带电粒子(带电体)在电场中的平衡、运动(学生版)--2024年高考物理大题突破

大题 带电粒子(带电体)在电场中的平衡、运动
带电粒子的运动时而像落体运动时而像抛体运动还有的像“圆周运动”总之考察带电粒子的运动本质还是在考察传统的经典运动模型，但由于电场力的性质以及电场能的性质的加持之下这类问题变得更灵活多变个富有物理思想，因此在高考中的出镜率非常高，所以备考中应引起足够重视。

带电粒子(带电体)在电场中的平衡
1(2023·吉林·二模)用两根长度均为L 的绝缘细线各系一个小球，
并悬挂于同一点。

已知两小球A 、B 质量均为m ，当它们带上等量同种电荷时，两细线与竖直方向的夹角均为θ，如图所示。

若已知静电力常量为k ，重力加速度为g 。

求：
(1)小球所带的电荷量；
(2)在空间中施加一匀强电场，同时撤去B 球，仍使A 球保持不动，求所加电场强度E 的最小值。

【思路分析】根据受力分析结合共点力平衡的求解方法来求解电荷量；应用矢量三角形来求解电场强度的最小值。

1(23-24高三上·河北·阶段练习)如图所示，
水平向右的匀强电场中，绝缘丝线一端固定悬挂于O 点，另一端连接一带负电小球，小球质量为m ，电荷量为Q 。

O 点正下方投影为M 点。

等量异种电荷A 、B 的电荷量均为Q ，对称放置于M 点两侧，小球静止时恰好处于AM 的中点N 处。

已知AN =NM =L ，且绝缘丝线ON =2L ，静电力常数为k ，求：
(1)匀强电场的电场强度E ；
(2)撤去匀强电场，保持A 、B 位置不变，三者电性不变，A 、B 和小球的电荷量均变为Q (未知)，保持电荷量仍相等，换一根绝缘丝线让小球仍静止于N 点，平衡时丝线与竖直方向所成的夹角为37°、求等量异种电荷
A 、
B 在N 处产生的总场强E (已知sin37°=35,cos37°=45
)。

带电粒子(带电体)在电场中的运动
1(23-24高三下·北京东城·阶段练习)在一柱形区域内有匀强电场，
柱的横截面积是以O 为圆心，半径为R 的圆，AB 为圆的直径，如图所示。

质量为m ，电荷量为q (q >0)的带电粒子在纸面内自A 点先后以不同的速度进入电场，速度方向与电场的方向垂直。

已知刚进入电场时速度为零的粒子，自圆周上的C 点以速率v 0穿出电场，AC 与AB 的夹角θ=60°。

运动中粒子仅受电场力作用。

(1)求电场强度的大小；
(2)为使粒子穿过电场后的动能增量最大，求：
a ．该粒子沿电场线方向的位移；
b ．进入电场时的速度大小。

2(23-24高三上·江西赣州·期末)如图所示，
AC 水平轨道上AB 段光滑，BC 段粗糙，且L BC =2m ，CDF 为竖直平面内半径为R =0.2m 的光滑半圆轨道，两轨道相切于C 点，CF 右侧有电场强度E =3×103N/C 的匀强电场，方向水平向右。

一根轻质绝缘弹簧水平放置，一端固定在A 点，另一端与带负电滑块P 接触但不连接，弹簧原长时滑块在B 点。

现向左压缩弹簧后由静止释放，当滑块P 运动到F 点瞬间对轨道压力为4N 。

已知滑块P 的质量为m =0.4kg ，电荷量大小为q =1.0×10-3C ，与轨道BC 间的动摩擦因数为μ=0.2，忽略滑块P 与轨道间电荷转移，重力加速度g 取10m/s 2。

求：
(1)求滑块到F 点时的动能；
(2)求滑块到D 点时对轨道的压力；
(3)若滑块P 沿光滑半圆轨道CDF 运动过程中时，对圆弧轨道的最小压力为10N ，求弹簧释放瞬间弹性势能。

【思路分析】在C 点由牛顿运动定律求速度进而求动能；根据动能定理求经过D 点的速度在由牛二求压力；构建等效场模型结合动能定理求弹性势能。

3(23-24高三上·江苏苏州·阶段练习)如图，
足够长的光滑绝缘水平面上竖直固定光滑绝缘半径为R 的四分之一圆弧轨道BC ，B 为圆弧的最低点，A 点在圆弧左侧，且AB 间距为2R 。

整个空间处于水平向右的
匀强电场中，电场强度大小为E 。

一质量为m 、电荷量为mg E
的带正电小球从A 点静止释放，忽略空气阻力，重力加速度为g 。

求：
(1)小球运动到B 点时的速度大小；
(2)小球在圆弧BC 上运动过程中的最大动能；
(3)小球离开圆弧轨道到落地过程中的最小速率及该过程机械能的增量。

【思路分析】先构建等效场模型寻找等效最低点在应用动能定理求最大动能；结合斜上抛运动的轨迹特征寻找速度最小的临界位置在根据运动学规律及功能关系求解。

1．带电粒子(带电体)在电场中运动时重力的处理
基本粒子一般不考虑重力，带电体(如液滴、油滴、尘埃等)一般不能忽略重力，除有说明或明确的暗示外。

2．带电粒子(带电体)在电场中的常见运动及分析方法
常见运动
受力特点分析方法静止或匀速直线运
动合外力F 合=0共点力平衡
变速直线运动合外力F 合≠0，且与初速度方向在同一条直线上
1.用动力学观点分析：a =
F 合m ，E =U d ，v 2-v 20=2ad ，适用于匀强电场
2．用功能观点分析：W =qU =
12mv 2-12mv 20，匀强和非匀强电场都适用带电粒子在匀强电场中的偏转
进入电场时v 0⊥E ，
粒子做类平抛运动运动的分解偏转角：tan θ=
v y v 0=qU 2l m d v 20
=U 2l 2U 1d =2y 0l 侧移距离：y 0=qU 2l 22m d v 20=U 2l 2
4dU 1
，y =y 0+L tan θ=l 2+L tan θ粒子斜射入电场，粒
子做类斜抛运动
运动的分解垂直电场方向做匀速直线运动：x =v 0t sin θ
沿电场方向做匀变速直线运动：y =v 0t cos θ-
12qE m
t 2带电粒子在非匀强
电场中运动静电力在变化动能定理，能量守恒定律
3．带电体在电场和重力场的叠加场中运动的分析方法
(1)对带电体的受力情况和运动情况进行分析，综合运用牛顿运动定律和匀变速直线运动的规律解决问题。

(2)根据功能关系或能量守恒的观点，分析带电体的运动时，往往涉及重力势能、电势能以及动能的相互转化，总的能量保持不变。

1(2023·云南·二模)在水平向右足够大的匀强电场中，大小可忽略的两个带电小球A、B分别用不可伸长，长度均为l的绝缘轻质细线悬挂在同一水平面上的M、N两点，并静止在如图所示位置，两细线与电场线在同一竖直平面内，细线与竖直方向夹角均为α=37°。

已知两小球质量都为m，电荷量均为q且带等量异
种电荷，匀强电场的场强大小E=4mg
3q，重力加速度大小为g，取sin37°=0.6，cos37°=0.8。

求
(1)A、B两小球之间库仑力的大小；
(2)保持小球B的位置和带电量不变，移除A小球后，将小球B由静止释放，求B小球此后运动过程中速度的最大值。

2(2024·吉林·一模)如图，真空中足够大的铝板M与金属板N平行放置，通过电流表与电压可调的电源相连。

一束波长。

λ=200nm的紫外光持续照射到M上，光电子向各个方向逸出。

已知铝的逸出功W0= 6.73×10-19J，光速c=3.0×108m/s，普朗克常量h=6.63×10-34J⋅s。

(1)求光电子的最大初动能E k(计算结果保留两位有效数字)；
(2)调节电压使电流表的示数减小到0时，M、N间的电压为U0；当电压为3
4
U0时，求能到达N的光电子中，初速度与M之间夹角的最小值θ。

3(23-24高三上·河南·阶段练习)蜘蛛不仅能“乘风滑水”，最新研究还表明：蜘蛛能通过大气电位梯度“御电而行”。

大气电位梯度就是大气中的电场强度，大气中电场方向竖直向下。

假设在晴朗无风环境，平
地上方1km 以下，可近似认为大气电位梯度E =E 0-kH ，其中E 0=150V /m 为地面的电位梯度，常量k =0.1V /m 2，H 为距地面高度。

晴朗无风时，一质量m =0.6g 的蜘蛛(可视为质点)由静止从地表开始“御电而行”，蜘蛛先伸出腿感应电位梯度，然后向上喷出带电的蛛丝(蜘蛛其他部分不显电性)，带着身体飞起来。

忽略空气阻力，取重力加速度g =10N /kg 。

(1)该蜘蛛要想飞起来，求蛛丝所带电荷电性及电荷量范围；
(2)若蛛丝所带电荷量大小为q =5×10-5C ，求蜘蛛上升速度最大时的高度和能到达的最大高度。

4(2024·江西·二模)如图所示，
一垂直架设且固定于水平地面的圆环，内侧有一用绝缘材料制成的光滑轨道，轨道半径为R ，圆心为O 。

设重力加速度为g ，若将质量为m 及带正电荷电量为q 的小球(视为质点)，从P 点(与O 点等高)以某一初速度沿轨道向下射出，则：
(1)要使小球能做完整的圆周运动，小球的初速度v P 至少多大？
(2)若于此圆形轨道区域内施加竖直向下的场强大小为E 的均匀电场，要使小球能做完整的圆周运动，小球
的初速度v P 至少多大？
5(2024·广东广州·二模)在真空中存在着方向竖直向上、足够大且周期性变化的匀强电场E 。

将一个质量为m 、电荷量为q 的小球(可视为质点)t =0时刻由静止释放，小球开始以13
g 的加速度向上运动。

已知电场的周期为T =2t 0，规定竖直向上为正方向，重力加速为g ，求：
(1)匀强电场E 的大小；
(2)t =3t 0时小球的速度；
(3)小球在0~2.5t 0时间内机械能的变化量ΔE 。

6(2024·广东·模拟预测)如图所示，
倾角θ=37°的粗糙绝缘斜面，在O 点以下的斜面存在沿斜面向上的电场，电场强度E 随到O 点距离x 增大而均匀增大，如图乙所示。

一个质量为m ，带正电的滑块从距O 点为d 的A 点静止释放，滑块的带电量为q ，滑块经过O 点后向前运动的距离为d 的B 点时速度减为0。

已知滑
块与斜面的动摩擦因数μ=18
，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g ，滑块看成质点，sin37°=0.6，cos37°=0.8，求：
(1)斜面上B 点的电场强度大小E 0；
(2)滑块到达B 点时，电势能增加量；
(3)滑块在B 点的加速度a 。

7(23-24高三上·山东青岛·阶段练习)如图所示，在竖直平面的xOy坐标系内，Oy表示竖直向上方向。

该平面内存在沿x轴方向的匀强电场。

一个带电小球从坐标原点沿Oy方向竖直向上抛出，初速度大小为v0=2m/s，不计空气阻力，g取10m/s2。

它达到的最高点位置如图中M点所示。

求：
(1)小球在M点时的速度大小；
(2)小球落回x轴的位置坐标；
(3)小球在x轴上方运动过程中的最小速度及所需的时间。

8(23-24高三上·陕西汉中·期末)如图甲所示，带有等量异种电荷的平行金属板M、N竖直放置(板N 上有一小孔)，M、N两板间的距离d=0.8m，现将一质量m=6×10-2kg、电荷量q=4×10-4C的带正电小球从两极板上方的A点以v0=4m/s的初速度水平抛出，A点距离两板上端的高度h=0.45m。

小球恰好从靠近M板上端B处进入两板间且沿直线运动。

设匀强电场只存在于两板之间，不计空气阻力，g取10m/s2。

(1)求M、N两板间的电压U MN；
(2)求小球到达C点时的动能E k；
(3)若将平行金属板M、N水平放置，如图乙所示，将带电小球从板N小孔正上方高H处由静止开始下落，穿
过小孔到达板M时速度恰为零，空气阻力忽略不计。

则H为多大？(结果用分式表示)
9(2024·黑龙江·一模)如图所示，两带电水平金属极板M、N的长度为L=0.6m，间距为d=0.5m，OO 为极板右边界，OO 的右侧存在竖直向下的匀强电场，电场强度为E=10N/C。

光滑绝缘圆弧轨道ABC竖直放置，A与OO 在同一竖直线上，圆弧AB的圆心角θ=53°，BC是竖直直径。

小球以v0=3m/s的水平速度从左侧飞入极板间，飞离极板后恰好从A点沿切线方向进入圆弧轨道。

已知小球带正电，质量m=
1.0kg，电荷量q=0.5C，重力加速度g=10m/s2，cos53°=0.6，不计空气阻力。

求：
(1)小球在A点的速度大小v A；
(2)M、N极板间的电势差U；
(3)若小球沿圆弧轨道恰能到达最高点C，求半径R。

10(23-24高三上·湖北·期末)如图所示，固定竖直面内半径为R=0.4m的光滑半圆轨道与动摩擦因数为μ=0.25的粗糙水平面平滑相连，整个区域有水平向右、大小为E=750V/m的匀强电场，一质量为m =0.1kg，电量为q=0.001C的可视为质点带正电的小物块从A点静止开始运动，已知AB的长度为l AB=
2m，重力加速度g=10m/s2。

求：
(1)小物块运动到B点的速度为多大；
(2)小物块运动轨道最右边C点时，轨道对小物块的支持力；
(3)小物块从D点离开到落地过程中克服电场力做功的平均功率。

11(2024·河南·一模)如图所示，一个带正电的小球，质量为m，电荷量为q，固定于绝缘轻杆一端，轻杆的另一端光滑铰接于O点，重力加速度为g。

(1)未加电场时，将轻杆向左拉至水平位置，无初速度释放，小球到达最低点时，求轻杆对它的拉力大小。

(2)若在空间中施加一个平行于纸面的匀强电场，大小方向未知。

将轻杆从左边水平位置无初速度释放，小球到达最低点时，受到轻杆的拉力为4mg；将轻杆从右边水平位置无初速度释放，小球到达最低点时，受到轻杆的拉力为8mg。

求电场强度的水平分量E x和竖直分量E y。

12(23-24高三上·天津和平·期中)在电场方向水平向右的匀强电场中，一带电小球从A点竖直向上抛出，其运动的轨迹如图所示。

小球运动的轨迹上A、B两点在同一水平线上。

M为轨迹的最高点。

小球抛出时的动能为8.0J，在M点的动能为6.0J，不计空气的阻力。

求：
(1)小球所受重力和电场力的比值；
(2)小球水平位移x
与x2的比值；
13(2024高三上·陕西汉中·阶段练习)将质量为m 的小球从距地面一定高度的A 点以速度v 0水平抛出，小球落地时动能为抛出时动能的4倍。

现在空间加一个平行于小球运动平面的水平方向的匀强电场，令小球带上正电荷q ，仍以速度v 0水平抛出，小球落地时动能为抛出时动能的7倍。

已知重力加速度大小为g ，不计空气阻力，以地面为参考平面，求：
(1)小球在空中运动的时间；
(2)外加电场强度E 的大小和落地点距抛出点的水平距离x 。

14(2023·安徽合肥·二模)如图所示，
直角坐标系xoy ，x 轴水平，y 轴竖直。

第一象限内存在沿y 轴正方向匀强电场E 1，且在第一象限内的某圆形区域存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场B ，第二象限内存在平行于坐标平面的匀强电场E 2(大小、方向均未知)。

一带正电小球由x 轴上点P (-l ，0)以初速度v 0竖直向上抛出，当其经过y 轴上的A 点时速度水平，且动能为初动能的3倍，再经过一段时间小球由x 轴上点Q (l ，0)
飞出磁场，此时小球速度方向与x 轴负方向的夹角为60°。

已知小球质量为m 、电荷量为q ，E 1=mg q
，空气阻力忽略不计，重力加速度为g 。

求：
(1)A 点坐标；
(2)磁场的磁感应强度B ；
(3)小球由P 点到达Q 点的时间。

15(2023·江西南昌·二模)如图，
竖直平面内存在方向水平的匀强电场，电场区域ab 间距为H ，在该区域下边界的O 点将质量为m 、电荷量为q 的小球以一定的初速度竖直上抛，小球从上边界离开电场，再次进入电场后在电场中做直线运动，到达下边界的M 1点，已知小球到达M 1点的速度大小为从O 点进入电场时速度大小的10倍，动量方向与水平面的夹角为θ。

不计空气阻力，重力加速度大小为g 。

求：
(1)θ角的正切值和该电场的电场强度；
(2)小球由O 到M 1的运动时间；
(3)在下边界水平放置一足够长的绝缘挡板，小球碰撞前后速度与挡板的夹角不变，若第二次碰撞点M 2与M 1的距离为8H ，求第一次碰撞过程小球的动能损失。

1(2023·北京·高考真题)某种负离子空气净化原理如图所示。

由空气和带负电的灰尘颗粒物(视为小球)组成的混合气流进入由一对平行金属板构成的收集器。

在收集器中，空气和带电颗粒沿板方向的速度v0保持不变。

在匀强电场作用下，带电颗粒打到金属板上被收集，已知金属板长度为L，间距为d、不考虑重力影响和颗粒间相互作用。

(1)若不计空气阻力，质量为m、电荷量为-q的颗粒恰好全部被收集，求两金属板间的电压U1；
(2)若计空气阻力，颗粒所受阻力与其相对于空气的速度v方向相反，大小为f=krv，其中r为颗粒的半径，k为常量。

假设颗粒在金属板间经极短时间加速达到最大速度。

a、半径为R、电荷量为-q的颗粒恰好全部被收集，求两金属板间的电压U2；
b、已知颗粒的电荷量与其半径的平方成正比，进入收集器的均匀混合气流包含了直径为10μm和2.5μm的两种颗粒，若10μm的颗粒恰好100%被收集，求2.5μm的颗粒被收集的百分比。

2(2022·北京·高考真题)如图所示，真空中平行金属板M、N之间距离为d，两板所加的电压为U。

一质量为m、电荷量为q的带正电粒子从M板由静止释放。

不计带电粒子的重力。

(1)求带电粒子所受的静电力的大小F；
(2)求带电粒子到达N板时的速度大小v；
(3)若在带电粒子运动d
2距离时撤去所加电压，求该粒子从M板运动到N板经历的时间t。

3(2020·全国·高考真题)在一柱形区域内有匀强电场，柱的横截面积是以O为圆心，半径为R的圆，AB 为圆的直径，如图所示。

质量为m，电荷量为q(q>0)的带电粒子在纸面内自A点先后以不同的速度进入电
场，速度方向与电场的方向垂直。

已知刚进入电场时速度为零的粒子，自圆周上的C 点以速率v 0穿出电场，AC 与AB 的夹角θ=60°。

运动中粒子仅受电场力作用。

(1)求电场强度的大小；
(2)为使粒子穿过电场后的动能增量最大，该粒子进入电场时的速度应为多大？
(3)为使粒子穿过电场前后动量变化量的大小为mv 0，该粒子进入电场时的速度应为多大？
4(2019·全国·高考真题)空间存在一方向竖直向下的匀强电场，
O 、P 是电场中的两点．从O 点沿水平方向以不同速度先后发射两个质量均为m 的小球A 、B ．A 不带电，B 的电荷量为q (q >0)．A 从O 点发
射时的速度大小为v 0，到达P 点所用时间为t ；B 从O 点到达P 点所用时间为t 2
．重力加速度为g ，求(1)电场强度的大小；
(2)B 运动到P 点时的动能．
5(2019·全国·高考真题)如图，
两金属板P 、Q 水平放置，间距为d 。

两金属板正中间有一水平放置的金属网G ，PQG 的尺寸相同。

G 接地，P 、Q 的电势均为φ(φ>0)。

质量为m ，电荷量为q (q >0)的粒子自G 的左端上方距离G 为h 的位置，以速度v 0平行于纸面水平射入电场，重力忽略不计。

(1)求粒子第一次穿过G 时的动能，以及它从射入电场至此时在水平方向上的位移大小；
(2)若粒子恰好从G 的下方距离G 也为h 的位置离开电场，则金属板的长度最短应为多少？。