带电粒子在复合场中的运动练习题含答案及解析

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高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.在xOy平面的第一象限有一匀强电磁,电场的方向平行于y轴向下,在x轴和第四象限的射线OC之间有一匀强电场,磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里,有一质量为m,带有电荷量+q的质点由电场左侧平行于x轴射入电场,质点到达x轴上A点,速度方向与x 轴的夹角为φ,A点与原点O的距离为d,接着,质点进入磁场,并垂直与OC飞离磁场,不计重力影响,若OC与x轴的夹角为φ.求:⑴粒子在磁场中运动速度的大小;⑵匀强电场的场强大小.【来源】带电粒子在复合场中的运动计算题【答案】(1) (2)【解析】【分析】【详解】试题分析:(1)由几何关系得:R=dsinφ由洛仑兹力公式和牛顿第二定律得解得:(2)质点在电场中的运动为类平抛运动.设质点射入电场的速度为v0,在电场中的加速度为a,运动时间为t,则有:v 0=vcosφ vsinφ=at d=v 0t设电场强度的大小为E ,由牛顿第二定律得 qE=ma 解得:2.如图所示,以两虚线为边界,中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场,宽度为d ,两侧为相同的匀强磁场,方向垂直纸面向里.一质量为m 、带电量q +、重力不计的带电粒子,以初速度1v 垂直边界射入磁场做匀速圆周运动,后进入电场做匀加速运动,然后第二次进入磁场中运动,此后粒子在电场和磁场中交替运动.已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍,第三次是第一次的三倍,以此类推.求:(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功1W (2)粒子第n 次经过电场时电场强度的大小n E (3)粒子第n 次经过电场所用的时间n t(4)假设粒子在磁场中运动时,电场区域场强为零.请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中,电场强度随时间变化的关系图线(不要求写出推导过程,不要求标明坐标刻度值).【来源】河北省衡水中学滁州分校2018届高三上学期全真模拟物理试题【答案】(1)21132mv W =(2)21(21)2n n mv E qd +=(3)12(21)n d t n v =+ (4)如图;【解析】 (1)根据mv r qB =,因为212r r =,所以212v v =,所以221211122W mv mv =-, (2)=,,所以.(3),,所以.(4)3.如图所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上.在xOy平面内有与y轴平行的匀强电场,在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场.在圆的左边放置一带电微粒发射装置,它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q(q>0)和初速度v的带电微粒.发射时,这束带电微粒分布在0<y<2R的区间内.已知重力加速度大小为g.(1)从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域,并从坐标原点O沿y轴负方向离开,求电场强度和磁感应强度的大小与方向.(2)请指出这束带电微粒与x轴相交的区域,并说明理由.(3)若这束带电微粒初速度变为2v,那么它们与x轴相交的区域又在哪里?并说明理由.【来源】带电粒子在电场中运动压轴大题【答案】(1)mgEq=,方向沿y轴正方向;mvBqR=,方向垂直xOy平面向外(2)通过坐标原点后离开;理由见解析(3)范围是x>0;理由见解析【解析】【详解】(1)带电微粒平行于x 轴从C 点进入磁场,说明带电微粒所受重力和电场力的大小相等,方向相反.设电场强度大小为E ,由:mg qE =可得电场强度大小:mg qE =方向沿y 轴正方向;带电微粒进入磁场后受到重力、电场力和洛伦兹力的作用.由于电场力和重力相互抵消,它将做匀速圆周运动.如图(a )所示:考虑到带电微粒是从C 点水平进入磁场,过O 点后沿y 轴负方向离开磁场,可得圆周运动半径r R =;设磁感应强度大小为B ,由:2v qvB m R=可得磁感应强度大小:mv B qR=根据左手定则可知方向垂直xOy 平面向外;(2)从任一点P 水平进入磁场的带电微粒在磁场中做半径为R 的匀速圆周运动,如图(b )所示,设P 点与O '点的连线与y 轴的夹角为θ,其圆周运动的圆心Q 的坐标为(sin ,cos )R R θθ-,圆周运动轨迹方程为:222(sin )(cos )x R y R R θθ++-=而磁场边界是圆心坐标为(0,R )的圆周,其方程为:22()x y R R +-=解上述两式,可得带电微粒做圆周运动的轨迹与磁场边界的交点为0x y =⎧⎨=⎩或:sin {(1cos )x R y R θθ=-=+坐标为[sin ,(1cos )]R R θθ-+的点就是P 点,须舍去.由此可见,这束带电微粒都是通过坐标原点后离开磁场的;(3)带电微粒初速度大小变为2v ,则从任一点P 水平进入磁场的带电微粒在磁场中做匀速圆周运动的半径r '为:(2)2m v r R qB'== 带电微粒在磁场中经过一段半径为r '的圆弧运动后,将在y 轴的右方(x >0区域)离开磁场并做匀速直线运动,如图(c )所示.靠近M 点发射出来的带电微粒在穿出磁场后会射向x 轴正方向的无穷远处;靠近N 点发射出来的带电微粒会在靠近原点之处穿出磁场 所以,这束带电微粒与x 轴相交的区域范围是x >0.答:(1)电场强度mg qE = ,方向沿y 轴正方向和磁感应强度mvB qR=,方向垂直xOy 平面向外.(2)这束带电微粒都是通过坐标原点后离开磁场的;(3)若这束带电微粒初速度变为2v ,这束带电微粒与x 轴相交的区域范围是x >0。

(物理) 高考物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)及解析

(物理) 高考物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)及解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图甲所示,空间存在一范围足够大的垂直于xOy 平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B .让质量为m ,电荷量为q (q >0)的粒子从坐标原点O 沿xOy 平面以不同的初速度大小和方向入射到磁场中.不计重力和粒子间的影响.(1)若粒子以初速度v 1沿y 轴正向入射,恰好能经过x 轴上的A (a ,0)点,求v 1的大小;(2)已知一粒子的初速度大小为v (v >v 1),为使该粒子能经过A (a ,0)点,其入射角θ(粒子初速度与x 轴正向的夹角)有几个?并求出对应的sin θ值;(3)如图乙,若在此空间再加入沿y 轴正向、大小为E 的匀强电场,一粒子从O 点以初速度v 0沿y 轴正向发射.研究表明:粒子在xOy 平面内做周期性运动,且在任一时刻,粒子速度的x 分量v x 与其所在位置的y 坐标成正比,比例系数与场强大小E 无关.求该粒子运动过程中的最大速度值v m .【来源】2013年全国普通高等学校招生统一考试理科综合能力测试物理(福建卷带解析) 【答案】⑴;⑵两个 sin θ=;⑶+.【解析】试题分析:(1)当粒子沿y 轴正向入射,转过半个圆周至A 点,半径R 1=a/2由运动定律有2111v Bqv m R =解得12Bqav m=(2)如右图所示,O 、A 两点处于同一圆周上,且圆心在x =2a的直线上,半径为R ,当给定一个初速率v 时, 有2个入射角,分别在第1、2象限.即 sinθ′=sinθ=2a R另有2v Bqv m R=解得 sinθ′=sinθ=2aqBmv(3)粒子在运动过程中仅电场力做功,因而在轨道的最高点处速率最大,用y m 表示其y 坐标,由动能定理有 qEy m=12mv2m-12mv2由题知 v m=ky m若E=0时,粒子以初速度v0沿y轴正向入射,有 qv0B=m2vR在最高处有 v0=kR0联立解得22()mE Ev vB B=++考点:带电粒子在符合场中的运动;动能定理.2.压力波测量仪可将待测压力波转换成电压信号,其原理如图1所示,压力波p(t)进入弹性盒后,通过与铰链O相连的“”型轻杆L,驱动杆端头A处的微型霍尔片在磁场中沿x轴方向做微小振动,其位移x与压力p成正比(,0x pαα=>).霍尔片的放大图如图2所示,它由长×宽×厚=a×b×d,单位体积内自由电子数为n的N型半导体制成,磁场方向垂直于x轴向上,磁感应强度大小为(1)0B B xββ=->,.无压力波输入时,霍尔片静止在x=0处,此时给霍尔片通以沿12C C方向的电流I,则在侧面上D1、D2两点间产生霍尔电压U0.(1)指出D1、D2两点那点电势高;(2)推导出U0与I、B0之间的关系式(提示:电流I与自由电子定向移动速率v之间关系为I=nevbd,其中e为电子电荷量);(3)弹性盒中输入压力波p (t ),霍尔片中通以相同的电流,测得霍尔电压U H 随时间t 变化图像如图3,忽略霍尔片在磁场中运动场所的电动势和阻尼,求压力波的振幅和频率.(结果用U 0、U 1、t 0、α、及β)【来源】浙江新高考2018年4月选考科目物理试题【答案】(1) D 1点电势高 (2) 001IB U ne d= (3) 101(1)U A U αβ=- ,012f t =【解析】【分析】由左手定则可判定电子偏向D 2边,所以D 1边电势高;当电压为U 0时,电子不再发生偏转,故电场力等于洛伦兹力,根据电流I 与自由电子定向移动速率v 之间关系为I=nevbd 求出U 0与I 、B 0之间的关系式;图像结合轻杆运动可知,0-t 0内,轻杆向一侧运动至最远点又返回至原点,则可知轻杆的运动周期,当杆运动至最远点时,电压最小,结合U 0与I 、B 0之间的关系式求出压力波的振幅.解:(1)电流方向为C 1C 2,则电子运动方向为C2C1,由左手定则可判定电子偏向D 2边,所以D 1边电势高;(2)当电压为U 0时,电子不再发生偏转,故电场力等于洛伦兹力0U qvB qb= ① 由电流I nevbd = 得:Iv nebd=② 将②带入①得00IB U ned=(3)图像结合轻杆运动可知,0-t 0内,轻杆向一侧运动至最远点又返回至原点,则轻杆的运动周期为T=2t 0 所以,频率为: 012f t =当杆运动至最远点时,电压最小,即取U 1,此时0(1)B B x β=- 取x 正向最远处为振幅A ,有:01(1?)IB U A nedβ=- 所以:00011(1)1IB U ned IB A U Aned ββ==-- 解得:010U U A U β-=根据压力与唯一关系x p α=可得xp α=因此压力最大振幅为:01m U U p U αβ-=3.在xOy平面的第一象限有一匀强电磁,电场的方向平行于y轴向下,在x轴和第四象限的射线OC之间有一匀强电场,磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里,有一质量为m,带有电荷量+q的质点由电场左侧平行于x轴射入电场,质点到达x轴上A点,速度方向与x 轴的夹角为φ,A点与原点O的距离为d,接着,质点进入磁场,并垂直与OC飞离磁场,不计重力影响,若OC与x轴的夹角为φ.求:⑴粒子在磁场中运动速度的大小;⑵匀强电场的场强大小.【来源】带电粒子在复合场中的运动计算题【答案】(1) (2)【解析】【分析】【详解】试题分析:(1)由几何关系得:R=dsinφ由洛仑兹力公式和牛顿第二定律得解得:(2)质点在电场中的运动为类平抛运动.设质点射入电场的速度为v0,在电场中的加速度为a,运动时间为t,则有:v0=vcosφvsinφ=atd=v0t设电场强度的大小为E,由牛顿第二定律得qE=ma解得:4.如图所不,在x轴的上方存在垂直纸面向里,磁感应强度大小为B0的匀强磁场.位于x 轴下方的离子源C发射质量为m、电荷量为g的一束负离子,其初速度大小范围0〜,这束离子经电势差的电场加速后,从小孔O(坐标原点)垂直x轴并垂直磁场射入磁场区域,最后打到x轴上.在x轴上2a〜3a区间水平固定放置一探测板(),假设每秒射入磁场的离子总数为N0,打到x轴上的离子数均匀分布(离子重力不计).(1)求离子束从小孔O射入磁场后打到x轴的区间;(2)调整磁感应强度的大小,可使速度最大的离子恰好打在探测板右端,求此时的磁感应强度大小B1;(3)保持磁感应强度B1不变,求每秒打在探测板上的离子数N;若打在板上的离子80%被吸收,20%被反向弹回,弹回速度大小为打板前速度大小的0.6倍,求探测板受到的作用力大小.【来源】浙江省2018版选考物理考前特训(2017年10月)加试30分特训:特训7 带电粒子在场中的运动试题【答案】(1);(2)(3)【解析】(1)对于初速度为0的离子,根据动能定理::qU=mv在磁场中洛仑兹力提供向心力:,所以半径:r1==a恰好打在x=2a的位置;对于初速度为v0的离子,qU=mv-m(v0)2r2==2a,恰好打在x=4a的位置故离子束从小孔O射入磁场打在x轴上的区间为[2a,4a](2)由动能定理qU=mv-m(v0)2r3=r3=a解得B1=B0(3)对速度为0的离子qU=mvr4==a2r4=1.5a离子打在x轴上的区间为[1.5a,3a]N=N0=N0对打在x=2a处的离子qv3B1=对打在x=3a处的离子qv4B1=打到x轴上的离子均匀分布,所以=由动量定理-Ft=-0.8Nm+0.2N(-0.6m-m)解得F=N0mv0.【名师点睛】初速度不同的粒子被同一加速电场加速后,进入磁场的速度也不同,做匀速圆周运动的半径不同,转半圈后打在x轴上的位置不同.分别求出最大和最小速度,从而求出最大半径和最小半径,也就知道打在x轴上的区间;打在探测板最右端的粒子其做匀速圆周运动的半径为1.5a,由半径公式也就能求出磁感应强度;取时间t=1s,分两部分据动量定理求作用力.两者之和就是探测板受到的作用力.5.如图所示,以两虚线为边界,中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场,宽度为、重力不计的d,两侧为相同的匀强磁场,方向垂直纸面向里.一质量为m、带电量q带电粒子,以初速度1v垂直边界射入磁场做匀速圆周运动,后进入电场做匀加速运动,然后第二次进入磁场中运动,此后粒子在电场和磁场中交替运动.已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍,第三次是第一次的三倍,以此类推.求:(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功1W (2)粒子第n 次经过电场时电场强度的大小n E (3)粒子第n 次经过电场所用的时间n t(4)假设粒子在磁场中运动时,电场区域场强为零.请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中,电场强度随时间变化的关系图线(不要求写出推导过程,不要求标明坐标刻度值).【来源】河北省衡水中学滁州分校2018届高三上学期全真模拟物理试题【答案】(1)21132mv W =(2)21(21)2n n mv E qd +=(3)12(21)n d t n v =+ (4)如图;【解析】 (1)根据mv r qB =,因为212r r =,所以212v v =,所以221211122W mv mv =-, (2)=,,所以.(3),,所以.(4)6.如图所示,在平面直角坐标系xOy 中的第一象限内存在磁感应强度大小为B 、方向垂直于坐标平面向里的有界矩形匀强磁场区域(图中未画出);在第二象限内存在沿x 轴负方向的匀强电场。

带电粒子在复合场中的运动习题全集(含答案).

带电粒子在复合场中的运动习题全集(含答案).

图11-4-1例1.如图11-4-1绝缘直棒上的小球,其质量为m 、带电荷量是+q ,小球可在棒上滑动.将此棒竖直放在互相垂直且在水平方向的匀强电场和匀强磁场中,电场强度是E ,磁感应强度是B ,小球与棒间的动摩擦因数为 ,求小球由静止沿棒下滑的最大加速度和最大速度(小球带电荷量不变)例2.如图11-4-3所示,水平放置的平行金属板,长为l =140cm ,两板之间的距离d =30cm ,板间有图示方向的匀强磁场,磁感应强度的大小为B =1.3×10-3T .两板之间的电压按图所示的规律随时间变化(上板电势高为正).在t =0时,粒子以速度v =4×103m/s 从两板(左端)正中央平行于金属板射入,已知粒子质量m =6.64×10-27kg ,带电量q =3.2×10-19C .试通过分析计算,看粒子能否穿越两块金属板间的空间,如不能穿越,粒子将打在金属板上什么地方?如能穿越,则共花多少时间?【益智演练】1.一个质量为m ,电量为q 的负电荷在磁感应强度为B 的匀强磁场中绕固定的正电荷做匀速圆周运动,磁场方向垂直于它的运动平面,作用在负电荷上的电场力恰好是磁场力的三倍,则负电荷做圆周运动的角速度可能是:( )A .4qBmB .3qBmC .2qBmD .qB m2.如图11-4-5所示,足够长的光滑三角形绝缘槽,与水平面的夹角分别为α和β(α<β),加垂直于纸面向里的磁场.分别将质量相等、带等量正、负电荷的小球 a 、b 依次从两斜面的顶端由静止释放,关于两球在槽上运动的说法正确的是( ) A .在槽上,a 、b 两球都做匀加速直线运动,且a a >a b B .在槽上,a 、b 两球都做变加速运动,但总有a a >a bC .a 、b 两球沿直线运动的最大位移是s a <s bD .a 、b 两球沿槽运动的时间为t a 和t b ,则t a <t b3.一带正电的小球沿光滑水平桌面向右运动,飞离桌面后进入匀强磁场,如图11-4-6所示,若飞行时间t 1后落在地板上,水平射程为s 1,着地速度大小为v 1,撤去磁场,其他条件不变,小球飞行时间t 2,水平射程s 2,着地速度大小为v 2,则( ) A .s 2>s 1 B .t 1>t 2 C .v 1>v 2 D .v 1=v4.用绝缘细线悬挂一个质量为m 、带电量为+q 的小球,让它处于右图11-4-7所示的磁感应强度为B 的匀强磁场中.由于磁场的运动,小球静止在如图位置,这时悬线与竖直方向夹角为α,并被拉直,则磁场运动的速度和方向是( )A .v =mg /Bq ,水平向右B .v =mg /Bq ,水平向左C .v =mg tan α/Bq ,竖直向上D .v =mg tan α/Bq ,竖直向下5.如图11-4-8所示,有一电量为q ,质量为m 的小球,从两竖直的带等量 异种电荷的平行板上方高h 处自由下落,两板间有匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,那么带电小球在通过正交电磁场时( )图11-4-6图11-4-5B 图11-4-7t/10s3 54 1.图11-4-3C .可能做匀速直线运动D .可能做匀加速直线运动 6.如图11-4-9所示,带电平行板间匀强电场竖直向上,匀强磁场方向垂直纸面向里,某带电小球从光滑轨道上的a 点自由下落,经轨道端点P 进入板间后恰好沿水平方向做直线运动.现使小球从稍低些的b 点开始自由滑下,在经过P 点进入板间后的运动过程中,以下分析中正确的是( )A .其动能将会增大B .其电势能将会增大C .小球所受的洛伦兹力将会逐渐增大D .小球受到的电场力将会增大7.如图11-4-4-10所示,在长方形abcd 区域内有正交的电磁场,ab =bc /2=L ,一带电粒子从ad 的中点垂直于电场和磁场方向射入,恰沿直线从b c 边的中点P 射出,若撤去磁场,则粒子从C点射出;若撤去电场,则粒子将(重力不计)( ) A .从b 点射出 B .从b 、P 间某点射出 C .从a 点射出 D .从a 、b 间某点射出8.如图11-4-11所示,在真空中,匀强电场的方向竖直向下,匀强磁场的方向垂直纸面向里,三个油滴a 、b 、c 带有等量同种电荷,已知a 静止,b向右匀速运动,c 向左匀速运动,比较它们的质量应有( )A .a 油滴质量最大B .b 油滴质量最大C .c 油滴质量最大D .a 、b 、c 质量一样9.如图11-4-12中所示虚线所围的区域内,存在电场强度为E 的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场,已知从左侧水平射入的电子,穿过这一区域时未发生偏转,设重力忽略不计,则在这个区域中的E 和B 的方向可能是( ) A .E 和B 都沿水平方向,并与电子运动方向相同 B .E 和B 都沿水平方向,并与电子运动方向相反C .E 竖直向上,B 垂直于纸面向外D .E 竖直向上,B 垂直于纸面向里10.设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向内的匀强磁场,如图11-4-13所示.已知一离子在电场力和洛仑兹力的作用下,从静止开始自A 点沿曲线ACB 运动,到达B 时速度为零.C 是曲线的最低点,不计重力.以下说法正确的是( )A .离子一定带正电B .A 、B 两点位于同一高度C .离子在C 点速度最大D .离子到达B 点后将沿曲线返回A 点11.如图11-4-14所示,在真空中一个光滑的绝缘的水平面上,有直径相同的两个金属球A 、C .质量m A =0.01 kg ,m C =0.005 kg .静止在磁感应强度B =0.5 T 的匀强磁场中的C 球带正电,电量q C =1×10-2 C .在磁场外的不带电的A 球以速度v 0=20 m/s 进入磁场中与C 球发生正碰后,C 球对水平面压力恰好为零,则碰后A 球的速度为 ( )A .10 m/sB .5 m/sC .15 m/sD .-20 m/s12.三种粒子(均不计重力):质子、氘核和 粒子由静止开始在同一匀强电场中加速后,从同一位置沿水平方向射入图11-4-15中虚线框内区域,虚线框内区域加有匀强电场或匀强磁场,以下对带电粒子进入框内区域后运动情况分析正确的是:( )A .区域内加竖直向下方向的匀强电场时,三种带电粒子均可分离B .区域内加竖直向上方向的匀强电场时,三种带电粒子不能分离 A B 图11-4-13图图11-4-8图11-4-12d 图11-4-10v 图11-4-11图11-4-15aD .区域内加垂直纸面向里的匀强磁场时,三种带电粒子均不可以分离13.在光滑绝缘水平面上,一轻绳拉着一个带电小球绕竖直方向的轴O 在匀强磁场中做逆时针方向的水平匀速圆周运动,磁场方向竖直向下,其俯视图如图11-4-16所示,若小球运动到A 点时,由于某种原因,绳子突然断开,关于小球在绳断开后可能的运动情况,以下说法正确的是( )A .小球仍做逆时针匀速圆周运动,半径不变B .小球仍做逆时针匀速圆周运动,但半径减小C .小球做顺时针匀速圆周运动,半径不变D .小球做顺时针匀速圆周运动,半径减小14.质量为m ,带正电为q 的小物块放在斜面上,斜面倾角为α,物块与斜面间动摩擦因数为μ,整个斜面处在磁感应强度为B 的匀强磁场中,如图11-4-17所示,物块由静止开始沿斜面下滑,设斜面足够长,物块在斜面上滑动能达到的最大速度为多大?若物块带负电量为q ,则物块在斜面上滑动能达到的最大速度又为多大?15.如图11-4-18所示,套在很长的绝缘直棒上的小圆环,其质量为m ,带电量是+q ,小圆环可在棒上滑动,将此棒竖直放在互相垂直,且沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中,电场强度是E ,磁感应强度是B ,小圆环与棒的动摩擦因数为μ,求小圆环由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度.E 图11-4-18图11-4-1716.如图11-4-19所示,一带电液滴在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中运动,已知电场强度的大小为E ,方向竖直向下,磁感应强度为B ,方向垂直纸面向里.若此液滴在垂直于磁感应强度的平面内做半径为R 的匀速圆周运动,设液滴的质量为m ,求:(1)液滴的速度大小和绕行方向;(2)若液滴运行到轨迹最低点A 时,分裂成大小相同的两滴,其中一个液滴仍在原来的平面内做半径为3R 的圆周运动,绕行方向不变,且此圆周的最低点也是A ,另一滴将如何运动?17.质量为m ,带电量为q 的液滴以速度v 沿与水平成45 角斜向上进入正交的匀强电场和匀强磁场叠加区域,电场强度方向水平向右,磁场方向垂直纸面向里,如图11-4-20所示.液滴带正电荷,在重力、电场力及磁场力共同作用下在场区做匀速直线运动.试求:(1)电场强度E 和磁感应强度B 各多大?(2)当液滴运动到某一点A 时,电场方向突然变为竖直向上,大小不改变,不考虑因电场变化而产生的磁场的影响,此时液滴加速度多少?说明此后液滴的运动情况.18.如图11-4-21所示,匀强磁场垂直纸面向里,磁感应强度B =1T ,匀强电场水平向右,电场强度E =103N/C ,有一带正电的微粒m =2×10-6kg ,电量q =2×10-6C ,在纸面内做匀速直线运动.g 取10m/s 2,问: (1)微粒的运动方向和速率如何?(2)若微粒运动到P 电时突然撤去磁场,经过时间t 后运动到Q 点,P 、Q 连线与电场线平行,那么t 为多少?图11-4-19 P图11-4-2019.如图11-4-22所示,一质量为m ,带电量为+q 的粒子以速度v 0从O 点沿y 轴正方向射入磁感应强度为B 的圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向外,粒子飞出磁场区域后,从点b 处穿过x 轴,速度方向与x 轴正方向的夹角为30°,同时进入场强为E 、方向沿与x 轴负方向成60°角斜向下的匀强电场中,通过了b 点正下方的c 点,如图15-76所示.粒子的重力不计,试求: (1)圆形匀强磁场区域的最小面积;(2)c 点到b 点的距离s .20.如图11-4-23所示,置于光滑水平面上的绝缘小车A 、B 质量分别为m A =3kg 、m B =0.5kg ,质量为m C =0.1kg 、带电量为q =+1/75 C 、可视为质点的绝缘物体C 位于光滑小车B 的左端.在A 、B 、C 所在的空间有一垂直纸面向里的匀强磁场,磁感强度B =10T ,现小车B 静止,小车A 以速度v 0=10m/s 向右运动和小车B 碰撞,碰后物体C 在A 上滑动.已知碰后小车B 的速度为9m/s ,物体C 与小车A 之间有摩擦,其他摩擦均不计,小车A 足够长,全过程中C 的带电量保持不变,求:(1)物体C 在小车A 上运动的最大速率和小车A 运动的最小速度.(g 取10m/s 2) (2)全过程产生的热量.21.如图11-4-24所示,在空间有水平方向的匀强磁场,磁感应强度为B ,方向垂直于纸面向里,在磁场中有一长为L 、内壁光滑且绝缘的细筒MN 竖直放置,筒的底部有一质量为m 、带电荷量为+q 的小球,现使细筒MN 沿垂直磁场的方向水平向右匀速运动,设小球带电荷量不变.(1)若使小球能沿筒壁上升,则细筒运动速度v 应满足什么条件?(2)当细筒运动速度为v 0(v 0>v )时,试求小球在沿细筒上升高度h 时小球的速度大小.v 图11-4-22图11-4-2322.如图11-4-25所示,一质量为0.4kg 的足够长且粗细均匀的绝缘的细管置于水平地面上,细管内表面粗糙,外表面光滑;有一质量为0.1kg ,电量为0.1C 的带正电小球沿管的水平向右的速度进入管内,细管内径略大于小球直径,已知细管所在处有沿水平方向且与细管相垂直的匀强磁场,磁感应强度为1T ,g 取10m/s 2. (1)当细管被固定时,小球在管内运动的末速度的可能值为多少?(2)若细管未被固定时,带电小球以20m/s 的初速度进入管内,且整个运动过程中细管没有离开水平地面,则系统最终产生的内能是多少?23.如图11-4-26所示,水平方向的匀强电场的场强为E (场区宽度为L ,竖直方向足够长),紧挨着电场的是垂直纸面向外的两个匀强磁场区,其磁感应强度分别为B 和2B .一个质量为m 、电量为q 的带正电粒子(不计重力),从电场的边界MN 上的a 点由静止释放,经电场加速后进入磁场,经过t=qBm6π时间穿过中间磁场,进入右边磁场后能按某一路径再返回到电场的边界MN上的某一点b (虚线为场区的分界面).求: (1)中间磁场的宽度d ;(2)粒子从a 点到b 点共经历的时间t ab ;(3)当粒子第n 次到达电场的边界MN时与出发点a 之间的距离S n .24.汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图11-4-27所示.真空管内的阴极K 发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后,穿过A '中心的小孔沿中心轴O 1O 的方向进入到两块水平正对放置的平行金属极板P 和P '间的区域.当极板间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O 点处,形成了一个亮点;加上偏转电压U 后,亮点偏离到O '点,O '与O 点的竖直间距为d ,水平间距可以忽略不计.此时,在P 点和P '间的区域,再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场.调节磁场的强弱,当磁感应强度的大小为B 时,亮点重新回到O 点.已知极板水平方向的长度为L 1,极板间距为b ,极板右端到荧光屏的距离为L 2(如图所示).(1)求打在荧光屏O 点的电子速度的大小.(2)推导出电子比荷的表达式.2B图11-4-26图11-4-2525.如图11-4-28所示,在直角坐标xoy 的第一象限中分布着指向-y 轴方向的匀强电场,在第四象限中分布着垂直纸面向里方向的匀强磁场,一个质量为m 、带电+q 的粒子(不计重力)在A 点(0,3)以初速v 0=120m/s 平行x 轴射入电场区域,然后从电场区域进入磁场,又从磁场进入电场,并且只通过x 轴上的P 点(6,0)和Q 点(8,0)各一次,已知该粒子的荷质比为q/m =108C/kg .(1)画出带电粒子在电场和磁场中的运动轨迹.(2)求磁感强度B 的大小.26.如图11-4-29所示,oxyz 坐标系的y 轴竖直向上,在坐标系所在的空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向与x 轴平行.从y 轴上的M 点(0,H ,0)无初速释放一个质量为m 、电荷量为q 的带负电的小球,它落在xz 平面上的N (c ,0,b )点(c >0,b >0).若撤去磁场则小球落在xy 平面的P (l ,0,0)点(l >0).已知重力加速度为g. (1)已知匀强磁场方向与某个坐标轴平行,试判断其可能的具体方向;(2)求电场强度E 的大小;(3)求小球落至N 点时的速率v .图11-4-29f图11-4-21.分析与解:在带电小球下滑的过程中,小球受重力、电场力、支持力、摩擦力和f 洛,受力分析如图11-4-2所示. 在y 方向 ma =f mg 摩擦力N μ=f ,压力Eq +Bqv =N 解得:m )qE +qvB (μmg =a随着小球速度v 增加时,小球加速度减小.所以,小球向下做加速度逐渐减小的加速运动,最后加速度减小到零,小球做匀速直线运动.开始时0=v 时,此时加速度最大,mqEμg=a m ; 匀速时,0=a 时,速度最大,m mg (qv B qE)0-m += 所以BE qB μmg=v m . 2分析与解:根据题意可知,两金属板间的匀强电场是间断存在的.有电场时,电场方向由上板指向下板,场强大小为E =U /d =1.56V/0.3m=5.2V/m .粒子进入板间在0~1.0×104s 内受向下的电场力Eq 和向下的磁场力Bqv 作用,由于电场力与磁场力之比1=10×4×10×3.12.5=Bqv qE 33 粒子作匀速直线运动,它的位移34s vt 410110m 0.4m -==创?在接着的1.0×104s ~2.0×10-4s 时间内,电场撤消,α粒子只受磁场力作用,将作匀速圆周运动,轨道半径为273319mv 6.6410410R cm 6.38cm Bq 1.310 3.210---创?===创? 轨道直径d ′=2R =12.76cm<d /2, 可见,粒子在作圆周运动时不会打到金属板上,粒子作匀速圆周运动的周期为2432r 2 3.14 6.3810T s 1.010s v 410--p 创?¢===?´由于粒子作匀速圆周运动的周期恰好等于板间匀强电场撤消的时间,所以粒子的运动将是匀速直线运动与匀速圆周运动交替进行,其运动轨迹如图11-4-4所示,经过时间443l 3s 1.430.4t 3T 3210 6.510s v 410----?=+=创+=?´从两板的正中央射离. 【参考答案】1.AC 2.ACD 3.BD 4.BC 5.A 6.ABC 7.C 8.C 9.ABC 10.ABC 11.A 12.B 13.ACD 14.qB μ)αcos μα(sin mg ,qB αcos mg . 15.g ;qB μEq μ+mg . 16.(1)ERB,顺时针方向;(2)顺时针方向,R ′=R17.(1)qvmg 2=B ,q /mg =E ;(2)a ,2v R a ==,gvπ2=v R π2=T 18.(1)v =20m/s ,θ=60°;(2)t =23s 19.(1)22202q B 4v m π3;(2)Eqmv 2034 20.(1)7.5m/s 和8.25m/s ;(2)24.84J 21.v >Bq m g;v ′=20v +m )mg B qv (h 2 22.(1)v 0≥10m/s 时,v =10m/s , v 0<10m/s 时,v =0;(2)Q =13.75J 23.d =qmEL B 21,t ab =2qE L m2+qB 3m π2,s n =q 2mEL B n )34( 24.Bb U ,m e =)2/L +L (bL B Ud 1212 25.(1)略;(2)1.2×1010T 26.(1)图11-4-4mgl=E;(3)v=磁场方向为-x方向或-y方向;(2)qH。

带电粒子在复合场中的运动大题专题(详细解答)

带电粒子在复合场中的运动大题专题(详细解答)

专题二:带电粒子在复合场中的运动(1)姓名______________1.如图所示,在x轴上方有匀强电场,场强为E;在x轴下方有匀强磁场,磁感应强度为B,方向如图,在x轴上有一点M,离O点距离为L.现有一带电量为十q的粒子,使其从静止开始释放后能经过M点.如果把此粒子放在y轴上,其坐标应满足什么关系?(重力忽略不计)2.如图所示,在宽l的范围内有方向如图的匀强电场,场强为E,一带电粒子以速度v垂直于电场方向、也垂直于场区边界射入电场,不计重力,射出场区时,粒子速度方向偏转了θ角,去掉电场,改换成方向垂直纸面向外的匀强磁场,此粒子若原样射入磁场,它从场区的另一侧射出时,也偏转了θ角,求此磁场的磁感强度B.3.如图所示,在直角坐标系的第Ⅱ象限和第Ⅳ象限中的直角三角形区域内,分布着磁感应强度均为B=5.0×10-3T的匀强磁场,方向分别垂直纸面向外和向里.质量为m=6.64×10-27㎏、电荷量为q=+3.2×10-19C的α粒子(不计α粒子重力),由静止开始经加速电压为U=1205V的电场(图中未画出)加速后,从坐标点M(-4,2)处平行于x轴向右运动,并先后通过两个匀强磁场区域.(1)请你求出α粒子在磁场中的运动半径;(2)你在图中画出α粒子从直线x=-4到直线x=4之间的运动轨迹,并在图中标明轨迹与直线x=4交点的坐标;(3)求出α粒子在两个磁场区域偏转所用的总时间.专题二:带电粒子在复合场中的运动(4)姓名______________1.如图所示,竖直平面xOy 内存在水平向右的匀强电场,场强大小E=10N/c ,在y ≥0的区域内还存在垂直于坐标平面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=0.5T 一带电量0.2C q =+、质量0.4kg m =的小球由长0.4m l =的细线悬挂于P 点小球可视为质点,现将小球拉至水平位置A 无初速释放,小球运动到悬点P 正下方的坐标原点O 时,悬线突然断裂,此后小球又恰好能通过O 点正下方的N 点.(g=10m /s 2),求: (1)小球运动到O 点时的速度大小;(2)悬线断裂前瞬间拉力的大小; (3)ON 间的距离2.两块平行金属板MN 、PQ 水平放置,两板间距为d 、板长为l ,在紧靠平行板右侧的正三角形区域内存在着垂直纸面的匀强磁场,三角形底边BC 与PQ 在同一水平线上,顶点A 与MN 在同一水平线上,如图所示.一个质量为m 、电量为+q 的粒子沿两板中心线以初速度v 0水平射入,若在两板间加某一恒定电压,粒子离开电场后垂直AB 边从D 点进入磁场,BD=41AB ,并垂直AC 边射出(不计粒子的重力).求: (1)两极板间电压;(2)三角形区域内磁感应强度; (3)若两板间不加电压,三角形区域内的磁场方向垂直纸面向外.要使粒子进入磁场区域后能从AB 边射出,试求所加磁场的磁感应强度最小值.专题二:带电粒子在复合场中的运动——参考答案(1)1、解析:由于此带电粒子是从静止开始释放的,要能经过M点,其起始位置只能在匀强电场区域.物理过程是:静止电荷位于匀强电场区域的y轴上,受电场力作用而加速,以速度v进入磁场,在磁场中受洛仑兹力作用作匀速圆周运动,向x轴偏转.回转半周期过x轴重新进入电场,在电场中经减速、加速后仍以原速率从距O点2R处再次超过x轴,在磁场回转半周后又从距O点4R处飞越x轴如图所示(图中电场与磁场均未画出)故有L=2R,L=2×2R,L=3×2R即 R=L/2n,(n=1、2、3……)……………①设粒子静止于y轴正半轴上,和原点距离为h,由能量守恒得mv2/2=qEh……②对粒子在磁场中只受洛仑兹力作用而作匀速圆周运动有:R=mv/qB………③解①②③式得:h=B2qL2/8n2mE (n=l、2、3……)2、解析:粒子在电场中运行的时间t= l/v;加速度 a=qE/m;它作类平抛的运动.有tgθ=at/v=qEl/mv2………①粒子在磁场中作匀速圆周运动由牛顿第二定律得:qvB=mv2/r,所以r=mv/qB 又:sinθ=l/r=lqB/mv………②由①②两式得:B=Ecosθ/v 3、解析:(1)粒子在电场中被加速,由动能定理得221mvqU=α粒子在磁场中偏转,则牛顿第二定律得rvmqvB2=联立解得2102.312051064.62005.01211927=⨯⨯⨯⨯==--qmUBr(m)(2)由几何关系可得,α粒子恰好垂直穿过分界线,故正确图象为(3)带电粒子在磁场中的运动周期qBmvrTππ22==α粒子在两个磁场中分别偏转的弧度为4π,在磁场中的运动总时间631927105.6105102.321064.614.3241----⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯===qBmTtπ(s)OM2-22-4 4 x/my/m-2vBB (4,2-)(4) 1、解:(1)小球从A 运到O 的过程中,根据动能定理:212mv mgl qEl =- ① 则得小球在O 点速度为:2/s v m == ② (2)小球运到O 点绳子断裂前瞬间,对小球应用牛顿第二定律:2v F T mg f m l=-==向洛 ③f Bvq =洛 ④由③、④得:28.2mv T mg Bvq N l=++= ⑤ (3)绳断后,小球水平方向加速度25/s x F Eq a m m===电 ⑥ 小球从O 点运动至N 点所用时间0.8t s aυ∆== ⑦ON 间距离21 3.2m 2h gt == ⑧2、 解:⑴垂直AB 边进入磁场,由几何知识得:粒子离开电场时偏转角为30°∵0.v lmd qu v y =0v v tg y=θ ∴qlmdv u 332= 由几何关系得:030cos dl AB =在磁场中运动半径d l r AB 23431==∴ 121r mv qv B = ︒=30cos 0v v∴qdmv B 3401= 方向垂直纸面向里⑶当粒子刚好与BC 边相切时,磁感应强度最小,由几何知识知粒子的运动半径r 2为:42d r = ………( 2分 ) 2202r mv qv B = ∴qd mv B 024=即:磁感应强度的最小值为qdmv 0422(12分)如图所示的坐标系,x轴沿水平方向,y轴沿竖直方向。

高中物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

高中物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

零,然后经过小孔 S2 垂直于磁场方向进入磁感应强度为 B 的匀强磁场中,做半径为 R 的匀
速圆周运动.离子行进半个圆周后离开磁场并被收集,离开磁场时离子束的等效电流为
I.不考虑离子重力及离子间的相互作用.
(1)求加速电场的电压 U; (2)求出在离子被收集的过程中任意时间 t 内收集到离子的质量 M ; (3)实际上加速电压的大小会在 U+ΔU范围内微小变化.若容器 A 中有电荷量相同的铀 235 和铀 238 两种离子,如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离,为使这两
2r 2m
T

v qB
带正电的粒子在磁场中运动的时间为:
t1
3T 4
5.9 10 4 s ;
带负电的粒子在磁场中运动的时间为: t2
带电粒子在 AC 两点射入电场的时间差为
1T 4 t t1
2.0 10 4s t2 3.9 10 4 s
5. 如图所示,在 xOy 坐标平面的第一象限内有一沿 y 轴负方向的匀强电场,在第四象限内
B0.
【来源】海南省海口市海南中学 2018-2019 学年高三第十次月考物理试题
【答案】( 1)
2v0
;(
2)
2mv0 Lq
;( 3)
(8
)L 4v0
【解析】
【详解】
解: (1)若粒子第一次在电场中到达最高点 P ,则其运动轨迹如图所示,粒子在 O 点时的
速度大小为 v , OQ 段为圆周, QP 段为抛物线,根据对称性可知,粒子在 Q 点时的速度
(1)若粒子只经磁场偏转并在 y=y0 处被探测到,求发射源的位置和粒子的初动能;
(2)若粒子两次进出电场区域后被探测到,求粒子发射源的位置 间的关系

带电粒子在复合场中的运动(含详细解析过程)

带电粒子在复合场中的运动(含详细解析过程)

带电粒子在复合场中的运动1、如图所示,在y > 0的空间中存在匀强电场,场强沿y 轴负方向;在y < 0的空间中,存在匀强磁场,磁场方向垂直xy 平面(纸面)向外.一电量为q 、质量为m 的带正电的运动粒子,经过y 轴上y = h 处的点P1时速率为v0,方向沿x 轴正方向,然后经过x 轴上x = 2h 处的P2点进入磁场,并经过y 轴上y = – 2h 处的P3点.不计粒子的重力,求 (1)电场强度的大小;(2)粒子到达P2时速度的大小和方向; (3)磁感应强度的大小. 2、如图所示的区域中,第二象限为垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B ,第一、第四象限是一个电场强度大小未知的匀强电场,其方向如图。

一个质量为m ,电荷量为+q 的带电粒子从P 孔以初速度v0沿垂直于磁场方向进入匀强磁场中,初速度方向与边界线的夹角θ=30°,粒子恰好从y 轴上的C孔垂直于匀强电场射入匀强电场,经过x 轴的Q 点,已知OQ=OP ,不计粒子的重力,求:(1)粒子从P 运动到C 所用的时间t ; (2)电场强度E 的大小;(3)粒子到达Q 点的动能Ek 。

3、如图所示,半径分别为a 、b 的两同心虚线圆所围空间分别存在电场和磁场,中心O 处固定一个半径很小(可忽略)的金属球,在小圆空间内存在沿半径向内的辐向电场,小圆周与金属球间电势差为U ,两圆之间的空间存在垂直于纸面向里的匀强磁场,设有一个带负电的粒子从金属球表面沿+x 轴方向以很小的初速度逸出,粒子质量为m ,电量为q ,(不计粒子重力,忽略粒子初速度)求:(1)粒子到达小圆周上时的速度为多大?(2)粒子以(1)中的速度进入两圆间的磁场中,当磁感应强度超过某一临界值时,粒子将不能到达大圆周,求此最小值B 。

(3)若磁感应强度取(2)中最小值,且b =(2+1)a ,要粒子恰好第一次沿逸出方向的反方向回到原出发点,粒子需经过多少次回旋?并求粒子在磁场中运动的时间。

最新 高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)

最新 高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图所示,在坐标系Oxy 的第一象限中存在沿y 轴正方向的匀强电场,场强大小为E .在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里.A 是y 轴上的一点,它到坐标原点O 的距离为h ;C 是x 轴上的一点,到O 的距离为L .一质量为m ,电荷量为q 的带负电的粒子以某一初速度沿x 轴方向从A 点进入电场区域,继而通过C 点进入磁场区域.并再次通过A 点,此时速度方向与y 轴正方向成锐角.不计重力作用.试求: (1)粒子经过C 点速度的大小和方向; (2)磁感应强度的大小B .【来源】2007普通高等学校招生全国统一考试(全国卷Ⅱ)理综物理部分 【答案】(1)α=arctan2h l(2)B 2212mhEh l q+【解析】 【分析】 【详解】试题分析:(1)以a 表示粒子在电场作用下的加速度,有qE ma =①加速度沿y 轴负方向.设粒子从A 点进入电场时的初速度为0v ,由A 点运动到C 点经历的时间为t , 则有:212h at =② 0l v t =③由②③式得02a v h= 设粒子从C 点进入磁场时的速度为v ,v 垂直于x 轴的分量12v ah =⑤ 由①④⑤式得:22101v v v +=()2242qE h l mh+⑥设粒子经过C 点时的速度方向与x 轴的夹角为α,则有1vtanvα=⑦由④⑤⑦式得2harctanlα=⑧(2)粒子从C点进入磁场后在磁场中作速率为v的圆周运动.若圆周的半径为R,则有qvB=m2vR⑨设圆心为P,则PC必与过C点的速度垂直,且有PC=PA R=.用β表示PA与y轴的夹角,由几何关系得:Rcos Rcos hβα=+⑩Rsin l Rsinβα=-解得222242h lR h lhl++=由⑥⑨式得:B=2212mhEh l q+2.如图所示,一半径为R的光滑绝缘半球面开口向下,固定在水平面上.整个空间存在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场.一电荷量为q(q>0)、质量为m的小球P在球面上做水平的匀速圆周运动,圆心为O′.球心O到该圆周上任一点的连线与竖直方向的夹角为θ(02πθ<<).为了使小球能够在该圆周上运动,求磁感应强度B的最小值及小球P 相应的速率.(已知重力加速度为g)【来源】带电粒子在磁场中的运动【答案】min B =v θ=【解析】 【分析】 【详解】据题意,小球P 在球面上做水平的匀速圆周运动,该圆周的圆心为O’.P 受到向下的重力mg 、球面对它沿OP 方向的支持力N 和磁场的洛仑兹力f =qvB ①式中v 为小球运动的速率.洛仑兹力f 的方向指向O’.根据牛顿第二定律cos 0N mg θ-= ②2sin sin v f N mR θθ-= ③ 由①②③式得22sin sin 0cos qBR qR v v m θθθ-+=④由于v 是实数,必须满足222sin 4sin ()0cos qBR qR m θθθ∆=-≥ ⑤由此得B ≥⑥可见,为了使小球能够在该圆周上运动,磁感应强度大小的最小值为min B =⑦此时,带电小球做匀速圆周运动的速率为min sin 2qB R v m θ=⑧由⑦⑧式得v θ=⑨3.如图1所示,宽度为d 的竖直狭长区域内(边界为12L L 、),存在垂直纸面向里的匀强磁场和竖直方向上的周期性变化的电场(如图2所示),电场强度的大小为0E ,0E >表示电场方向竖直向上。

高中物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)及解析

高中物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)及解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图所示,在坐标系Oxy 的第一象限中存在沿y 轴正方向的匀强电场,场强大小为E .在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里.A 是y 轴上的一点,它到坐标原点O 的距离为h ;C 是x 轴上的一点,到O 的距离为L .一质量为m ,电荷量为q 的带负电的粒子以某一初速度沿x 轴方向从A 点进入电场区域,继而通过C 点进入磁场区域.并再次通过A 点,此时速度方向与y 轴正方向成锐角.不计重力作用.试求: (1)粒子经过C 点速度的大小和方向; (2)磁感应强度的大小B .【来源】2007普通高等学校招生全国统一考试(全国卷Ⅱ)理综物理部分 【答案】(1)α=arctan2h l(2)B 2212mhEh l q+【解析】 【分析】 【详解】试题分析:(1)以a 表示粒子在电场作用下的加速度,有qE ma =①加速度沿y 轴负方向.设粒子从A 点进入电场时的初速度为0v ,由A 点运动到C 点经历的时间为t , 则有:212h at =② 0l v t =③由②③式得02a v h= 设粒子从C 点进入磁场时的速度为v ,v 垂直于x 轴的分量12v ah =⑤ 由①④⑤式得:22101v v v +=()2242qE h l mh+⑥设粒子经过C 点时的速度方向与x 轴的夹角为α,则有1vtanvα=⑦由④⑤⑦式得2harctanlα=⑧(2)粒子从C点进入磁场后在磁场中作速率为v的圆周运动.若圆周的半径为R,则有qvB=m2vR⑨设圆心为P,则PC必与过C点的速度垂直,且有PCuuu r=PA Ru u u r=.用β表示PAu u u r与y轴的夹角,由几何关系得:Rcos Rcos hβα=+⑩Rsin l Rsinβα=-解得222242h lR h lhl++=由⑥⑨式得:B=2212mhEh l q+2.如图所示,一半径为R的光滑绝缘半球面开口向下,固定在水平面上.整个空间存在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场.一电荷量为q(q>0)、质量为m的小球P在球面上做水平的匀速圆周运动,圆心为O′.球心O到该圆周上任一点的连线与竖直方向的夹角为θ(02πθ<<).为了使小球能够在该圆周上运动,求磁感应强度B的最小值及小球P 相应的速率.(已知重力加速度为g)【来源】带电粒子在磁场中的运动【答案】min B =v θ=【解析】 【分析】 【详解】据题意,小球P 在球面上做水平的匀速圆周运动,该圆周的圆心为O’.P 受到向下的重力mg 、球面对它沿OP 方向的支持力N 和磁场的洛仑兹力f =qvB ①式中v 为小球运动的速率.洛仑兹力f 的方向指向O’.根据牛顿第二定律cos 0N mg θ-= ②2sin sin v f N mR θθ-= ③ 由①②③式得22sin sin 0cos qBR qR v v m θθθ-+=④由于v 是实数,必须满足222sin 4sin ()0cos qBR qR m θθθ∆=-≥ ⑤由此得B ≥⑥可见,为了使小球能够在该圆周上运动,磁感应强度大小的最小值为min B =⑦此时,带电小球做匀速圆周运动的速率为min sin 2qB R v m θ=⑧由⑦⑧式得v θ=⑨3.利用电场和磁场,可以将比荷不同的离子分开,这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用.如图所示的矩形区域ACDG(AC 边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场,A 处有一狭缝.离子源产生的离子,经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA 边且垂直于磁场的方向射入磁场,运动到GA 边,被相应的收集器收集.整个装置内部为真空.已知被加速的两种正离子的质量分别是m 1和m 2(m 1>m 2),电荷量均为q .加速电场的电势差为U ,离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力,也不考虑离子间的相互作用.(1)求质量为m 1的离子进入磁场时的速率v 1;(2)当磁感应强度的大小为B 时,求两种离子在GA 边落点的间距s ;(3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响,实际装置中狭缝具有一定宽度.若狭缝过宽,可能使两束离子在GA 边上的落点区域交叠,导致两种离子无法完全分离.设磁感应强度大小可调,GA 边长为定值L ,狭缝宽度为d ,狭缝右边缘在A 处.离子可以从狭缝各处射入磁场,入射方向仍垂直于GA 边且垂直于磁场.为保证上述两种离子能落在GA 边上并被完全分离,求狭缝的最大宽度.【来源】2011年普通高等学校招生全国统一考试物理卷(北京) 【答案】(1)12qU m (2)()1228Um m qB - (3)d m =12122m m m m --L【解析】(1)动能定理 Uq =12m 1v 12 得:v 1=12qUm …① (2)由牛顿第二定律和轨道半径有:qvB =2mv R,R = mv qB 利用①式得离子在磁场中的轨道半径为别为(如图一所示):R 1=122mU qB,R 2=222 m U qB ②两种离子在GA 上落点的间距s =2(R 1−R 2)=1228()Um m qB - …③ (3)质量为m 1的离子,在GA 边上的落点都在其入射点左侧2R 1处,由于狭缝的宽度为d ,因此落点区域的宽度也是d (如图二中的粗线所示).同理,质量为m 2的离子在GA 边上落点区域的宽度也是d (如图二中的细线所示).为保证两种离子能完全分离,两个区域应无交叠,条件为2(R 1-R 2)>d…④ 利用②式,代入④式得:2R 1(1−21m m )>d R 1的最大值满足:2R 1m =L-d 得:(L −d )(1−21m m )>d 求得最大值:d m =12122m m m m --L4.在场强为B 的水平匀强磁场中,一质量为m 、带正电q 的小球在O 静止释放,小球的运动曲线如图所示.已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到z 轴距离的2倍,重力加速度为g .求:(1)小球运动到任意位置P (x ,y)的速率v ; (2)小球在运动过程中第一次下降的最大距离y m ; (3)当在上述磁场中加一竖直向上场强为E (mgE q>)的匀强电场时,小球从O 静止释放后获得的最大速率m v 。

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图,绝缘粗糙的竖直平面MN 左侧同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,电场强度大小为E ,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小为B .一质量为m 、电荷量为q 的带正电的小滑块从A 点由静止开始沿MN 下滑,到达C 点时离开MN 做曲线运动.A 、C 两点间距离为h ,重力加速度为g .(1)求小滑块运动到C 点时的速度大小v c ;(2)求小滑块从A 点运动到C 点过程中克服摩擦力做的功W f ;(3)若D 点为小滑块在电场力、洛伦兹力及重力作用下运动过程中速度最大的位置,当小滑块运动到D 点时撤去磁场,此后小滑块继续运动到水平地面上的P 点.已知小滑块在D 点时的速度大小为v D ,从D 点运动到P 点的时间为t ,求小滑块运动到P 点时速度的大小v p .【来源】2015年全国普通高等学校招生统一考试物理(福建卷带解析) 【答案】(1)E/B (2)(3)【解析】 【分析】 【详解】小滑块到达C 点时离开MN ,此时与MN 间的作用力为零,对小滑块受力分析计算此时的速度的大小;由动能定理直接计算摩擦力做的功W f ;撤去磁场后小滑块将做类平抛运动,根据分运动计算最后的合速度的大小;(1)由题意知,根据左手定则可判断,滑块在下滑的过程中受水平向左的洛伦兹力,当洛伦兹力等于电场力qE 时滑块离开MN 开始做曲线运动,即Bqv qE = 解得:E v B=(2)从A 到C 根据动能定理:2102f mgh W mv -=- 解得:2212f E W mgh m B=-(3)设重力与电场力的合力为F ,由图意知,在D 点速度v D 的方向与F 地方向垂直,从D 到P 做类平抛运动,在F 方向做匀加速运动a=F /m ,t 时间内在F 方向的位移为212x at =从D 到P ,根据动能定理:150a a +=,其中2114mv 联立解得:()22222()P Dmg qE v t v m+=+ 【点睛】解决本题的关键是分析清楚小滑块的运动过程,在与MN 分离时,小滑块与MN 间的作用力为零,在撤去磁场后小滑块将做类平抛运动,根据滑块的不同的运动过程逐步求解即可.2.如图,ABD 为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB 段是水平的,BD 段为半径R =0.25m 的半圆,两段轨道相切于B 点,整个轨道处在竖直向下的匀强电场中,场强大小E =5.0×103V/m 。

高考物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)

高考物理带电粒子在复合场中的运动专项训练100(附答案)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.离子推进器是太空飞行器常用的动力系统,某种推进器设计的简化原理如图所示,截面半径为R 的圆柱腔分为两个工作区.I 为电离区,将氙气电离获得1价正离子;II 为加速区,长度为L ,两端加有电压,形成轴向的匀强电场.I 区产生的正离子以接近0的初速度进入II 区,被加速后以速度v M 从右侧喷出.I 区内有轴向的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,在离轴线R /2处的C 点持续射出一定速度范围的电子.假设射出的电子仅在垂直于轴线的截面上运动,截面如图所示(从左向右看).电子的初速度方向与中心O 点和C 点的连线成α角(0<α<90◦).推进器工作时,向I 区注入稀薄的氙气.电子使氙气电离的最小速度为v 0,电子在I 区内不与器壁相碰且能到达的区域越大,电离效果越好.......................已知离子质量为M ;电子质量为m ,电量为e .(电子碰到器壁即被吸收,不考虑电子间的碰撞).(1)求II 区的加速电压及离子的加速度大小;(2)为取得好的电离效果,请判断I 区中的磁场方向(按图2说明是“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”);(3)α为90°时,要取得好的电离效果,求射出的电子速率v 的范围; (4)要取得好的电离效果,求射出的电子最大速率v max 与α角的关系.【来源】2014年全国普通高等学校招生统一考试理科综合能力测试物理(浙江卷带解析)【答案】(1)22Mv L(2)垂直于纸面向外(3)043mv B eR >(4)()max 342sin eRB v m α=-【解析】 【分析】 【详解】(1)离子在电场中加速,由动能定理得:212M eU Mv =,得:22M Mv U e =.离子做匀加速直线运动,由运动学关系得:22Mv aL =,得:22Mv a L=.(2)要取得较好的电离效果,电子须在出射方向左边做匀速圆周运动,即为按逆时针方向旋转,根据左手定则可知,此刻Ⅰ区磁场应该是垂直纸面向外.(3)当90α=︒时,最大速度对应的轨迹圆如图一所示,与Ⅰ区相切,此时圆周运动的半径为34r R =洛伦兹力提供向心力,有2maxmaxv Bev m r= 得34max BeRv m=即速度小于等于34BeRm 此刻必须保证043mv B BR>. (4)当电子以α角入射时,最大速度对应轨迹如图二所示,轨迹圆与圆柱腔相切,此时有:90OCO α∠'=︒﹣2ROC =,OC r '=,OO R r '=﹣ 由余弦定理有222(29022R R R r r r cos α⎛⎫=+⨯⨯︒ ⎪⎝⎭﹣)﹣(﹣),90cos sin αα︒-=() 联立解得:()342Rr sin α=⨯-再由:maxmv r Be=,得 ()342max eBRv m sin α=-.考点:带电粒子在匀强磁场中的运动、带电粒子在匀强电场中的运动 【名师点睛】该题的文字叙述较长,要求要快速的从中找出物理信息,创设物理情境;平时要注意读图能力的培养,以及几何知识在物理学中的应用,解答此类问题要有画草图的习惯,以便有助于对问题的分析和理解;再者就是要熟练的掌握带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和半径公式的应用.2.如图所示,在坐标系Oxy 的第一象限中存在沿y 轴正方向的匀强电场,场强大小为E .在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里.A 是y 轴上的一点,它到坐标原点O 的距离为h ;C 是x 轴上的一点,到O 的距离为L .一质量为m ,电荷量为q 的带负电的粒子以某一初速度沿x 轴方向从A 点进入电场区域,继而通过C 点进入磁场区域.并再次通过A 点,此时速度方向与y 轴正方向成锐角.不计重力作用.试求: (1)粒子经过C 点速度的大小和方向; (2)磁感应强度的大小B .【来源】2007普通高等学校招生全国统一考试(全国卷Ⅱ)理综物理部分 【答案】(1)α=arctan2h l(2)B 2212mhEh l q+【解析】 【分析】 【详解】试题分析:(1)以a 表示粒子在电场作用下的加速度,有qE ma =①加速度沿y 轴负方向.设粒子从A 点进入电场时的初速度为0v ,由A 点运动到C 点经历的时间为t , 则有:212h at =② 0l v t =③由②③式得02a v h= 设粒子从C 点进入磁场时的速度为v ,v 垂直于x 轴的分量12v ah =⑤ 由①④⑤式得:22101v v v +=()2242qE h l mh+⑥设粒子经过C 点时的速度方向与x 轴的夹角为α,则有1v tan v α=⑦ 由④⑤⑦式得2h arctanlα=⑧(2)粒子从C 点进入磁场后在磁场中作速率为v 的圆周运动.若圆周的半径为R ,则有qvB =m 2v R⑨设圆心为P ,则PC 必与过C 点的速度垂直,且有PC =PA R =.用β表示PA 与y 轴的夹角,由几何关系得:Rcos Rcos h βα=+⑩Rsin l Rsin βα=-解得222242h l R h l hl++=由⑥⑨式得:B 2212mhEh l q+3.如图,空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向为y 轴正方向,磁场方向垂直于xy 平面(纸面)向外,电场和磁场都可以随意加上或撤除,重新加上的电场或磁场与撤除前的一样.一带正电荷的粒子从P (x =0,y =h )点以一定的速度平行于x 轴正向入射.这时若只有磁场,粒子将做半径为R 0的圆周运动;若同时存在电场和磁场,粒子恰好做直线运动.现在,只加电场,当粒子从P 点运动到x =R 0平面(图中虚线所示)时,立即撤除电场同时加上磁场,粒子继续运动,其轨迹与x 轴交于M 点.不计重力.求: (1)粒子到达x =R 0平面时速度方向与x 轴的夹角以及粒子到x 轴的距离; (2)M 点的横坐标x M .【来源】磁场 【答案】(1)20122R H h at h =+=+;(2)22000724M x R R R h h =++- 【解析】 【详解】(1)做直线运动有,根据平衡条件有:0qE qB =v ①做圆周运动有:200qB m R =v v ②只有电场时,粒子做类平抛,有:qE ma =③00R t =v ④ y v at =⑤解得:0y v v =⑥ 粒子速度大小为:22002y v v v v =+=⑦速度方向与x 轴夹角为:π4θ=⑧ 粒子与x 轴的距离为:20122R H h at h =+=+⑨(2)撤电场加上磁场后,有:2v qBv m R=⑩解得:02R R =⑾. 粒子运动轨迹如图所示圆心C 位于与速度v 方向垂直的直线上,该直线与x 轴和y 轴的夹角均为4π,有几何关系得C 点坐标为:02C x R =⑿02C R y H R h =-=-⒀ 过C 作x 轴的垂线,在ΔCDM 中:02CM R R ==⒁2C R CD y h ==-⒂) 解得:22220074DM CM CD R R h h =-=+-⒃ M 点横坐标为:22000724M x R R R h h =++-⒄4.利用电场和磁场,可以将比荷不同的离子分开,这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用.如图所示的矩形区域ACDG(AC 边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场,A 处有一狭缝.离子源产生的离子,经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA 边且垂直于磁场的方向射入磁场,运动到GA 边,被相应的收集器收集.整个装置内部为真空.已知被加速的两种正离子的质量分别是m 1和m 2(m 1>m 2),电荷量均为q .加速电场的电势差为U ,离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力,也不考虑离子间的相互作用.(1)求质量为m 1的离子进入磁场时的速率v 1;(2)当磁感应强度的大小为B 时,求两种离子在GA 边落点的间距s ;(3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响,实际装置中狭缝具有一定宽度.若狭缝过宽,可能使两束离子在GA 边上的落点区域交叠,导致两种离子无法完全分离.设磁感应强度大小可调,GA 边长为定值L ,狭缝宽度为d ,狭缝右边缘在A 处.离子可以从狭缝各处射入磁场,入射方向仍垂直于GA 边且垂直于磁场.为保证上述两种离子能落在GA 边上并被完全分离,求狭缝的最大宽度.【来源】2011年普通高等学校招生全国统一考试物理卷(北京) 【答案】(1)12qU m (2)()1228Um m qB - (3)d m =12122m m m m --L【解析】(1)动能定理 Uq =12m 1v 12 得:v 1=12qUm …① (2)由牛顿第二定律和轨道半径有:qvB =2mv R,R = mv qB 利用①式得离子在磁场中的轨道半径为别为(如图一所示):R 1=122mU qB,R 2=222 m U qB …② 两种离子在GA 上落点的间距s =2(R 1−R 2)=1228()Um m qB- …③ (3)质量为m 1的离子,在GA 边上的落点都在其入射点左侧2R 1处,由于狭缝的宽度为d ,因此落点区域的宽度也是d (如图二中的粗线所示).同理,质量为m 2的离子在GA 边上落点区域的宽度也是d (如图二中的细线所示).为保证两种离子能完全分离,两个区域应无交叠,条件为2(R 1-R 2)>d…④利用②式,代入④式得:2R 1(1−21m m )>d R 1的最大值满足:2R 1m =L-d 得:(L −d )(1−21m m )>d 求得最大值:d m =12122m m m m --L5.扭摆器是同步辐射装置中的插入件,能使粒子的运动轨迹发生扭摆.其简化模型如图:Ⅰ、Ⅱ两处的条形匀强磁场区边界竖直,相距为L ,磁场方向相反且垂直纸面.一质量为m ,电量为-q ,重力不计的粒子,从靠近平行板电容器MN 板处由静止释放,极板间电压为U ,粒子经电场加速后平行于纸面射入Ⅰ区,射入时速度与水平和方向夹角30θ=︒(1)当Ⅰ区宽度1L L =、磁感应强度大小10B B =时,粒子从Ⅰ区右边界射出时速度与水平方向夹角也为30︒,求B 0及粒子在Ⅰ区运动的时间t 0(2)若Ⅱ区宽度21L L L ==磁感应强度大小210B B B ==,求粒子在Ⅰ区的最高点与Ⅱ区的最低点之间的高度差h(3)若21L L L ==、10B B =,为使粒子能返回Ⅰ区,求B 2应满足的条件(4)若12B B ≠,12L L ≠,且已保证了粒子能从Ⅱ区右边界射出.为使粒子从Ⅱ区右边界射出的方向与从Ⅰ区左边界射出的方向总相同,求B 1、B 2、L 1、、L 2、之间应满足的关系式.【来源】2011年普通高等学校招生全国统一考试物理卷(山东) 【答案】(1)32lm t qU π=(2)2233h L ⎛= ⎝ (3)232mU B L q >232mUB L q≥)(4)1122B L B L =【解析】图1(1)如图1所示,设粒子射入磁场Ⅰ区的速度为v ,在磁场Ⅰ区中做圆周运动的半径为1R ,由动能定理和牛顿第二定律得212qU mv =① 211v qvB m R = ②由几何知识得12sin L R θ= ③联立①②③,带入数据得012mUB L q=④设粒子在磁场Ⅰ区中做圆周运动的周期为T ,运动的时间为t12R T vπ=⑤ 22t T θπ=⑥ 联立②④⑤⑥式,带入数据得32Lmt qUπ=⑦ (2)设粒子在磁场Ⅱ区做圆周运动的半径为2R ,有牛顿第二定律得222v qvB m R = ⑧由几何知识得()()121cos tan h R R L θθ=+-+ ⑨联立②③⑧⑨式,带入数据得2233h L ⎛=- ⎝ ⑩图2(3)如图2所示,为时粒子能再次回到Ⅰ区,应满足()21sin R L θ+<[或()21sin R L θ+≤] ⑾联立①⑧⑾式,带入数据得232mU B L q >(或232mUB L q≥) ⑿图3图4(4)如图3(或图4)所示,设粒子射出磁场Ⅰ区时速度与水平方向得夹角为α,有几何知识得()11sin sin L R θα=+ ⒀ [或()11sin sin L R θα=-]()22sin sin L R θα=+ ⒁[或]()22sin sin L R θα=- 联立②⑧式得1122B R B R = ⒂联立⒀⒁⒂式得1122B L B L = ⒃【点睛】(1)加速电场中,由动能定理求出粒子获得的速度.画出轨迹,由几何知识求出半径,根据牛顿定律求出B 0.找出轨迹的圆心角,求出时间;(2)由几何知识求出高度差;(3)当粒子在区域Ⅱ中轨迹恰好与右侧边界相切时,粒子恰能返回Ⅰ区,由几何知识求出半径,由牛顿定律求出B 2满足的条件;(4)由几何知识分析L 1、L 2与半径的关系,再牛顿定律研究关系式.6.如图所示,在 xOy 坐标平面的第一象限内有一沿 y 轴负方向的匀强电场,在第四象限内有一垂直于平面向里的匀强磁场,现有一质量为m 、电量为+q 的粒子(重力不计)从坐标原点 O 射入磁场,其入射方向与x 的正方向成 45°角.当粒子运动到电场中坐标为(3L ,L )的 P 点处时速度大小为 v 0,方向与 x 轴正方向相同.求: (1)粒子从 O 点射入磁场时的速度 v ;(2)匀强电场的场强 E 0 和匀强磁场的磁感应强度 B 0.(3)粒子从 O 点运动到 P 点所用的时间.【来源】海南省海口市海南中学2018-2019学年高三第十次月考物理试题【答案】(1)02v ;(2)02mv Lq;(3)0(8)4L v π+【解析】 【详解】解:(1)若粒子第一次在电场中到达最高点P ,则其运动轨迹如图所示,粒子在 O 点时的速度大小为v ,OQ 段为圆周,QP 段为抛物线,根据对称性可知,粒子在Q 点时的速度大小也为v ,方向与x 轴正方向成45︒角,可得:045v vcos =︒ 解得:02v v =(2)在粒子从Q 运动到P 的过程中,由动能定理得:2201122qEL mv mv -=- 解得:22mv E qL=又在匀强电场由Q 到P 的过程中,水平方向的位移为:01x v t = 竖直方向的位移为:012v y t L == 可得:2QP x L =,OQ L =由2cos 45OQ R =︒,故粒子在OQ 段圆周运动的半径:2R L =及mv R qB =解得:02mvB qL=(3)在Q 点时,0045y v v tan v =︒=设粒子从由Q 到P 所用时间为1t ,在竖直方向上有:10022L L t v v ==粒子从O 点运动到Q 所用的时间为:204Lt v π=则粒子从O 点运动到P 点所用的时间为:t 总120002(8)44L L L t t v v v ππ+=+=+=7.如图1所示,直径分别为D 和2D 的同心圆处于同一竖直面內,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 ,电最为+q 的粒子由小孔下2d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E ; (2)若I 区、II 区磁感应强度的大小分别为2mv qD 、4mvqD,粒子运动一段时间t 后再次经过H 点,试求出这段时间t ;:(3)如图23D ,调节磁感应强度为B 0(大小未知),并将小圆中的磁场改为匀强电场,其方向与水平方向夹角成60︒角,粒子仍由H 点紧靠大圆内侧射入磁场,为使粒子恰好从内圆的最高点A 处进入偏转电场,且粒子在电场中运动的时间最长,求I 区磁感应强度B 0的大小和II 区电场的场强E 0的大小? 【来源】【全国百强校】天津市新华中学2019届高三高考模拟物理试题【答案】(1)2mv qd (2)5.5D v π(33mv 283mv 【解析】【详解】解:(1)粒子在电场中运动,由动能定理可得:2122d qEmv = 解得:2mvE qd=(2)粒子在I 区中,由牛顿第二定律可得:211v qvB m R =其中12v B qD π=,12R v= 粒子在II 区中,由牛顿第二定律可得:222v qvB m R =其中24mv B qD =,24DR = 121222,R R T T v vππ==, 由几何关系可得:1120θ=︒2180θ=︒1112360t T θ=︒222360t T θ︒=()126t t t =+解得: 5.5Dt vπ=(3)由几何关系可知:2223())2D D r r =+-解得:33r D =由牛顿第二定律可得:2 0vqvB mr=解得:3mvBqB=32cosDrθ==解得:30θ=︒,则粒子速度方向与电场垂直(1sin)2Dvtθ+=21cos22Datθ=E q ma=解得:283mvE=8.如图所示,在xoy平面的第二象限内有沿y轴负方向的匀强电场,电场强度的大小E=102V/m,第一象限某区域内存在着一个边界为等边三角形的匀强磁场,磁场方向垂直xoy平面向外。

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图,空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向为y 轴正方向,磁场方向垂直于xy 平面(纸面)向外,电场和磁场都可以随意加上或撤除,重新加上的电场或磁场与撤除前的一样.一带正电荷的粒子从P (x =0,y =h )点以一定的速度平行于x 轴正向入射.这时若只有磁场,粒子将做半径为R 0的圆周运动;若同时存在电场和磁场,粒子恰好做直线运动.现在,只加电场,当粒子从P 点运动到x =R 0平面(图中虚线所示)时,立即撤除电场同时加上磁场,粒子继续运动,其轨迹与x 轴交于M 点.不计重力.求: (1)粒子到达x =R 0平面时速度方向与x 轴的夹角以及粒子到x 轴的距离; (2)M 点的横坐标x M .【来源】磁场 【答案】(1)20122R H h at h =+=+;(2)22000724M x R R R h h =++- 【解析】 【详解】(1)做直线运动有,根据平衡条件有:0qE qB =v ①做圆周运动有:200qB m R =v v ②只有电场时,粒子做类平抛,有:qE ma =③00R t =v ④ y v at =⑤解得:0y v v =⑥ 粒子速度大小为:22002y v v v v =+=⑦速度方向与x 轴夹角为:π4θ=⑧ 粒子与x 轴的距离为:20122R H h at h =+=+⑨(2)撤电场加上磁场后,有:2v qBv m R=⑩解得:02R R =⑾. 粒子运动轨迹如图所示圆心C 位于与速度v 方向垂直的直线上,该直线与x 轴和y 轴的夹角均为4π,有几何关系得C 点坐标为:02C x R =⑿02C R y H R h =-=-⒀ 过C 作x 轴的垂线,在ΔCDM 中:02CM R R ==⒁2C R CD y h ==-⒂) 解得:22220074DM CM CD R R h h =-=+- M 点横坐标为:22000724M x R R R h h =+-2.利用电场和磁场,可以将比荷不同的离子分开,这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用.如图所示的矩形区域ACDG(AC 边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场,A 处有一狭缝.离子源产生的离子,经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA 边且垂直于磁场的方向射入磁场,运动到GA 边,被相应的收集器收集.整个装置内部为真空.已知被加速的两种正离子的质量分别是m 1和m 2(m 1>m 2),电荷量均为q .加速电场的电势差为U ,离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力,也不考虑离子间的相互作用.(1)求质量为m 1的离子进入磁场时的速率v 1;(2)当磁感应强度的大小为B 时,求两种离子在GA 边落点的间距s ;(3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响,实际装置中狭缝具有一定宽度.若狭缝过宽,可能使两束离子在GA 边上的落点区域交叠,导致两种离子无法完全分离.设磁感应强度大小可调,GA 边长为定值L ,狭缝宽度为d ,狭缝右边缘在A 处.离子可以从狭缝各处射入磁场,入射方向仍垂直于GA 边且垂直于磁场.为保证上述两种离子能落在GA 边上并被完全分离,求狭缝的最大宽度.【来源】2011年普通高等学校招生全国统一考试物理卷(北京) 【答案】(1)12qU m (2)()1228Um m qB - (3)d m =12122m m m m --L【解析】(1)动能定理 Uq =12m 1v 12 得:v 1=12qUm …① (2)由牛顿第二定律和轨道半径有:qvB =2mv R,R = mv qB 利用①式得离子在磁场中的轨道半径为别为(如图一所示):R 1=122mU qB,R 2=222 m U qB ②两种离子在GA 上落点的间距s =2(R 1−R 2)=1228()Um m qB - …③ (3)质量为m 1的离子,在GA 边上的落点都在其入射点左侧2R 1处,由于狭缝的宽度为d ,因此落点区域的宽度也是d (如图二中的粗线所示).同理,质量为m 2的离子在GA 边上落点区域的宽度也是d (如图二中的细线所示).为保证两种离子能完全分离,两个区域应无交叠,条件为2(R 1-R 2)>d…④ 利用②式,代入④式得:2R 1(1−21m m )>d R 1的最大值满足:2R 1m =L-d 得:(L −d )(1−21m m )>d 求得最大值:d m =12122m m m m --L3.如图为一种质谱仪工作原理示意图.在以O 为圆心,OH 为对称轴,夹角为2α的扇形区域内分布着方向垂直于纸面的匀强磁场.对称于OH 轴的C 和D 分别是离子发射点和收集点.CM 垂直磁场左边界于M ,且OM =d .现有一正离子束以小发散角(纸面内)从C 射出,这些离子在CM 方向上的分速度均为v 0.若该离子束中比荷为qm的离子都能汇聚到D ,试求:(1)磁感应强度的大小和方向(提示:可考虑沿CM 方向运动的离子为研究对象); (2)离子沿与CM 成θ角的直线CN 进入磁场,其轨道半径和在磁场中的运动时间; (3)线段CM 的长度.【来源】电粒子在磁场中的运动【答案】(1)0mv Bqd =,磁场方向垂直纸面向外;(2)cos dR θ'=,()02t d v θα+=;(3)cos CM d t α=。

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)及解析

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)及解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.下图为某种离子加速器的设计方案.两个半圆形金属盒内存在相同的垂直于纸面向外的匀强磁场.其中MN 和M N ''是间距为h 的两平行极板,其上分别有正对的两个小孔O 和O ',O N ON d ''==,P 为靶点,O P kd '=(k 为大于1的整数)。

极板间存在方向向上的匀强电场,两极板间电压为U 。

质量为m 、带电量为q 的正离子从O 点由静止开始加速,经O '进入磁场区域.当离子打到极板上O N ''区域(含N '点)或外壳上时将会被吸收。

两虚线之间的区域无电场和磁场存在,离子可匀速穿过。

忽略相对论效应和离子所受的重力。

求:(1)离子经过电场仅加速一次后能打到P 点所需的磁感应强度大小; (2)能使离子打到P 点的磁感应强度的所有可能值;(3)打到P 点的能量最大的离子在磁场中运动的时间和在电场中运动的时间。

【来源】2015年全国普通高等学校招生统一考试物理(重庆卷带解析) 【答案】(1)22qUm B =(2)22nqUm B =,2(1,2,3,,1)n k =-L (3)2222(1)t qum k -磁,22(1)=k m t h qU-电 【解析】 【分析】带电粒子在电场和磁场中的运动、牛顿第二定律、运动学公式。

【详解】(1)离子经电场加速,由动能定理:212qU mv =可得2qUv m=磁场中做匀速圆周运动:2v qvB m r=刚好打在P 点,轨迹为半圆,由几何关系可知:2kd r =联立解得B =; (2)若磁感应强度较大,设离子经过一次加速后若速度较小,圆周运动半径较小,不能直接打在P 点,而做圆周运动到达N '右端,再匀速直线到下端磁场,将重新回到O 点重新加速,直到打在P 点。

设共加速了n 次,有:212n nqU mv =2nn nv qv B m r =且:2n kd r =解得:B =,要求离子第一次加速后不能打在板上,有12d r >且:2112qU mv =2111v qv B m r =解得:2n k <,故加速次数n 为正整数最大取21n k =- 即:B =2(1,2,3,,1)n k =-L ;(3)加速次数最多的离子速度最大,取21n k =-,离子在磁场中做n -1个完整的匀速圆周运动和半个圆周打到P 点。

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

高中物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.两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E0、磁感应强度B0、粒子的比荷qm均已知,且2mtqBπ=,两板间距2210mEhqBπ=。

(1)求粒子在0~t0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~t0时间内的位移大小与极板间距h的比值115sh=(2)粒子在极板间做圆周运动的最大半径225hRπ=(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~t0时间内运动的位移大小为s121012s at =① 0qEa m=②又已知200200102,mE m t h qB qB ππ== 联立解得:115s 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 =21101mv qv B R =联立解得:15h R π= 又002mT 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 22210012s v t at =+解得:235s 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 =+22202mv 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。

(物理) 高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

(物理) 高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图所示,以两虚线为边界,中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场,宽度为d ,两侧为相同的匀强磁场,方向垂直纸面向里.一质量为m 、带电量q +、重力不计的带电粒子,以初速度1v 垂直边界射入磁场做匀速圆周运动,后进入电场做匀加速运动,然后第二次进入磁场中运动,此后粒子在电场和磁场中交替运动.已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍,第三次是第一次的三倍,以此类推.求:(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功1W (2)粒子第n 次经过电场时电场强度的大小n E (3)粒子第n 次经过电场所用的时间n t(4)假设粒子在磁场中运动时,电场区域场强为零.请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中,电场强度随时间变化的关系图线(不要求写出推导过程,不要求标明坐标刻度值).【来源】河北省衡水中学滁州分校2018届高三上学期全真模拟物理试题【答案】(1)21132mv W =(2)21(21)2n n mv E qd +=(3)12(21)n d t n v =+ (4)如图;【解析】 (1)根据mv r qB =,因为212r r =,所以212v v =,所以221211122W mv mv =-, (2)=,,所以.(3),,所以.(4)2.利用电场和磁场,可以将比荷不同的离子分开,这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用.如图所示的矩形区域ACDG(AC 边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场,A 处有一狭缝.离子源产生的离子,经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA 边且垂直于磁场的方向射入磁场,运动到GA 边,被相应的收集器收集.整个装置内部为真空.已知被加速的两种正离子的质量分别是m 1和m 2(m 1>m 2),电荷量均为q .加速电场的电势差为U ,离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力,也不考虑离子间的相互作用.(1)求质量为m 1的离子进入磁场时的速率v 1;(2)当磁感应强度的大小为B 时,求两种离子在GA 边落点的间距s ;(3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响,实际装置中狭缝具有一定宽度.若狭缝过宽,可能使两束离子在GA 边上的落点区域交叠,导致两种离子无法完全分离.设磁感应强度大小可调,GA 边长为定值L ,狭缝宽度为d ,狭缝右边缘在A 处.离子可以从狭缝各处射入磁场,入射方向仍垂直于GA 边且垂直于磁场.为保证上述两种离子能落在GA 边上并被完全分离,求狭缝的最大宽度.【来源】2011年普通高等学校招生全国统一考试物理卷(北京) 【答案】(112qU m 21228Um m qB (3)d m 12122m m m m --L【解析】(1)动能定理Uq=12m1v12得:v1=12qUm…①(2)由牛顿第二定律和轨道半径有:qvB=2mvR,R=mvqB利用①式得离子在磁场中的轨道半径为别为(如图一所示):R1=122mUqB,R2=222m UqB…②两种离子在GA上落点的间距s=2(R1−R2)=1228()Um mqB-…③(3)质量为m1的离子,在GA边上的落点都在其入射点左侧2R1处,由于狭缝的宽度为d,因此落点区域的宽度也是d(如图二中的粗线所示).同理,质量为m2的离子在GA 边上落点区域的宽度也是d(如图二中的细线所示).为保证两种离子能完全分离,两个区域应无交叠,条件为2(R1-R2)>d…④利用②式,代入④式得:2R1(1−21mm>dR1的最大值满足:2R1m=L-d得:(L−d)(1−21mm>d求得最大值:d m12122m mm m--L3.在场强为B的水平匀强磁场中,一质量为m、带正电q的小球在O静止释放,小球的运动曲线如图所示.已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到z轴距离的2倍,重力加速度为g .求:(1)小球运动到任意位置P (x ,y)的速率v ; (2)小球在运动过程中第一次下降的最大距离y m ; (3)当在上述磁场中加一竖直向上场强为E (mgE q>)的匀强电场时,小球从O 静止释放后获得的最大速率m v 。

高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)含解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图,绝缘粗糙的竖直平面MN 左侧同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,电场强度大小为E ,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小为B .一质量为m 、电荷量为q 的带正电的小滑块从A 点由静止开始沿MN 下滑,到达C 点时离开MN 做曲线运动.A 、C 两点间距离为h ,重力加速度为g .(1)求小滑块运动到C 点时的速度大小v c ;(2)求小滑块从A 点运动到C 点过程中克服摩擦力做的功W f ;(3)若D 点为小滑块在电场力、洛伦兹力及重力作用下运动过程中速度最大的位置,当小滑块运动到D 点时撤去磁场,此后小滑块继续运动到水平地面上的P 点.已知小滑块在D 点时的速度大小为v D ,从D 点运动到P 点的时间为t ,求小滑块运动到P 点时速度的大小v p .【来源】2015年全国普通高等学校招生统一考试物理(福建卷带解析) 【答案】(1)E/B (2)(3)【解析】 【分析】 【详解】小滑块到达C 点时离开MN ,此时与MN 间的作用力为零,对小滑块受力分析计算此时的速度的大小;由动能定理直接计算摩擦力做的功W f ;撤去磁场后小滑块将做类平抛运动,根据分运动计算最后的合速度的大小;(1)由题意知,根据左手定则可判断,滑块在下滑的过程中受水平向左的洛伦兹力,当洛伦兹力等于电场力qE 时滑块离开MN 开始做曲线运动,即Bqv qE = 解得:E v B=(2)从A 到C 根据动能定理:2102f mgh W mv -=- 解得:2212f E W mgh m B=-(3)设重力与电场力的合力为F ,由图意知,在D 点速度v D 的方向与F 地方向垂直,从D 到P 做类平抛运动,在F 方向做匀加速运动a=F /m ,t 时间内在F 方向的位移为212x at =从D 到P ,根据动能定理:150a a +=,其中2114mv 联立解得:()22222()P Dmg qE v t v m+=+ 【点睛】解决本题的关键是分析清楚小滑块的运动过程,在与MN 分离时,小滑块与MN 间的作用力为零,在撤去磁场后小滑块将做类平抛运动,根据滑块的不同的运动过程逐步求解即可.2.如图,ABD 为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB 段是水平的,BD 段为半径R =0.25m 的半圆,两段轨道相切于B 点,整个轨道处在竖直向下的匀强电场中,场强大小E =5.0×103V/m 。

高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

高考物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)含解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.两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E0、磁感应强度B0、粒子的比荷qm均已知,且2mtqBπ=,两板间距2210mEhqBπ=。

(1)求粒子在0~t0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~t0时间内的位移大小与极板间距h的比值115sh=(2)粒子在极板间做圆周运动的最大半径225hRπ=(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~t0时间内运动的位移大小为s121012s at =① 0qEa m=②又已知200200102,mE m t h qB qB ππ== 联立解得:115s 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 =21101mv qv B R =联立解得:15h R π= 又002mT 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 22210012s v t at =+解得:235s 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 =+22202mv 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。

高中物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)

高中物理带电粒子在复合场中的运动试题(有答案和解析)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.两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E0、磁感应强度B0、粒子的比荷qm均已知,且2mtqBπ=,两板间距2210mEhqBπ=。

(1)求粒子在0~t0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~t0时间内的位移大小与极板间距h的比值115sh=(2)粒子在极板间做圆周运动的最大半径225hRπ=(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~t0时间内运动的位移大小为s121012s at =① 0qEa m=②又已知200200102,mE m t h qB qB ππ== 联立解得:115s 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 =21101mv qv B R =联立解得:15h R π= 又002mT 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 22210012s v t at =+解得:235s 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 =+22202mv 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。

高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

高考物理带电粒子在复合场中的运动题20套(带答案)

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.下图为某种离子加速器的设计方案.两个半圆形金属盒内存在相同的垂直于纸面向外的匀强磁场.其中MN 和M N ''是间距为h 的两平行极板,其上分别有正对的两个小孔O 和O ',O N ON d ''==,P 为靶点,O P kd '=(k 为大于1的整数)。

极板间存在方向向上的匀强电场,两极板间电压为U 。

质量为m 、带电量为q 的正离子从O 点由静止开始加速,经O '进入磁场区域.当离子打到极板上O N ''区域(含N '点)或外壳上时将会被吸收。

两虚线之间的区域无电场和磁场存在,离子可匀速穿过。

忽略相对论效应和离子所受的重力。

求:(1)离子经过电场仅加速一次后能打到P 点所需的磁感应强度大小; (2)能使离子打到P 点的磁感应强度的所有可能值;(3)打到P 点的能量最大的离子在磁场中运动的时间和在电场中运动的时间。

【来源】2015年全国普通高等学校招生统一考试物理(重庆卷带解析) 【答案】(1)22qUm B =(2)22nqUm B =,2(1,2,3,,1)n k =-L (3)2222(1)t qum k -磁,22(1)=k m t h qU-电 【解析】 【分析】带电粒子在电场和磁场中的运动、牛顿第二定律、运动学公式。

【详解】(1)离子经电场加速,由动能定理:212qU mv =可得2qUv m=磁场中做匀速圆周运动:2v qvB m r=刚好打在P 点,轨迹为半圆,由几何关系可知:2kd r =联立解得B =; (2)若磁感应强度较大,设离子经过一次加速后若速度较小,圆周运动半径较小,不能直接打在P 点,而做圆周运动到达N '右端,再匀速直线到下端磁场,将重新回到O 点重新加速,直到打在P 点。

设共加速了n 次,有:212n nqU mv =2nn nv qv B m r =且:2n kd r =解得:B =,要求离子第一次加速后不能打在板上,有12d r >且:2112qU mv =2111v qv B m r =解得:2n k <,故加速次数n 为正整数最大取21n k =- 即:B =2(1,2,3,,1)n k =-L ;(3)加速次数最多的离子速度最大,取21n k =-,离子在磁场中做n -1个完整的匀速圆周运动和半个圆周打到P 点。

(物理)带电粒子在复合场中的运动练习题含答案及解析

(物理)带电粒子在复合场中的运动练习题含答案及解析

一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.离子推进器是太空飞行器常用的动力系统,某种推进器设计的简化原理如图所示,截面半径为R 的圆柱腔分为两个工作区.I 为电离区,将氙气电离获得1价正离子;II 为加速区,长度为L ,两端加有电压,形成轴向的匀强电场.I 区产生的正离子以接近0的初速度进入II 区,被加速后以速度v M 从右侧喷出.I 区内有轴向的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,在离轴线R /2处的C 点持续射出一定速度范围的电子.假设射出的电子仅在垂直于轴线的截面上运动,截面如图所示(从左向右看).电子的初速度方向与中心O 点和C 点的连线成α角(0<α<90◦).推进器工作时,向I 区注入稀薄的氙气.电子使氙气电离的最小速度为v 0,电子在I 区内不与器壁相碰且能到达的区域越大,电离效果越好.......................已知离子质量为M ;电子质量为m ,电量为e .(电子碰到器壁即被吸收,不考虑电子间的碰撞).(1)求II 区的加速电压及离子的加速度大小;(2)为取得好的电离效果,请判断I 区中的磁场方向(按图2说明是“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”);(3)α为90°时,要取得好的电离效果,求射出的电子速率v 的范围; (4)要取得好的电离效果,求射出的电子最大速率v max 与α角的关系.【来源】2014年全国普通高等学校招生统一考试理科综合能力测试物理(浙江卷带解析)【答案】(1)22Mv L(2)垂直于纸面向外(3)043mv B eR >(4)()max 342sin eRB v m α=-【解析】 【分析】 【详解】(1)离子在电场中加速,由动能定理得:212M eU Mv =,得:22M Mv U e =.离子做匀加速直线运动,由运动学关系得:22Mv aL =,得:22Mv a L=.(2)要取得较好的电离效果,电子须在出射方向左边做匀速圆周运动,即为按逆时针方向旋转,根据左手定则可知,此刻Ⅰ区磁场应该是垂直纸面向外.(3)当90α=︒时,最大速度对应的轨迹圆如图一所示,与Ⅰ区相切,此时圆周运动的半径为34r R =洛伦兹力提供向心力,有2maxmaxv Bev m r= 得34max BeRv m=即速度小于等于34BeRm 此刻必须保证043mv B BR>. (4)当电子以α角入射时,最大速度对应轨迹如图二所示,轨迹圆与圆柱腔相切,此时有:90OCO α∠'=︒﹣2ROC =,OC r '=,OO R r '=﹣ 由余弦定理有222(29022R R R r r r cos α⎛⎫=+⨯⨯︒ ⎪⎝⎭﹣)﹣(﹣),90cos sin αα︒-=() 联立解得:()342Rr sin α=⨯-再由:maxmv r Be=,得 ()342max eBRv m sin α=-.考点:带电粒子在匀强磁场中的运动、带电粒子在匀强电场中的运动 【名师点睛】该题的文字叙述较长,要求要快速的从中找出物理信息,创设物理情境;平时要注意读图能力的培养,以及几何知识在物理学中的应用,解答此类问题要有画草图的习惯,以便有助于对问题的分析和理解;再者就是要熟练的掌握带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和半径公式的应用.2.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。

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一、带电粒子在复合场中的运动专项训练1.如图所示,在坐标系Oxy 的第一象限中存在沿y 轴正方向的匀强电场,场强大小为E .在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里.A 是y 轴上的一点,它到坐标原点O 的距离为h ;C 是x 轴上的一点,到O 的距离为L .一质量为m ,电荷量为q 的带负电的粒子以某一初速度沿x 轴方向从A 点进入电场区域,继而通过C 点进入磁场区域.并再次通过A 点,此时速度方向与y 轴正方向成锐角.不计重力作用.试求: (1)粒子经过C 点速度的大小和方向; (2)磁感应强度的大小B .【来源】2007普通高等学校招生全国统一考试(全国卷Ⅱ)理综物理部分 【答案】(1)α=arctan2h l(2)B 2212mhEh l q+【解析】 【分析】 【详解】试题分析:(1)以a 表示粒子在电场作用下的加速度,有qE ma =①加速度沿y 轴负方向.设粒子从A 点进入电场时的初速度为0v ,由A 点运动到C 点经历的时间为t , 则有:212h at =② 0l v t =③由②③式得02a v h= 设粒子从C 点进入磁场时的速度为v ,v 垂直于x 轴的分量12v ah =⑤ 由①④⑤式得:22101v v v +=()2242qE h l mh+⑥设粒子经过C 点时的速度方向与x 轴的夹角为α,则有1v tan v α=⑦ 由④⑤⑦式得2h arctanlα=⑧(2)粒子从C 点进入磁场后在磁场中作速率为v 的圆周运动.若圆周的半径为R ,则有qvB =m 2v R⑨设圆心为P ,则PC 必与过C 点的速度垂直,且有PC =PA R =.用β表示PA 与y 轴的夹角,由几何关系得:Rcos Rcos h βα=+⑩Rsin l Rsin βα=-解得222242h l R h l hl++=由⑥⑨式得:B =2212mhEh l q+2.压力波测量仪可将待测压力波转换成电压信号,其原理如图1所示,压力波p (t )进入弹性盒后,通过与铰链O 相连的“”型轻杆L ,驱动杆端头A 处的微型霍尔片在磁场中沿x 轴方向做微小振动,其位移x 与压力p 成正比(,0x p αα=>).霍尔片的放大图如图2所示,它由长×宽×厚=a×b×d ,单位体积内自由电子数为n 的N 型半导体制成,磁场方向垂直于x 轴向上,磁感应强度大小为0(1)0B B x ββ=->,.无压力波输入时,霍尔片静止在x=0处,此时给霍尔片通以沿12C C 方向的电流I ,则在侧面上D 1、D 2两点间产生霍尔电压U 0.(1)指出D 1、D 2两点那点电势高;(2)推导出U 0与I 、B 0之间的关系式(提示:电流I 与自由电子定向移动速率v 之间关系为I=nevbd ,其中e 为电子电荷量);(3)弹性盒中输入压力波p (t ),霍尔片中通以相同的电流,测得霍尔电压U H 随时间t 变化图像如图3,忽略霍尔片在磁场中运动场所的电动势和阻尼,求压力波的振幅和频率.(结果用U 0、U 1、t 0、α、及β)【来源】浙江新高考2018年4月选考科目物理试题【答案】(1) D 1点电势高 (2) 001IB U ne d= (3) 101(1)U A U αβ=- ,012f t =【解析】【分析】由左手定则可判定电子偏向D 2边,所以D 1边电势高;当电压为U 0时,电子不再发生偏转,故电场力等于洛伦兹力,根据电流I 与自由电子定向移动速率v 之间关系为I=nevbd 求出U 0与I 、B 0之间的关系式;图像结合轻杆运动可知,0-t 0内,轻杆向一侧运动至最远点又返回至原点,则可知轻杆的运动周期,当杆运动至最远点时,电压最小,结合U 0与I 、B 0之间的关系式求出压力波的振幅.解:(1)电流方向为C 1C 2,则电子运动方向为C2C1,由左手定则可判定电子偏向D 2边,所以D 1边电势高;(2)当电压为U 0时,电子不再发生偏转,故电场力等于洛伦兹力0U qvB qb= ① 由电流I nevbd = 得:Iv nebd=② 将②带入①得00IB U ned=(3)图像结合轻杆运动可知,0-t 0内,轻杆向一侧运动至最远点又返回至原点,则轻杆的运动周期为T=2t 0 所以,频率为: 012f t =当杆运动至最远点时,电压最小,即取U 1,此时0(1)B B x β=- 取x 正向最远处为振幅A ,有:01(1?)IB U A nedβ=-所以:00011(1)1IB U ned IB A U Aned ββ==-- 解得:01U U A U β-=根据压力与唯一关系x p α=可得xp α=因此压力最大振幅为:01m U U p U αβ-=3.如图,空间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向为y 轴正方向,磁场方向垂直于xy 平面(纸面)向外,电场和磁场都可以随意加上或撤除,重新加上的电场或磁场与撤除前的一样.一带正电荷的粒子从P (x =0,y =h )点以一定的速度平行于x 轴正向入射.这时若只有磁场,粒子将做半径为R 0的圆周运动;若同时存在电场和磁场,粒子恰好做直线运动.现在,只加电场,当粒子从P 点运动到x =R 0平面(图中虚线所示)时,立即撤除电场同时加上磁场,粒子继续运动,其轨迹与x 轴交于M 点.不计重力.求: (1)粒子到达x =R 0平面时速度方向与x 轴的夹角以及粒子到x 轴的距离; (2)M 点的横坐标x M .【来源】磁场 【答案】(1)20122R H h at h =+=+;(2)22000724M x R R R h h =++- 【解析】 【详解】(1)做直线运动有,根据平衡条件有:0qE qB =v ①做圆周运动有:200qB m R =v v ②只有电场时,粒子做类平抛,有:qE ma =③00R t =v ④y v at =⑤解得:0y v v =⑥ 粒子速度大小为:22002y v v v v =+=⑦速度方向与x 轴夹角为:π4θ=⑧ 粒子与x 轴的距离为:20122R H h at h =+=+⑨(2)撤电场加上磁场后,有:2v qBv m R=⑩解得:02R R =⑾. 粒子运动轨迹如图所示圆心C 位于与速度v 方向垂直的直线上,该直线与x 轴和y 轴的夹角均为4π,有几何关系得C 点坐标为:02C x R =⑿02C R y H R h =-=-⒀ 过C 作x 轴的垂线,在ΔCDM 中:02CM R R ==⒁2C R CD y h ==-⒂) 解得:22220074DM CM CD R R h h =-=+- M 点横坐标为:22000724M x R R R h h =+-4.如图所示,待测区域中存在匀强电场和匀强磁场,根据带电粒子射入时的受力情况可推测其电场和磁场. 图中装置由加速器和平移器组成,平移器由两对水平放置、相距为l 的相同平行金属板构成,极板长度为l 、间距为d,两对极板间偏转电压大小相等、电场方向相反. 质量为m 、电荷量为+q 的粒子经加速电压U0 加速后,水平射入偏转电压为U1 的平移器,最终从A 点水平射入待测区域. 不考虑粒子受到的重力.(1)求粒子射出平移器时的速度大小v1;(2)当加速电压变为4U0 时,欲使粒子仍从A 点射入待测区域,求此时的偏转电压U; (3)已知粒子以不同速度水平向右射入待测区域,刚进入时的受力大小均为F. 现取水平向右为x 轴正方向,建立如图所示的直角坐标系Oxyz. 保持加速电压为U0 不变,移动装置使粒子沿不同的坐标轴方向射入待测区域,粒子刚射入时的受力大小如下表所示.请推测该区域中电场强度和磁感应强度的大小及可能的方向. 【来源】2012年普通高等学校招生全国统一考试理综物理(江苏卷) 【答案】(1)012qU v m=1U?4U = (3)E 与Oxy 平面平行且与x 轴方向的夹角为30°或150°,若B 沿-x 轴方向,E 与Oxy 平面平行且与x 轴方向的夹角为-30°或-150°. 【解析】(1)设粒子射出加速器的速度为0v 动能定理20012qU mv =由题意得10v v =,即012qU v m=(2)在第一个偏转电场中,设粒子的运动时间为t 加速度的大小1qU a md=在离开时,竖直分速度yv at = 竖直位移2112y at =水平位移1l v t =粒子在两偏转电场间做匀速直线运动,经历时间也为t 竖直位移2y y v t =由题意知,粒子竖直总位移12y?2y y =+ 解得210U l y U d=则当加速电压为04U 时,1U?4U =(3)(a)由沿x 轴方向射入时的受力情况可知:B 平行于x 轴. 且FE q= (b)由沿y +-轴方向射入时的受力情况可知:E 与Oxy 平面平行.222F f (5F)+=,则f?2F =且1f?qv B =解得02F mB BqU =(c)设电场方向与x 轴方向夹角为.若B 沿x 轴方向,由沿z 轴方向射入时的受力情况得222sin )(cos )(7)f F F F αα++=( 解得=30°,或=150°即E 与Oxy 平面平行且与x 轴方向的夹角为30°或150°. 同理,若B 沿-x 轴方向E 与Oxy 平面平行且与x 轴方向的夹角为-30°或-150°.5.在场强为B 的水平匀强磁场中,一质量为m 、带正电q 的小球在O 静止释放,小球的运动曲线如图所示.已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到z 轴距离的2倍,重力加速度为g .求:(1)小球运动到任意位置P (x ,y)的速率v ; (2)小球在运动过程中第一次下降的最大距离y m ; (3)当在上述磁场中加一竖直向上场强为E (mgE q>)的匀强电场时,小球从O 静止释放后获得的最大速率m v 。

【来源】江苏高考物理试题复习【答案】(1)2v gy =;(2)2222m m gy q B= ;(3)()2m v qE mg qB =-。

【解析】 【详解】⑴洛伦兹力不做功,由动能定理得2102mgy mv =- ① 解得2v gy = ②⑵设在最大距离m y 处的速率为m v ,根据圆周运动有2mm v qv B mg m R-= ③且由②知2m m v gy = ④由③④及2m R y =,得2222m m gy q B= ⑤⑶小球运动如图所示,由动能定理得21()2m m qE mg y mv -= ⑥由圆周运动得2mm v qv B mg qE m R+-= ⑦且由⑥⑦及2m R y =,解得:()2m v qE mg qB=-6.欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,其原理可简化如下:两束横截面积极小,长度为l -0质子束以初速度v 0同时从左、右两侧入口射入加速电场,出来后经过相同的一段距离射入垂直纸面的圆形匀强磁场区域并被偏转,最后两质子束发生相碰。

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