物理带电粒子在磁场中的运动练习题含答案及解析

物理带电粒子在磁场中的运动练习题含答案及解析
一、带电粒子在磁场中的运动专项训练
1．如图所示，虚线MN 沿竖直方向，其左侧区域内有匀强电场（图中未画出）和方向垂直纸面向里，磁感应强度为B 的匀强磁场，虚线MN 的右侧区域有方向水平向右的匀强电场．水平线段AP 与MN 相交于O 点．在A 点有一质量为m ，电量为+q 的带电质点，以大小为v 0的速度在左侧区域垂直磁场方向射入，恰好在左侧区域内做匀速圆周运动，已知A 与O 点间的距离为
03mv qB ，虚线MN 右侧电场强度为3mg
q
，重力加速度为g ．求：
（1）MN 左侧区域内电场强度的大小和方向；
（2）带电质点在A 点的入射方向与AO 间的夹角为多大时，质点在磁场中刚好运动到O 点，并画出带电质点在磁场中运动的轨迹；
（3）带电质点从O 点进入虚线MN 右侧区域后运动到P 点时速度的大小v p ．
【答案】（1）
mg
q
，方向竖直向上；（2）；（3013v ．
【解析】 【详解】
（1）质点在左侧区域受重力、电场力和洛伦兹力作用，根据质点做匀速圆周运动可得：重力和电场力等大反向，洛伦兹力做向心力；所以，电场力qE =mg ，方向竖直向上； 所以MN 左侧区域内电场强度mg
E q
左=
，方向竖直向上； （2）质点在左侧区域做匀速圆周运动，洛伦兹力做向心力，故有：20
0mv Bv q R
=，
所以轨道半径0
mv R qB
=
； 质点经过A 、O 两点，故质点在左侧区域做匀速圆周运动的圆心在AO 的垂直平分线上，且质点从A 运动到O 的过程O 点为最右侧；所以，粒子从A 到O 的运动轨迹为劣弧； 又有0
33AO mv d R =
=；根据几何关系可得：带电质点在A 点的入射方向与AO 间的夹
角1260AO
d arcsin R
θ==︒
； 根据左手定则可得：质点做逆时针圆周运动，故带电质点在磁场中运动的轨迹如图所示：
；
（3）根据质点在左侧做匀速圆周运动，由几何关系可得：质点在O 点的竖直分速度
003
60y v v sin v =︒=
，水平分速度001602x v v cos v =︒=；
质点从O 运动到P 的过程受重力和电场力作用，故水平、竖直方向都做匀变速运动； 质点运动到P 点，故竖直位移为零，所以运动时间0
23y v v t g
=
=
； 所以质点在P 点的竖直分速度03
2
yP y v v v ==， 水平分速度00031
7322
xP x v qE v v t v g v m g =+
=+⋅=； 所以带电质点从O 点进入虚线MN 右侧区域后运动到P 点时速度
22
013P yP xP v v v v =+=；
2．如图所示为电子发射器原理图，M 处是电子出射口，它是宽度为d 的狭缝．D 为绝缘外壳，整个装置处于真空中，半径为a 的金属圆柱A 可沿半径向外均匀发射速率为v 的电子；与A 同轴放置的金属网C 的半径为2a.不考虑A 、C 的静电感应电荷对电子的作用和电子之间的相互作用，忽略电子所受重力和相对论效应，已知电子质量为m ，电荷量为e.
(1)若A 、C 间加速电压为U ，求电子通过金属网C 发射出来的速度大小v C ；
(2)若在A 、C 间不加磁场和电场时，检测到电子从M 射出形成的电流为I ，求圆柱体A 在t 时间内发射电子的数量N.(忽略C 、D 间的距离以及电子碰撞到C 、D 上的反射效应和金属网对电子的吸收)
(3)若A 、C 间不加电压，要使由A 发射的电子不从金属网C 射出，可在金属网内环形区域
加垂直于圆平面向里的匀强磁场，求所加磁场磁感应强度B 的最小值． 【答案】(1)22e eU
v v m
=+ (2) 4alt N ed π=(3) 43mv B ae = 【解析】 【分析】
（1）根据动能定理求解求电子通过金属网C 发射出来的速度大小；（2）根据=
ne
I t
求解圆柱体A 在时间t 内发射电子的数量N ；（3）使由A 发射的电子不从金属网C 射出，则电子在 CA 间磁场中做圆周运动时，其轨迹圆与金属网相切，由几何关系求解半径，从而求解B. 【详解】
（1）对电子经 CA 间的电场加速时，由动能定理得
2211
22
e e U mv mv =
- 解得：22e eU
v v m
=
+ （2）设时间t 从A 中发射的电子数为N ，由M 口射出的电子数为n ， 则 =
ne I t
224d dN
n N a a
ππ=
=⨯
解得4alt
N ed
π=
（3）电子在 CA 间磁场中做圆周运动时，其轨迹圆与金属网相切时，对应的磁感应强度为
B ．设此轨迹圆的半径为 r ，则
222
(2)a r r a -=+
2
v Bev m r
=
解得：43mv
B ae
=
3．如图所示，在xOy 坐标系中，第Ⅰ、Ⅱ象限内无电场和磁场。

第Ⅳ象限内（含坐标轴）有垂直坐标平面向里的匀强磁场，第Ⅲ象限内有沿x 轴正向、电场强度大小为E 的匀强磁场。

一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子，从x 轴上的P 点以大小为v 0的速度垂直射入
电场，不计粒子重力和空气阻力，P、O
两点间的距离为
2
2
mv
qE。

（1）求粒子进入磁场时的速度大小v以及进入磁场时到原点的距离x；
（2）若粒子由第Ⅳ象限的磁场直接回到第Ⅲ象限的电场中，求磁场磁感应强度的大小需要满足的条件。

【答案】（1）
2v；
2
mv
qE
（2）
(21)E
B
v
+
≥
【解析】
【详解】
（1）由动能定理有：
2
22
11
222
mv
qE mv mv
qE
⋅=-
解得：v＝2v0
设此时粒子的速度方向与y轴负方向夹角为θ，则有cosθ＝0
2
v
v
=
解得：θ＝45°
根据tan21
x
y
θ=⋅=，所以粒子进入磁场时位置到坐标原点的距离为PO两点距离的两倍，故
2
mv
x
qE
=
（2）要使粒子由第Ⅳ象限的磁场直接回到第Ⅲ象限的电场中，其临界条件是粒子的轨迹与x轴相切，如图所示，由几何关系有：
s＝R+R sinθ
又：
2
v qvB m
R
=
解得：
(21)E
B
v
+
=
故
(21)E
B
v
+
≥
4．如图，光滑水平桌面上有一个矩形区域abcd，bc长度为2L，cd长度为1.5L，e、f分别为ad、bc的中点．efcd区域存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B；质量为m、电荷量为+q的绝缘小球A静止在磁场中f点．abfe区域存在沿bf方向的匀强电场，电场强度为2
6
qB L
m
；质量为km的不带电绝缘小球P，以大小为
qBL
m
的初速度沿bf方向运动．P与A 发生弹性正碰，A的电量保持不变，P、A均可视为质点．
（1）求碰撞后A球的速度大小；
（2）若A从ed边离开磁场，求k的最大值；
（3）若A从ed边中点离开磁场，求k的可能值和A在磁场中运动的最长时间．
【答案】（1）
A
2
1
k qBL
v
k m
=⋅
+
（2）1（3）
5
7
k=或
1
3
k=；
3
2
m
t
qB
π
=
【解析】
【分析】
【详解】
（1）设P、A碰后的速度分别为v P和v A，P碰前的速度为
qBL
v
m
=
由动量守恒定律：P A
kmv kmv mv
=+
由机械能守恒定律：222
P A
111
222
kmv kmv mv
=+
解得：
A
2
1
k qBL
v
k m
=⋅
+
（2）设A 在磁场中运动轨迹半径为R ， 由牛顿第二定律得： 2
A A mv qv
B R
= 解得：21
k
R L k =
+ 由公式可得R 越大，k 值越大
如图1，当A 的轨迹与cd 相切时，R 为最大值，R L = 求得k 的最大值为1k =
（3）令z 点为ed 边的中点，分类讨论如下：
（I ）A 球在磁场中偏转一次从z 点就离开磁场，如图2有
222()(1.5)2
L
R L R =+-
解得：56
L R = 由21k R L k =
+可得：5
7
k =
（II ）由图可知A 球能从z 点离开磁场要满足2
L
R ≥
，则A 球在磁场中还可能经历一次半
圆运动后回到电场，再被电场加速后又进入磁场，最终从z 点离开． 如图3和如图4，由几何关系有：2
2
23()(3)2
2
L R R L =+- 解得：58L R =或2
L R = 由21k R L k =
+可得：511k =或13
k = 球A 在电场中克服电场力做功的最大值为222
6m q B L W m
=
当511k =时，A 58qBL v m =，由于2222222
A 12521286q
B L q B L mv m m
⋅=>
当13k =时，A 2qBL v m =，由于2222222
A 1286q
B L q B L mv m m
⋅=<
综合（I ）、（II ）可得A 球能从z 点离开的k 的可能值为：57k =或1
3
k = A 球在磁场中运动周期为2m
T qB
π= 当13k =时，如图4，A 球在磁场中运动的最长时间34
t T = 即32m
t qB
π=
5．核聚变是能源的圣杯，但需要在极高温度下才能实现，最大难题是没有任何容器能够承受如此高温。

托卡马克采用磁约束的方式，把高温条件下高速运动的离子约束在小范围内巧妙实现核聚变。

相当于给反应物制作一个无形的容器。

2018年11月12日我国宣布“东方超环”（我国设计的全世界唯一一个全超导托卡马克）首次实现一亿度运行，令世界震惊，使我国成为可控核聚变研究的领军者。

（1）2018年11月16日，国际计量大会利用玻尔兹曼常量将热力学温度重新定义。

玻尔兹曼常量k 可以将微观粒子的平均动能与温度定量联系起来，其关系式为3
2
k E kT =
，其中k=1.380649×10-23J/K 。

请你估算温度为一亿度时微观粒子的平均动能（保留一位有效数字）。

（2）假设质量为m 、电量为q 的微观粒子，在温度为T 0时垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场，求粒子运动的轨道半径。

（3）东方超环的磁约束原理可简化如图。

在两个同心圆环之间有很强的匀强磁场，两圆半径分别为r 1、r 2，环状匀强磁场围成中空区域，中空区域内的带电粒子只要速度不是很大都不会穿出磁场的外边缘，而被约束在该区域内。

已知带电粒子质量为m 、电量为q 、速度为v ，速度方向如图所示。

要使粒子不从大圆中射出，求环中磁场的磁感应强度最小值。

【答案】(1)15
210J k E -≈⨯ (2)03kmT
(3)(
)
222212 r mv
q r r - 【解析】 【详解】
（1）微观粒子的平均动能：153
2102
k E kT -=≈⨯J （2）
2031
kT mv 22
= 解得： 0
3kT v m
=
由2
v Bqv m R
= 03kmT R =
（3）磁场最小时粒子轨迹恰好与大圆相切，如图所示
设粒子轨迹半径为r ，由几何关系得：()2
2221r r r r -=+
解得22
212
:r 2r r r -=
由牛顿第二定律 2
qvB m v r
=
解得:()
222212B r mv
q r r =
-
6．如图所示，在长度足够长、宽度d=5cm 的区域MNPQ 内，有垂直纸面向里的水平匀强磁场，磁感应强度B=0.33T ．水平边界MN 上方存在范围足够大的竖直向上的匀强电场，电场强度E=200N/C ．现有大量质量m=6.6×10﹣27kg 、电荷量q=3.2×10﹣19C 的带负电的粒子，同时从边界PQ 上的O 点沿纸面向各个方向射入磁场，射入时的速度大小均为V=1.6×106m/s ，不计粒子的重力和粒子间的相互作用．求：
(1)求带电粒子在磁场中运动的半径r ；
(2)求与x 轴负方向成60°角射入的粒子在电场中运动的时间t ；
(3)当从MN 边界上最左边射出的粒子离开磁场时，求仍在磁场中的粒子的初速度方向与x 轴正方向的夹角范围，并写出此时这些粒子所在位置构成的图形的曲线方程． 【答案】（1）r=0.1m （2）43.310t s -=⨯ （3）3060~ 曲线方程为
222x y R +=(3
0.1,
0.1R m m x m =≤≤) 【解析】 【分析】 【详解】
（1）洛伦兹力充当向心力，根据牛顿第二定律可得2
v qvB m r
=，解得0.1r m =
（2）粒子的运动轨迹如图甲所示，由几何关系可知，在磁场中运动的圆心角为30°，粒子平行于场强方向进入电场，
粒子在电场中运动的加速度qE a m
= 粒子在电场中运动的时间2v t a
= 解得43.310t s -=⨯
（3）如图乙所示，由几何关系可知，从MN 边界上最左边射出的粒子在磁场中运动的圆心角为60°，圆心角小于60°的粒子已经从磁场中射出，此时刻仍在磁场中的粒子运动轨迹的圆心角均为60°，
则仍在磁场中的粒子的初速度方向与x 轴正方向的夹角范围为30°~60° 所有粒子此时分别在以O 点为圆心，弦长0.1m 为半径的圆周上，
曲线方程为22
x y R += 3
0.1,
0.120R m m x m ⎛⎫=≤≤ ⎪ ⎪⎝⎭
【点睛】
带电粒子在组合场中的运动问题，首先要运用动力学方法分析清楚粒子的运动情况，再选择合适方法处理．对于匀变速曲线运动，常常运用运动的分解法，将其分解为两个直线的合成，由牛顿第二定律和运动学公式结合求解；对于磁场中圆周运动，要正确画出轨迹，由几何知识求解半径
7．在如图所示的xoy 坐标系中，一对间距为d 的平行薄金属板竖直固定于绝缘底座上，底座置于光滑水平桌面的中间，极板右边与y 轴重合，桌面与x 轴重合，o 点与桌面右边相距为
74
d
，一根长度也为d 的光滑绝缘细杆水平穿过右极板上的小孔后固定在左极板上，杆离桌面高为1.5d ，装置的总质量为3m ．两板外存在垂直纸面向外、磁感应强度为B 的匀强磁场和匀强电场（图中未画出），假设极板内、外的电磁场互不影响且不考虑边缘效应．有一个质量为m 、电量为+q 的小环（可视为质点）套在杆的左端，给极板充电，使板内有沿x 正方向的稳恒电场时，释放小环，让其由静止向右滑动，离开小孔后便做匀速圆周运动，重力加速度取g ．求：
（1）环离开小孔时的坐标值； （2）板外的场强E 2的大小和方向；
（3）讨论板内场强E 1的取值范围，确定环打在桌面上的范围． 【答案】（1）环离开小孔时的坐标值是-
1
4
d ；
（2）板外的场强E2的大小为mg
q
，方向沿y轴正方向；
（3）场强E1的取值范围为
22
3
68
qB d qB d
m m
～，环打在桌面上的范围为
17
44
d d
-～．
【解析】
【详解】
（1）设在环离开小孔之前，环和底座各自移动的位移为x1、x2．由于板内小环与极板间的作用力是它们的内力，系统动量守恒，取向右为正方向，根据动量守恒定律，有：
mx1-3mx2=0 ①
而x1+x2=d ②
①②解得：x1=3
4
d③
x2=1 4 d
环离开小孔时的坐标值为：x m=3
4
d-d=-
1
4
d
（2）环离开小孔后便做匀速圆周运动，须qE2=mg
解得：2mg
E
q
=，方向沿y轴正方向
（3）环打在桌面上的范围可画得如图所示，临界点为P、Q，则
若环绕小圆运动，则R=0.75d ④
根据洛仑兹力提供向心力，有：
2
v qvB m
R
=⑤
环在极板内做匀加速运动，设离开小孔时的速度为v，根据动能定理，有：
qE1x1=1
2
mv2⑥
联立③④⑤⑥解得：
2 1
3
8
qB d E
m
=
若环绕大圆运动，则R2=（R-1.5d）2+（2d）2 解得：R=0.48d ⑦
联立③⑤⑥⑦解得：
2 1
6
qB d
E
m
≈
故场强E1
的取值范围为
22
3
68
qB d qB d
m m
～，环打在桌面上的范围为
17
44
d d
-～．
8．如图所示，空间存在方向垂直于xOy平面向里的匀强磁场，在0<y<d的区域Ⅰ内的磁感应强度大小为B，在y>d的区域Ⅱ内的磁感应强度大小为2B.一个质量为m、电荷量为-q
的粒子以速度
qBd
m
从O点沿y轴正方向射入区域Ⅰ.不计粒子重力．
(1) 求粒子在区域Ⅰ中运动的轨道半径：
(2) 若粒子射入区域Ⅰ时的速度为
2qBd
v
m
=，求粒子打在x轴上的位置坐标，并求出此过程中带电粒子运动的时间；
(3) 若此粒子射入区域Ⅰ的速度
qBd
v
m
>，求该粒子打在x轴上位置坐标的最小值．
【答案】（1）R d
=（2）()
43
OP d
=-
2
3
m
t
qB
π
=（3）
min
3
x d
=
【解析】
【分析】
【详解】
（1）带电粒子在磁场中运动，洛仑磁力提供向心力：
2
1
v
qv B m
r
=
把
qBd
v
m
=，代入上式，解得：R d
=
(2) 当粒子射入区域Ⅰ时的速度为0
2
v v
=时，如图所示
在OA段圆周运动的圆心在O1，半径为12
R d
=
在AB段圆周运动的圆心在O2，半径为R d
=
在BP 段圆周运动的圆心在O 3，半径为12R d =
可以证明ABPO 3为矩形，则图中30θ=,由几何知识可得：
132cos303OO d d == 所以：323OO d d =-
所以粒子打在x 轴上的位置坐标()133243OP O O OO d =+=-
粒子在OA 段运动的时间为：13023606m m t qB qB ππ=
= 粒子在AB 段运动的时间为2120236023m m t q B qB
ππ== 粒子在BP 段运动的时间为313023606m m t t qB qB ππ==
= 在此过程中粒子的运动时间：12223m t t t qB
π=+= (3)设粒子在区域Ⅰ中轨道半径为R ，轨迹由图
可得粒子打在x 轴上位置坐标：()22222x R R d
R d =--+-
化简得：222340R Rx x d -++= 把上式配方：222213033R x x d ⎛⎫--+= ⎪⎝
⎭ 化简为：222213033R x x d ⎛⎫-=-≥ ⎪⎝
⎭ 则当23
R x =时，位置坐标x 取最小值：min 3x d =
9．一个氘核（21H ）和一个氚核（31H ）聚变时产生一个中子（1
0n ）和一个α粒子（42e H ）。

已知氘核的质量为D m ，氚核的质量为T m ，中子的质量为n m ，α粒子的质量为αm ，光速为c ，元电荷电量为e 。

（1）写出核反应方程，并求一个氘核和一个氚核聚变时释放的核能E ∆。

（2）反应放出的α粒子在与匀强磁场垂直的平面内做圆周运动，轨道半径为R ，磁感应强度大小为B 。

求α粒子在磁场中圆周运动的周期T 和等效电流I 的大小。

（3）1909年卢瑟福及盖革等用α粒子轰击金箔发现，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进或只发生很小的偏转，但有些α粒子发生了较大的偏转，个别就像被弹回来了一样。

卢瑟福认为“枣糕模型”中的电子不足以把α粒子反弹回来，在经过深思熟虑和仔细的计算后，他提出了原子的核式结构模型。

以一个α粒子以速度v 与原来静止的电子发生弹性正碰为例，请通过计算说明为什么电子不能把α粒子反弹回来（已知α粒子的质量是电子质量的7300倍）。

【答案】（1）22
D T n ()
E mc m m m m c α∆=∆=+--（2）2α2πe B I m =（3）α粒子所受电子的影响是微乎其微的，不能被反弹
【解析】
【详解】
（1）核反应方程：23141102H+H n+He →
反应释放的核能：()22
D T n
E mc m m m m c α∆=∆=+-- （2）设α粒子的速度大小为v ，由2
α2v evB m R
=，2πR T v = 得α粒子在磁场中运动周期：απm T eB
= 由电流定义式2e I T
=，得环形电流大小：2α2πe B I m = （3）设电子的质量为e m ，碰撞后α粒子的速度为αv ，电子的速度为v e 。

由动量守恒：αe e m v m v m v αα=+ 由能量守恒：
222αe e 111222
m v m v m v αα=+ 得e αe m m v v m m αα-=+ 因1e e
m m m m αα-≈+ 所以αv v ≈，即α粒子所受电子的影响是微乎其微的，不能被反弹。

10．如图甲所示，边长为L 的正方形ABCD 区域内(含边界)有垂直纸面向里的匀强磁场。

在正方形的几何中心O 处有一粒子源，垂直磁场沿各个方向发射速率为v 0的带电荷量为－q 的粒子，粒子质量为m 。

图中x 、y 轴分别过正方形四边的中点E 、F 、G 、H 不计粒子重力及相互作用。

(1)为了使粒子不离开正方形ABCD区域则磁感应强度B1应该满足什么条件？
(2)改变磁场的强弱，若沿与y轴成60°(如图乙所示)方向发射的粒子在磁场中运动时间最短，求磁感应强度B2的大小；
(3)若磁感应强度大小为(2)中B2，则粒子离开磁场边界的范围。

(结果可用根号表示)
【答案】(1) (2) (3)从AB边射出的坐标为
从BD边射出的坐标为
从CD边射出的坐标为
从AC边射出的坐标为
【解析】
【分析】
(1)粒子经过磁场后恰好不飞出，则临界情况是粒子与磁场边界相切，画出轨迹，根据几何关系求出轨迹半径，再由牛顿第二定律求出B的值．(2)运动时间最短应找最小的圆心角，则找劣弧中弦长最短的轨迹；(3)由轨迹与边界相切或相交的各种情况找到临界半径，从而得到飞出的边界范围.
【详解】
(1)为使粒子不离开正方形ABCD区域，则粒子在磁场中圆周运动的半径需满足如下关系：
联立解得：
(2)由分析可知，所有粒子中，过正方形边长中点的粒子所需时间最短，由几个关系得：
(3)从AB边出射的粒子，轨迹如图所示：
分析可知，
解得：
当粒子运动轨迹与BG相切时，打到右边最远处，
由几何关系得，
解得：
综上粒子从AB边射出的坐标为
同理求得，从BD边射出的粒子，位置坐标为
同理求得，从CD边射出的粒子，位置坐标为
同理求得，从AC边射出的粒子，位置坐标为
【点睛】
解答带电粒子在磁场中运动的习题，关键是画出粒子的运动轨迹，尤其是临界轨迹，然后由几何关系求出圆周运动的半径从而可以顺利求解速度大小.
11．如图所示，平面直角坐标系xoy的第二、三象限内有方向沿y轴正向的匀强电场，第
一、四象限内有圆形有界磁场，有界磁场的半径为当
2
2
L，磁扬场的方向垂直于坐标平面
向里，磁场边界与y轴相切于O点，在x轴上坐标为(－L，0)的P点沿与x轴正向成θ=45°方向射出一个速度大小为v0的带电粒子，粒子的质量为m，电荷量为q，粒子经电场偏转垂直y轴射出电场，粒子进人磁场后经磁场偏转以沿y轴负方向的速度射出磁场，不计粒子的重力．求
(1)粒子从y轴上射出电场的位置坐标；
(2)匀强电场电场强度大小及匀强磁场的磁感应强度大小；
(3)粒子从P点射出到出磁场运动的时间为多少?
【答案】（1）（0，1
2
L）（2）
2
2
mv
E
qL
=0
2
2
mv
B
qL
=（3）
00
2(1)
2
L L
t
v v
π
+
=+
【解析】
【分析】
（1）粒子在电场中的运动为类平抛运动的逆过程，应用类平抛运动规律可以求出粒子出射位置坐标．
（2）应用牛顿第二定律求出粒子在电场中的加速度，应用位移公式求出电场强度；粒子在磁场中做圆周运动，应用牛顿第二定律可以求出磁感应强度．
（3）根据粒子运动过程，求出粒子在各阶段的运动时间，然后求出总的运动时间．
【详解】
（1）粒子在电场中的运动为类平抛运动的逆运动，
水平方向：L=v0cosθ•t1，
竖直方向：y=
1
2
v0sinθ•t1，
解得：y=
1
2
L，
粒子从y轴上射出电场的位置为：（0，
1
2
L）；
（2）粒子在电场中的加速度：a=qE
m
，
竖直分位移：y=
1
2
a t12，
解得：
2
2
mv
E
qL
=；
粒子进入磁场后做匀速圆周运动，粒子以沿y轴负方向的速度射出磁场，粒子运动轨迹运动轨迹如图所示，
由几何知识得：AC与竖直方向夹角为45°，
2y=
2
2
L，
因此AAC刚好为有界磁场边界圆的直径，粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径：r=L，
粒子在磁场中做圆周运动，由牛顿第二定律得：qvB=m
2
v
r
，
其中，粒子的速度：v=v 0cosθ， 解得：022mv B qL =； （3）粒子在电场中的运动时间：
100
2L L t v cos v θ==， 粒子离开电场进入磁场前做匀速直线运动，位移：2122x L L =
-， 粒子做运动直线运动的时间：20
(22)2x L t v v -==， 粒子在磁场中做圆周运动的时间：301122442m L t T qB v ππ=
=⨯=， 粒子总的运动时间：t=t 1+t 2+t 3=
()00
212L L v v π++； 【点睛】 本题考查了带电粒子在磁场中运动的临界问题，粒子在磁场中的运动运用洛伦兹力提供向心力结合几何关系求解，类平抛运动运用运动的合成和分解牛顿第二定律结合运动学公式求解，解题关键是要作出临界的轨迹图，正确运用数学几何关系，分析好从电场射入磁场衔接点的速度大小和方向，运用粒子在磁场中转过的圆心角，结合周期公式，求解粒子在磁场中运动的时间．
12．如图所示，在平面直角坐标系xOy 内，第一、四象限有与y 轴相切于O 点、圆心为O 1、半径一定的有界圆形区域，其内存在垂直于纸面匀强磁场，第二、三象限有平行y 轴的匀强电场．一带电粒子(重力不计)自P(－d ，32
d )点以平行于x 轴的初速度v 0开始运动，粒子从O 点离开电场，经磁场偏转后又从y 轴上的Q 点(图中未画出)垂直于y 轴回到电场区域，并恰能返回到P 点．求：
(1)粒子经过O 点时的速度；
(2)电场强度E 和磁感应强度B 的比值．
【答案】（1）2v 0
（2）058
E v B =
【解析】
【详解】
试题分析：（1）粒子从P 到O 的过程中做类平抛运动，设时间为t 1，经过O 点时的速度为v ，其在y 轴负方向的分速度为v y ，与y 轴负方向的夹角为θ
d=v 0t 1 132
x v d t = v 2=v 02+v y 2 0tan y θ=v v
解得：v=2v 0θ=300
（2）设粒子质量为m ，电荷量为q ，粒子在电场中运动的加速度为a ：Eq=ma 21312
at = 粒子从Q 到P 的过程中，也做类平抛运动，设时间为t 2，Q 点的纵坐标为y Q 22312
Q y at = d=vt 2 解得：53Q y = 设粒子由S 点离开磁场，粒子从O 到S 过程中做圆周运动，半径为r ，由几何关系有：r+rsinθ=y Q
2
v qvB m r
= 312
r d = 058
E v B = 考点：带电粒子在电场及磁场中的运动
【点睛】
【名师点睛】此题是带电粒子在电场及磁场中的运动问题；关键是搞清粒子的运动情况，画出粒子运动的轨迹图，结合平抛运动及匀速圆周运动的规律，并利用几何关系进行求解；此题难度中等，考查学生运用基础知识解决问题的能力．
13．如图为一装放射源氡的盒子，静止的氡核经过一次α衰变成钋Po ，新核Po 的速率约为2×105m/s ．衰变后的α粒子从小孔P 进入正交的电磁场区域Ⅰ，且恰好可沿中心线匀速通过，磁感应强度B =0.1T ．之后经过A 孔进入电场加速区域Ⅱ，加速电压U =3×106V ．从区域Ⅱ射出的α粒子随后又进入半径为r =
3
m 的圆形匀强磁场区域Ⅲ，该区域磁感应强度B 0=0.4T 、方向垂直纸面向里．圆形磁场右边有一竖直荧光屏与之相切，荧光屏的中心点M 和圆形磁场的圆心O 、电磁场区域Ⅰ的中线在同一条直线上，α粒子的比荷为
q
m
=5×107C/kg ．
(1)请写出衰变方程，并求出α粒子的速率(保留一位有效数字)； (2)求电磁场区域Ⅰ的电场强度大小； (3)粒子在圆形磁场区域Ⅲ的运动时间多长？ (4)求出粒子打在荧光屏上的位置． 【答案】（1）
2222184
86
842Rn Po He →
+ 1×107 m/s
（2）1×106V/m （3）
6
π
×10－7s （4）打在荧光屏上的M 点上方1 m 处 【解析】 【分析】
（1）根据质量数守恒和电荷数守恒写出方程，根据动量守恒求解速度； （2）根据速度选择器的原理求解电场强度的大小；
（3）粒子在磁场中匀速圆周运动，并结合几何知识进行求解即可； 【详解】
（1）根据质量数守恒和电荷数守恒，则衰变方程为：
2222184
86
842Rn Po He →
+ ①
设α粒子的速度为0v ，则衰变过程动量守恒：100Po He m v m v =- ②
联立①②可得：7
0110/v m s =⨯ ③
（2）α粒子匀速通过电磁场区域Ⅰ：0qE qv B ＝④ 联立③④可得：6110/E V m =⨯ ⑤ （3）α粒子在区域Ⅱ被电场加速：2201122
qU mv mv =- 所以得到：7210/v m s =⨯⑥
α粒子在区域Ⅲ中做匀速圆周运动： 2v qvB m R
＝ 所以轨道半径为：1R m ＝⑦ 而且：2R
T v
π=
⑧ 由图根据几何关系可知：α粒子在磁场中偏转角60θ=︒，所以α粒子在磁场中的运动时
间1
6
t T =
⑨ 联立⑧⑨可得：7106
t s π
=
⨯－；
（4）α粒子的入射速度过圆心，由几何关系可知，出射速度方向也必然过圆心O ，几何关系如图： 60x
tan r
︒=
，所以1x m =，α粒子打在荧光屏上的M 点上方1m 处．
【点睛】
本题实质是考查带电粒子在电场和磁场中的运动，解决类似习题方法是洛伦兹力提供向心力，同时结合几何知识进行求解，同时画出图形是解题的关键．
14．通过测量质子在磁场中的运动轨迹和打到探测板上的计数率（即打到探测板上质子数与衰变产生总质子数N 的比值），可研究中子（1
0n ）的β衰变。

中子衰变后转化成质子
和电子，同时放出质量可视为零的反中微子e ν。

如图所示，位于P 点的静止中子经衰变可形成一个质子源，该质子源在纸面内各向均匀地发射N 个质子。

在P 点下方放置有长度
1.2m L =以O 为中点的探测板，P 点离探测板的垂直距离OP 为a 。

在探测板的上方存在
方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B 的匀强磁场。

已知电子质量312
e 9.110kg 0.51MeV /c m -=⨯=，中子质量2n 939.57MeV /c m =，质子
质量2
p 938.27MeV /c m =（c 为光速，不考虑粒子之间的相互作用）。

若质子的动量21
1814.810
kg m s 310MeV s m p ----=⨯⋅⋅=⨯⋅⋅。

（1）写出中子衰变的核反应式，求电子和反中微子的总动能（以MeV 为能量单位）； （2）当0.15m a =，0.1T B =时，求计数率；
（3）若a 取不同的值，可通过调节B 的大小获得与（2）问中同样的计数率，求B 与a 的关系并给出B 的范围。

【答案】(1) 0.7468MeV (2) 2
3
(3) 15T B 【解析】 【分析】 【详解】
（1）核反应方程满足质量数和质子数守恒：
111
0e 0
11n p e ν-→++
核反应过程中：
()222n p e 0.79MeV d E m c m c m c ∆=-+=
根据动量和动能关系：
2p p
0.0432MeV 2k p E m ==
则总动能为：
e νp 0.7468MeV d k E E E E +=∆-=
（2）质子运动半径：
0.3m p
R eB
=
= 如图甲所示：。