【物理】 物理带电粒子在复合场中的运动专题练习(及答案)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练

1．如图所示，直径分别为D 和2D 的同心圆处于同一竖直面内，O 为圆心，GH 为大圆的水平直径。两圆之间的环形区域(Ⅰ区)和小圆内部(Ⅱ区)均存在垂直圆面向里的匀强磁场．间距为d 的两平行金属极板间有一匀强电场，上极板开有一小孔．一质量为m 、电量

为＋q 的粒子由小孔下方

2

d

处静止释放，加速后粒子以竖直向上的速度v 射出电场，由H 点紧靠大圆内侧射入磁场。不计粒子的重力。

(1)求极板间电场强度的大小；

(2)若粒子运动轨迹与小圆相切，求Ⅰ区磁感应强度的大小； (3)若Ⅰ区、Ⅱ区磁感应强度的大小分别为2mv qD 、

4mv

qD

,粒子运动一段时间后再次经过H 点，求这段时间粒子运动的路程．

【来源】2015年全国普通高等学校招生统一考试物理（山东卷带解析)

【答案】（1）2

mv qd

（2）4mv qD 或43mv qD （3）5.5πD

【解析】 【分析】 【详解】

(1)粒子在电场中，根据动能定理2

122

d Eq mv ⋅=，解得2mv E qd =

(2)若粒子的运动轨迹与小圆相切，则当内切时，半径为

/2

E R 由2

1

1

v qvB m r =，解得4mv B qD = 则当外切时，半径为

e R

由2

12

v qvB m r =，解得43mv B qD =

(2)若Ⅰ区域的磁感应强度为220932qB L m U =，则粒子运动的半径为00

10016819

U U U ≤≤；Ⅱ

区域的磁感应强度为2012qU mv =，则粒子运动的半径为2

v qvB m r

=；

设粒子在Ⅰ区和Ⅱ区做圆周运动的周期分别为T 1、T 2，由运动公式可得：

1112R T v π=

；03

4

r L =

据题意分析，粒子两次与大圆相切的时间间隔内，运动轨迹如图所示，根据对称性可知，Ⅰ区两段圆弧所对的圆心角相同，设为1θ，Ⅱ区内圆弧所对圆心角为2θ，圆弧和大圆的两个切点与圆心O 连线间的夹角设为α，由几何关系可得：1120θ=；2180θ=；

60α=

粒子重复上述交替运动回到H 点，轨迹如图所示，设粒子在Ⅰ区和Ⅱ区做圆周运动的时间

分别为t 1、t 2，可得：r U ∝；1056

U L

U L

=

设粒子运动的路程为s ，由运动公式可知：s=v(t 1+t 2) 联立上述各式可得：s=5.5πD

2．两块足够大的平行金属极板水平放置，极板间加有空间分布均匀、大小随时间周期性变化的电场和磁场，变化规律分别如图1、图2所示（规定垂直纸面向里为磁感应强度的正方向）。在t =0时刻由负极板释放一个初速度为零的带负电的粒子（不计重力），若电场

强度E 0、磁感应强度B 0、粒子的比荷q m

均已知，且002m t qB π=，两板间距

202

010mE h qB π=。

（1）求粒子在0～t 0时间内的位移大小与极板间距h 的比值。 （2）求粒子在板板间做圆周运动的最大半径（用h 表示）。

（3）若板间电场强度E 随时间的变化仍如图1所示，磁场的变化改为如图3所示，试画出粒子在板间运动的轨迹图（不必写计算过程）。

【来源】带电粒子的偏转

【答案】（1）粒子在0～t 0时间内的位移大小与极板间距h 的比值115

s h = （2）粒子在极板间做圆周运动的最大半径225h R π

= （3）粒子在板间运动的轨迹如图：

【解析】 【分析】 【详解】

（1）设粒子在0～t 0时间内运动的位移大小为s 1

2

1012s at =

① 0qE

a m

=②

又已知2002

00

102,mE m t h qB qB ππ== 联立解得：

115

s h =

（2）解法一

粒子在t 0~2t 0时间内只受洛伦兹力作用，且速度与磁场方向垂直，所以粒子做匀速圆周运动。设运动速度大小为v 1，轨道半径为R 1，周期为T ，则

10v at =

2

1101

mv qv B R =

联立解得：15h R π

= 又00

2m

T t qB π=

= 即粒子在t 0~2t 0时间内恰好完成一个周期的圆周运动。

在2t 0~3t 0时间内，粒子做初速度为v 1的匀加速直线运动，设位移大小为s 2

2

210012

s v t at =+

解得：235

s h =

由于s 1+s 2＜h ，所以粒子在3t 0~4t 0时间内继续做匀速圆周运动，设速度大小为v 2，半径为R 2，有：

210v v at =+

22

202

mv qv B R =

解得225h R π

=

由于s 1+s 2+R 2＜h ，粒子恰好又完成一个周期的圆周运动。 在4t 0~5t 0时间内，粒子运动到正极板（如图所示）：

因此粒子运动的最大半径225h R π

=。 解法二

由题意可知，电磁场的周期为2t 0，前半周期 粒子受电场作用做匀加速直线运动，加速度大小为：

qE a m

=

方向向上。