高考物理带电粒子在磁场中的运动试题经典及解析(DOC 24页).doc
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1、高考物理带电粒子在磁场中的运动试题经典及解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1如图所示,在两块水平金属极板间加有电 压U构成偏转电场,一束比荷为的带正电的粒子流(重力不计),以速度vo=104m/s沿 水平方向从金属极板正中间射入两板粒子经电 场偏转后进入一具有理想边界的半圆形变化磁场 区域,O为圆心,区域直径AB长度为L=1m, AB与水平方向成45角区域内有按如图所示规 律作周期性变化的磁场,已知B0=0. 5T,磁场方向 以垂直于纸面向外为正粒子经偏转电场后,恰好从下极板边缘O点与水平方向成45斜向下射入磁场求:(1)两金属极板间的电压U是多大?(2)若To=05s,求t=0s时刻射人
2、磁场的带电粒子在磁场中运动的时间t和离开磁场的位置(3)要使所有带电粒子通过O点后的运动过程中 不再从AB两点间越过,求出磁场的变化周期Bo,To应满足的条件【答案】(1)100V (2)t=,射出点在AB间离O点m (3)【解析】试题分析:(1)粒子在电场中做类平抛运动,从O点射出使速度代入数据得U=100V(2)粒子在磁场中经过半周从OB中穿出,粒子在磁场中运动时间射出点在AB间离O点(3)粒子运动周期,粒子在t=0、.时刻射入时,粒子最可能从AB间射出如图,由几何关系可得临界时要不从AB边界射出,应满足得考点:本题考查带电粒子在磁场中的运动2“太空粒子探测器”是由加速、偏转和收集三部分组
3、成,其原理可简化如下:如图1所示,辐射状的加速电场区域边界为两个同心平行半圆弧面,圆心为O,外圆弧面AB的电势为,内圆弧面CD的电势为,足够长的收集板MN平行边界ACDB,ACDB与MN板的距离为L假设太空中漂浮着质量为m,电量为q的带正电粒子,它们能均匀地吸附到AB圆弧面上,并被加速电场从静止开始加速,不计粒子间的相互作用和其它星球对粒子的影响,不考虑过边界ACDB的粒子再次返回(1)求粒子到达O点时速度的大小;(2)如图2所示,在PQ(与ACDB重合且足够长)和收集板MN之间区域加一个匀强磁场,方向垂直纸面向内,则发现均匀吸附到AB圆弧面的粒子经O点进入磁场后最多有能打到MN板上,求所加磁
4、感应强度的大小;(3)如图3所示,在PQ(与ACDB重合且足够长)和收集板MN之间区域加一个垂直MN的匀强电场,电场强度的方向如图所示,大小,若从AB圆弧面收集到的某粒子经O点进入电场后到达收集板MN离O点最远,求该粒子到达O点的速度的方向和它在PQ与MN间运动的时间【答案】(1);(2);(3) ;【解析】【分析】【详解】试题分析:解:(1)带电粒子在电场中加速时,电场力做功,得:(2)从AB圆弧面收集到的粒子有能打到MN板上,则上端刚好能打到MN上的粒子与MN相切,则入射的方向与OA之间的夹角是,在磁场中运动的轨迹如图甲,轨迹圆心角根据几何关系,粒子圆周运动的半径:由洛伦兹力提供向心力得:
5、联合解得:(3)如图粒子在电场中运动的轨迹与MN相切时,切点到O点的距离最远,这是一个类平抛运动的逆过程建立如图坐标.若速度与x轴方向的夹角为角3如图,圆心为O、半径为r的圆形区域外存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外,磁感应强度大小为B。P是圆外一点,OP=3r。一质量为m、电荷量为q(q0)的粒子从P点在纸面内垂直于OP射出。己知粒子运动轨迹经过圆心O,不计重力。求(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径;(2)粒子第一次在圆形区域内运动所用的时间。【答案】(1)(2)【解析】【分析】本题考查在匀强磁场中的匀速圆周运动及其相关的知识点,意在考查考生灵活运用相关知识解决问题的的能力。【详解】(1)
6、找圆心,画轨迹,求半径。设粒子在磁场中运动半径为R,由几何关系得:易得:(2)设进入磁场时速度的大小为v,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有进入圆形区域,带电粒子做匀速直线运动,则联立解得4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=6.61027kg、电荷量q=3.21019C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=1.6106m/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
7、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) (3) 曲线方程为()【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,解得(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粒子在电场中运动的时间解得(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
8、,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3060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 【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5如图,平面直角坐标系中,在,y0及y-L区域存在场强大小相同,方向相反均平行于y轴的匀强电场,在-Ly0区域存在方向垂
9、直于xOy平面纸面向外的匀强磁场,一质量为m,电荷量为q的带正电粒子,经过y轴上的点P1(0,L)时的速率为v0,方向沿x轴正方向,然后经过x轴上的点P2(L,0)进入磁场在磁场中的运转半径R=L(不计粒子重力),求:(1)粒子到达P2点时的速度大小和方向;(2);(3)粒子第一次从磁场下边界穿出位置的横坐标;(4)粒子从P1点出发后做周期性运动的周期【答案】(1)v0,与x成53角;(2);(3)2L;(4)【解析】【详解】(1)如图,粒子从P1到P2做类平抛运动,设到达P2时的y方向的速度为vy,由运动学规律知L=v0t1,L=t1可得t1=,vy=v0故粒子在P2的速度为v=v0设v与x
10、成角,则tan=,即=53;(2)粒子从P1到P2,根据动能定理知qEL=mv2-mv02可得E=粒子在磁场中做匀速圆周运动,根据qvB=m解得:B=解得:;(3)粒子在磁场中做圆周运动的圆心为O,在图中,过P2做v的垂线交y=-直线与Q点,可得:P2O=r故粒子在磁场中做圆周运动的圆心为O,因粒子在磁场中的轨迹所对圆心角=37,故粒子将垂直于y=-L直线从M点穿出磁场,由几何关系知M的坐标x=L+(r-rcos37)=2L;(4)粒子运动一个周期的轨迹如上图,粒子从P1到P2做类平抛运动:t1=在磁场中由P2到M动时间:t2=从M运动到N,a=则t3=则一个周期的时间T=2(t1+t2+t3
11、)=6如图所示,真空中有一个半径r=0.5m的圆柱形匀强磁场区域,磁场的磁感应强度大小B=210-3T,方向垂直于纸面向外,x轴与圆形磁场相切于坐标系原点O,在x=0.5m和x=1.5m之间的区域内有一个方向沿y轴正方向的匀强电场区域,电场强E=1.5103N/C,在x=1.5m处竖有一个与x轴垂直的足够长的荧光屏,一粒子源在O点沿纸平面向各个方向发射速率相同、比荷C/kg的带正电的粒子,若沿y轴正方向射入磁场的粒子恰能从磁场最右侧的A点沿x轴正方向垂直进入电场,不计粒子的重力及粒子间的相互作用和其他阻力求:(1)粒子源发射的粒子进入磁场时的速度大小;(2)沿y轴正方向射入磁场的粒子从射出到打
12、到荧光屏上的时间(计算结果保留两位有效数字);(3)从O点处射出的粒子打在荧光屏上的纵坐标区域范围【答案】(1);(2);(3)【解析】【分析】(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,由几何关系确定半径,根据求解速度;(2)粒子在磁场中运动T/4,根据周期求解在磁场中的运动时间;在电场中做类平抛运动,根据平抛运动的规律求解在电场值的时间;(3)根据牛顿第二定律结合运动公式求解在电场中的侧移量,从而求解从O点处射出的粒子打在荧光屏上的纵坐标区域范围【详解】(1)由题意可知,粒子在磁场中的轨道半径为R=r=0.5m,由 进入电场时 带入数据解得v=1.0106m/s(2)粒子在磁场中运动的时间 粒子从A
13、点进入电场做类平抛运动,水平方向的速度为v,所以在电场中运动的时间 总时间 (3)沿x轴正方向射入电场的粒子,在电场中的加速度大小 在电场中侧移: 打在屏上的纵坐标为0.75;经磁场偏转后从坐标为(0,1)的点平行于x轴方向射入电场的粒子打在屏上的纵坐标为1.75;其他粒子也是沿x轴正方向平行的方向进入电场,进入电场后的轨迹都平行,故带电粒子打在荧光屏上 的纵坐标区域为0.75y1.75.7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
14、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,求磁场的磁感应强度口大小的范围;电子打到荧光屏上位置坐标的范围【答案】(1),方向与水平方向成45 (2),【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)(
15、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,此时电子在磁场中作圆周运动的半径为R(2分)又有(2分)由解得:(1分)磁感应强度越大,电子越不能穿出磁场,所以取磁感应强度时电子能打在荧光屏上(得不扣分) (1分)如图所示,电子在磁感应强度为时,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(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(1分)解得(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
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