高考物理带电粒子在复合场中的运动习题复习题及答案

高考物理带电粒子在复合场中的运动习题复习题及答案一、带电粒子在复合场中的运动压轴题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）22nqUmB =，2(1,2,3,,1)n k =-（3）2222(1)t qum k -磁22(1)=k m t 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 =-；（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。

由匀速圆周运动：22r mT v qBππ==22=(1)222(1)T t n T qum k -+=-磁电场中一共加速n 次，可等效成连续的匀加速直线运动.由运动学公式221(1)2k h at -=电 qUa mh=可得：22(1)=k mt h qU-电2．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 ＝12mv 2m －12mv 20 由题知 v m ＝ky m若E ＝0时，粒子以初速度v 0沿y 轴正向入射，有 qv 0B ＝m 20v R在最高处有 v 0＝kR 0 联立解得22()m E E v v B B=++考点：带电粒子在符合场中的运动；动能定理．3．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)4．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 ＝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．如图所示，在xOy 坐标平面内，虚线PQ 与x 轴正方向的夹角为60°，其右侧有沿y 轴正方向的匀强电场；左侧有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B ．一质量为m ，带电量为q 的带负电的粒子自坐标原点O 射入匀强磁场中，经过一段时间后恰好自虚线PQ 上的M 点沿x 轴正方向进入匀强电场，粒子在电场中的运动轨迹与x 轴的交点为N ．已知O 、M 3；O 、N 两点间的距离为（32+1）L ，粒子重力不计．求：（1）带电粒子自坐标原点O 射入匀强磁场的速度大小； （2）匀强电场的电场强度大小；（3）若自O 点射入磁场的粒子带正电，粒子的质量、带电量、初速度等都不变，则在粒子离开O 点后的运动中第二次与虚线PQ 相交的交点坐标． 【来源】2019年山东省德州市高三一模物理试卷【答案】（1）qBL m ；（2）23qB L m ；（33，12L ）．【解析】【详解】（1）粒子在磁场中运动时qvB =2mv r3=2r sin60°解得粒子自坐标原点O 射入匀强磁场的速度大小v =qBLm（2）粒子自M 到N 做类平抛运动3sin60°=212qE t m31+）L 360Lcos ︒=vt 1 得电场强度E =23qB Lm（3）若自O 点射人磁场的粒子带正电，粒子在磁场中逆时针转过240°后自R 点垂直于电 场方向离开磁场，如图所示．离开磁场时x 坐标；3302R x rcos L =-︒=-y 坐标：3302R y r rsin L =-+︒=（） 粒子进入电场后自R 到S 做类平抛运动 垂直电场方向；2Rs x vt = 沿电场方向：222Rs qE y t m= tan60°=RSRSy x 解得：2t =23m RS x =23，2RS y L = 第二次与虚线PQ 的交点S 的x 坐标：RS R x x x =+=3L y 坐标：12RS R y y y L =+=则第二次与虚线PQ 的交点S 3，12L ）6．如图，竖直平面内（纸面）存在平行于纸面的匀强电场，方向与水平方向成θ= 60°角，纸面内的线段MN 与水平方向成α=30°角，MN 长度为d ．现将一质量为m 、电荷量为q (q >0)的带电小球从M 由静止释放，小球沿MN 方向运动，到达N 点的速度大小为N v （待求）；若将该小球从M 点沿垂直于MN 的方向，以大小N v 的速度抛出，小球将经过M 点正上方的P 点（未画出），已知重力加速度大小为g ，求：(l)匀强电场的电场强度E 及小球在N 点的速度N v ； (2)M 点和P 点之间的电势差；(3)小球在P 点动能与在M 点动能的比值．【来源】【市级联考】江西省南昌市2019届高三下学期4月第二次模拟考试理综物理试题 【答案】（1）2gd （2）4mgd q （3）73【解析】 【详解】解：（1）由小球运动方向可知，小球受合力沿MN 方向，如图甲，由正弦定理：sin30sin30sin120mg F Eq== 得：3mgEq=合力：F =mg从M N →,有：22N ad υ= 得：2N gd υ（2）如图乙，设MP 为h ，作PC 垂直于电场线，小球做类平抛运动：21cos602h at= sin60N h t υ=cos30MC U Eh =MP MC U U =得：4MP mgd U q= （3）如图乙，作PD 垂直于MN ，从M P →，由动能定理：MD KP KM FS E E =- sin30MD S h =212KM N E mv = 73KP MD KM KM KM E FS E E E +==7．如图所示为一“匚”字型金属框架截面图，上下为两水平且足够长平行金属板，通过左侧长度为L ＝1m 的金属板连接．空间中有垂直纸面向里场强大小B ＝0.2T 的匀强磁场，金属框架在外力的作用下以速度v 0＝1m/s 水平向左做匀速直线运动．框架内O 处有一质量为m ＝0.1kg 、带正电q ＝1C 的小球．若以某一速度水平向右飞出时，则沿图中虚线OO '′做直线运动；若小球在O 点静止释放，则小球的运动轨迹沿如图曲线（实线）所示，已知此曲线在最低点P 的曲率半径（曲线上过P 点及紧邻P 点两侧的两点作一圆，在极限情况下，这个圆的半径叫做该点的曲率半径）为P 点到O 点竖直高度h 的2倍，重力加速度g 取10 m /s 2．求：（1）小球沿图中虚线OO '做直线运动速度v 大小（2）小球在O 点静止释放后轨迹最低点P 到O 点竖直高度h【来源】江西省名校（临川一中、南昌二中)2018-2019学年高三5月联合考理综物理试题【答案】（1）v 4m /s =；（2）4h m =【解析】【详解】解：(1)框架向左运动，产生感应电动势：0U BLv = 板间场强：0U E Bv L== 小球做匀速直线运动，受力平衡：Eq qvB mg +=可解得：v 4m /s =(2)最大速率点在轨迹的最低点根据动能定理可得：2102m Eqh mgh mv -+=- 最低点根据牛顿第二定律和圆周运动规律有：22m m v Eq qv B mg m h+-= 联立可解得：4h m =8．“801所”设计的磁聚焦式霍尔推进器可作为太空飞船的发动机，其原理如下：系统捕获宇宙中大量存在的等离子体(由电量相同的正、负离子组成)经系统处理后．从下方以恒定速率v 1,向上射入有磁感应强度为B 1、垂直纸面向里的匀强磁场区域I 内．当栅极MN 、PQ 间形成稳定的电场后．自动关闭区域I 系统(关闭粒子进入通道、撤去磁场B 1)．区域Ⅱ内有磁感应强度大小为B 2、垂直纸面向外的匀强磁场，磁场右边界是直径为D 、与上下极板相切的半圆(圆与下板相切于极板中央A )．放在A 处的放射源能够向各个方向均匀发射速度大小相等的氙原子核，氙原子核经过该区域后形成宽度为D 的平行氙粒子束，经过栅极MN 、PQ 之间的电场加速后从PQ 喷出．在加速氙原子核的过程中探测器获得反向推力(不计氙原子核、等离子体的重力．不计粒子之间相互作用与相对论效应)．已知极板长RM =2D ，栅极MN 和PQ 间距为d ，氙原子核的质量为m 、电荷量为q ，求：(1)当栅极MN 、PQ 间形成稳定的电场时，其电场强度E 多大．(2)氙原子核从PQ 喷出时的速度大小v 2．(3)因区域Ⅱ内磁场发生器故障，导致区域Ⅱ中磁感应强度减半并分布在整个区域Ⅱ中，求能进入区域I 的氙原子核占A 处发射粒子总数的百分比．【来源】【全国市级联考】湖南省衡阳市2018届高三下学期第三次联考理综物理试题【答案】（1）E=v1B1;（2）222 11282mB v qd q B Dm+;（3）33.3%．【解析】（1）等离子体由下方进入区域I后，在洛伦兹力的作用下偏转，当粒子受到的电场力等于洛伦兹力时，形成稳定的匀强电场，设等离子体的电荷量为q′，则11Eq B v q=''即11E B v=（2）氙原子核在磁场中做匀速圆周运动时,设速度为v3,则有：2323vB qv mr=根据题意，在A处发射速度相等，方向不同的氙原子核后，形成宽度为D的平行氙原子核束，即2Dr=则：2232B qr B qDvm m==氙原子核经过区域I加速后，离开PQ的速度大小为2v，根据动能定理可知：其中电压11U Ed B v d==联立可得2221122284B v qdm B D qvm+=（3）根据题意，当区域Ⅱ中的磁场变为'2B之后，根据'2mvrB q'=可知，r′=r=D①根据示意图可知，沿着AF方向射入的氙原子核，恰好能够从M点沿着轨迹1进入区域I，而沿着AF左侧射入的粒子将被上极板RM挡住而无法进入区域I．该轨迹的圆心O1，正好在N点，AO1=MO1=D，所以根据几何关系可知，此时∠FAN=900；②根据示意图可知，沿着AG方向射入的氙原子核，恰好从下极板N点沿着轨迹2进入区域I，而沿着AG右侧射入的粒子将被下极板SN挡住而无法进入区域I．AO2=AN=NO2=D，所以此时入射角度∠GAN=300；根据上述分析可知，只有∠FAG=600；这个范围内射入的粒子还能进入区域I．该区域的粒子占A处总粒子束的比例为600010033.300180η=⨯=点睛：考查牛顿第二定律与运动学公式的应用，掌握由洛伦兹力提供向心力的求解方法，理解动能定理的内容，注意正确画出运动轨迹，及分清各段运动性质；第三问要注意临界条件，求出恰从上、下两边缘射出的粒子的入射角，从而求出射入Ⅰ区的粒子数点比．9．如图甲所示，圆盒为质子发射器．M 处是质子出射口．其正视截面如图乙所示，D 为绝缘外壳，整个装置处于真空中，半径为R 的金属圆柱A 可沿半径向外均匀发射速率为V 的低能质子；与A 同轴放置的金属网C 的半径为3R ．不需要质子射出时，可用磁场将质子封闭在金属网以内；若需要低能质子射出时，可撤去磁场，让质子直接射出；若需要高能质子，撤去磁场，并在A ，c 间加一径向电场，使其加速后射出．不考虑A 、C 的静电感应电荷对质子的作用和质子之间的相互作用，忽略质子的重力和相对论效应，已知质子质量为m ，电荷量为e（1）若需要速度为2v 的质子通过金属网C 发射出来，在A 、C 间所加电压AC U 是多大？ （2）若A 、C 间不加电压，要使由A 发射的质子不从金属网C 射出，可在金属网内环形区域加垂直于圆盒平面向里的匀强磁场，求所加磁场磁感应强度B 的最小值；【来源】【全国百强校】天津市新华中学2019届高三第10次统练物理试题【答案】(1) 232mv U e =；(2) 34mv B eR = 【解析】【详解】解：(1)电子在AC 间电场中加速，由动能定理得：2211(2)22eU m v mv =- 解得：232mv U e= (2)电子在磁场中做匀速圆周运动，磁感应强度最小时，电子运动轨迹与金属网相切，电子运动轨迹如图所示：由几何知识得：222(3)R r r R -=+解得：43r R = 电子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得：2mv evB r = 解得所加磁场磁感应强度B 的最小值：34mv B eR=10．如图所示，圆心为O 、半径为R 的圆形区域内有磁感应强度大小为B 1、方向垂直纸面向外的匀强磁场，磁场区域右侧有一宽度也为R 足够长区域Ⅱ，区域Ⅱ内有方向向左的匀强电场，区域Ⅱ左右边界CD 、FG 与电场垂直，区域I 边界上过A 点的切线与电场线平行且与FG 交于G 点，FG 右侧为方向向外、磁感应强度大小为B 2的匀强磁场区域Ⅲ．在FG 延长线上距G 点为R 处的M 点放置一足够长的荧光屏MN ，荧光屏与FG 成53θ︒=角，在A 点处有一个粒子源，能沿纸面向区域内各个方向均匀地发射大量质量为m 、带电荷量为＋q 且速率相同的粒子，其中沿AO 方向射入磁场的粒子，恰能平行于电场方向进入区域Ⅱ并垂直打在荧光屏上（不计粒子重力及其相互作用）求：（1）粒子的初速度大小v 0；（2）电场的电场强度大小E ；（3）荧光屏上的发光区域长度△x【来源】【市级联考】湖南省衡阳市2019届高三下学期第二次联考理科综合物理试题【答案】（1）10qB R v m =（2）()221242qR B B m- （3）1.2R 【解析】【详解】(1)如图所示，分析可知，粒子在区域I 中的运动半径1r R = 由200v qv B m R= 得 10qB R v m= ； (2)因粒子垂直打在荧光屏上，由题意可知，在区域III 中的运动半径为22r R = 由222v qvB m R= 得： 22qB R v m= 粒子在电场中做匀减速运动，由动能定理得： 2201122qER mv v -=- 解得：2212(4)2qR E B B m=-； (3)如图分析可知，速度方向与电场方向平行向左射入区域I 中的粒子将平行电场方向从区域I 中最高点穿出，打在离M 点1x 处的屏上，由几何关系得：22211(cos )(sin )4x R x R θθ++= 解得：12213x R -= 速度方向与电场方向平行向右射放区域I 中的粒子将平行电场方向从区域I 中最低点穿出打在离M 点2x 处的屏上，由几何关系得：22211(cos )(sin )4x R x R θθ-+= 解得：122135x R = 分析可知所有粒子均未平行于FG 方向打在板上，因此荧光屏上的发光区域长度为21x x x ∆=-解得： 1.2x R ∆= 。