
8．能量守恒是自然界基本规律，能量转化通过做功实现。

如图所示，平行板电容器水平放置，上板正中央有一小孔，两极板间的距离为d，电势差为U。

一质量为m、带电量为+q的小球从小孔正上方某处由静止开始下落，穿过小孔到达下极板处速度恰为零。

重力加速度为g(空气阻力忽略不计)。

求：小球释放位置距离上极板的高度h。

【答案】qU d mg
- 【解析】
【详解】 小球首先自由落体，进入两极板后开始减速，到下极板时减速为零，对整个过程列动能定理有：W 电+W 重=△E k
即：-qU+mg （h+d ）=0-0
得 h=qU d mg
-
9．如图所示，充电后的平行板电容器水平放置，电容为C ，极板间距离为d ，上极板正中有一小孔。

质量为m 、电荷量为+q 的小球从小孔正上方高h 处由静止开始下落，穿过小孔到达下极板处速度恰为零。

空气阻力忽略不计，极板间电场可视为匀强电场，重力加速度为g 。

求：
（1）小球到达小孔处的速度大小；
（2）极板间电场强度大小和电容器所带电荷量；
（3）小球从开始下落运动到下极板，其所受重力的冲量大小。

【答案】（12gh （2）()Cmg h d q + （3）2h d h mg h
g +【解析】
【详解】
（1） 根据机械能守恒，有2012
mgh mv =
解得02v gh = （2）对小球运动的全过程，根据动能定理()0mg h d qEd +-=
解得()
mg h d E qd +=
电容器所带电荷量Q CU =，U =Ed
解得
() Cmg h
d
Q
q
+
=
（3）小球全程运动的平均速度为0
2
v
，则小球全程运动的时间为t，
2
h d
t
v
+
=
解得
2
h d h
t
h g
+
=
小球所受重力的冲量大小为
2
h d h
I mgt mg
h g
+
==
10．静电喷漆技术具有效率高、质量好、有益于健康等优点，其装置可简化为如图甲所示．A、B为水平放置的间距d＝1.6m的两块足够大的平行金属板，两板间有方向由B指向A的0.1/
E V m
＝的匀强电场．在A板的中央放置一个安全接她的静电油漆喷枪P，油漆喷枪可向各个方向均匀地喷出初速度大小均为0 6.0/
v m s
＝的油漆微粒，已知油漆微粒的质量均为m＝1.0×10－5kg，带负电且电荷量均为q＝1.0×10－3C，不计油漆微粒间的相互作用以及油漆微粒带电量对板间电场和磁场的影响，忽略空气阻力，g取2
10/
m s，已知sin53°＝0.8，cos53°＝0.6．求（计算结果小数点后保留一位数字）：
（1）油漆微粒落在B板上的最大面积；
（2）若让A、B两板间的电场反向（如图乙所示），并在两板间加垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B＝0.06T，调节喷枪使油漆微粒只能在纸面内沿各个方向喷出，其他条件不变．
①B板被油漆微粒打中的区域的长度为多少？
②打中B板的油漆微粒中，在正交场中运动的最短时间为多少？
【答案】（1）18．1 m2（2）1．6 m （3）0．31 s
【解析】
试题分析：（1）油漆微粒的加速度
Eq mg
a
m
+
=①
根据运动学
2
1
2
d at
=②
运动的半径
0x v t =③
落在B 板上所形成圆形面积
2s x π=④
由①②③式并代入数据得
218.1m s =⑤
（2）当电场反向
Eq mg =⑥
油漆微粒做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力
2v Bqv m R
=⑦ 水平向右射出的油漆微粒打在B 板的右端，根据几何关系
cos R R d α+=⑧
ac 的长度
⑨
打在B 板左端的油漆微粒为和板相切的微粒，同理求得
bc ac =⑩
油漆微粒打在极板上的长度
ab ac bc =+11
由⑥⑦⑧⑨⑩11式并代入数据得
1.6m ab =12
(3)打在B 板上的微粒中，pc 最短的弦长对应的时间最短
有几何关系 2
sin d
R
θ=13 运动的最短时间
min 22t T θπ
=14 微粒在磁场中运动的周期
2m T Bq
π=15 由7131415式代入数据解得
min 0.31s t =16
考点：动能定理的应用；匀变速直线运动的位移与时间的关系；牛顿第二定律． 点评：本题是实际问题，考查理论联系实际的能力，关键在于建立物理模型．
11．如图所示，光滑绝缘水平桌面处在电场强度大小为E 、方向水平向右的匀强电场中，某时刻将质量为m 、带电荷量为一q 的小金属块从A 点由静止释放，小金属块经时间t 到达B 点，此时电场突然反向、电场强度增强为某恒定值，且仍为匀强电场，又经过时间t 小金属块回到A 点。

小金属块在运动过程中电荷量保持不变。

求：
(1)电场反向后匀强电场的电场强度大小；
(2)整个过程中电场力所做的功。

【答案】(1) 3E (2) 222
2q E t m
【解析】(1)设t 末和2t 末小物块的速度大小分别为1v 和2v ，电场反向后匀强电场的电场强度大小为E 1,小金属块由A 点运动到B 点过程：
212Eq x t m =， 1Eq v t m
= 小金属块由B 点运动到A 点过程： 21112E q x v t t m
-=- 121E q v v t m
-=- 联立解得： 22Eqt v m
=，则： 13E E =； (2)根据动能定理，整个过程中电场力所做的功： 22102W mv =
- 联立解得： 222
2q E t W m
=。

点睛：解答本题关键是对不同过程应用匀变速直线运动相关公式以及动能定理列式即可，属于基础性题目。

12．如图所示，y，N为水平放置的平行金属板，板长和板间距均为2d．在金属板左侧板间中点处有电子源S，能水平发射初速为V0的电子，电子的质量为m，电荷量为e．金属板右侧有两个磁感应强度大小始终相等，方向分别垂直于纸面向外和向里的匀强磁场区域，两磁场的宽度均为d．磁场边界与水平金属板垂直，左边界紧靠金属板右侧，距磁场右边界d处有一个荧光屏．过电子源S作荧光屏的垂线，垂足为O．以O为原点，竖直向下为正方向，建立y轴．现在y，N两板间加上图示电压，使电子沿SO方向射入板间后，恰好能够从金属板右侧边缘射出．进入磁场．(不考虑电子重力和阻力)
(1)电子进人磁场时的速度v；
(2)改变磁感应强度B的大小，使电子能打到荧光屏上，求
①磁场的磁感应强度口大小的范围；
②电子打到荧光屏上位置坐标的范围．
【答案】（1）
2v，方向与水平方向成45°
（2）①
()0
12mv
B
ed
+
<，②4224
d d d
-→
【解析】
试题分析：（1）电子在MN间只受电场力作用，从金属板的右侧下边沿射出，有（1分）
（1分）
（1分）
（1分）
解得（1分）
速度偏向角（1分）
（1分）
（2）电子恰能（或恰不能）打在荧光屏上，有磁感应强度的临界值
B，此时电子在磁场中作圆周运动的半径为R
（2分） 又有2
0mv qvB R =（2分） 由⑦⑧解得：00(12)m B v ed
+=（1分） 磁感应强度越大，电子越不能穿出磁场，所以取磁感应强度0(12)m B v ed +<
时电子能打在荧光屏上（得0(12)m B v +≤不扣分）． （1分） 如图所示，电子在磁感应强度为0B 时，打在荧光屏的最高处，由对称性可知，电子在磁场右侧的出射时速度方向与进入磁场的方向相同，
即． （1分）
出射点位置到SO 连线的垂直距离
12sin 45y d R =-︒（1分）
电子移开磁场后做匀速直线运动，则电子打在荧光屏的位置坐标
021tan 45y y d =+（1分）
解得2422y d d =-（1分）
当磁场的磁感应强度为零时，电子离开电场后做直线运动，打在荧光屏的最低点，其坐标
为033tan 454y d d d =+=（1分）
电子穿出磁场后打在荧光民屏上的位置坐标范围为：
422d d -到4d （2分）
考点：带电粒子在磁场中受力运动．。