《带电粒子在磁场中运动的极值问题》作业纸
18.4带电粒子在磁场中运动的临界及多解问题(原卷版)
18.4.带电粒子在磁场中运动的临界、多解问题要点一. 带电粒子在磁场中运动的临界问题1.临界问题的特点带电粒子在磁场中运动，由于速度或大小的变化，往往会存在临界问题，如下所示为常见的三种临界草图。
临界特点：（1）粒子刚好穿出磁场的条件：在磁场中运动的轨迹与边界相切.（2）根据半径判断速度的极值：轨迹圆的半径越大，对应的速度越大.（3）根据圆心角判断时间的极值：粒子运动转过的圆心角越大，时间越长.（4）根据弧长（或弦长）判断时间的极值：当速率一定时，粒子运动弧长（或弦长）越长，时间越长.2.解题思路分析思路：以临界问题的关键词“恰好”“最大”“至少”“要使......”等为突破口，寻找临界点，确定临界状态，画出临界状态下的运动轨迹，建立几何关系求解．往往采用数学方法和物理方法的结合：1.利用“矢量图”“边界条件”结合“临界特点”画出“临界轨迹”。
2.利用“三角函数”“不等式的性质”“二次方程的判别式”等求临界极值。
一般解题流程：3.探究“临界轨迹”的方法1. “伸缩圆”动态放缩法定点粒子源发射速度大小不同、方向相同的同种带电粒子时，其轨迹半径不同，相当于定点圆在“伸缩”。
特点：1.速度越大，轨迹半径越大。
2.各轨迹圆心都在垂直于初速度方向的直线上。
应用：结合具体情境根据伸缩法，可以分析出射的临界点，求解临界半径。
2. “旋转圆”旋转平移法定点粒子源发射速度大小相同、方向不同的同种带电粒子时，其轨迹半径相同，相当于定点圆在“旋转”特点：1.半径相同，方向不同。
2.各轨迹圆心在半径为R的同心圆轨迹上。
旋转圆的应用：结合具体情境，可以分析圆心角、速度偏向角、弦切角、弧长、弦长的大小；求解带电粒子的运动时间.应用情景1.（所有的弦长中直径最长）速度大小相同、方向不同的同种带电粒子，从直线磁场边界上P点入射。
M点是粒子打到直线边界上的最远点(所有的弦长中直径最长)．应用情景2.（所有的弦长中直径最长）速度大小相同方向不同的同种带电粒子，从圆形磁场边界上的P射入磁场；①若轨迹半径>磁场半径当PM距离为磁场直径时，粒子出射点与入射点之间的距离最远、共有弦最长、时间最长。
高考物理一轮复习第九章磁场专题八带电粒子在有界磁场中的临界极值问题课时作业新人教版
带电粒子在有界磁场中的临界极值问题1．(2017·广州市综合测试)如图是荷质比相同的a 、b 两粒子从O 点垂直匀强磁场进入正方形区域的运动轨迹，则( )A ．a 的质量比b 的质量大B ．a 带正电荷、b 带负电荷C ．a 在磁场中运动速率比b 的大D ．a 在磁场中的运动时间比b 的长 解析：根据粒子的运动轨迹知带电粒子都受到指向圆心的洛伦兹力，圆心在运动轨迹的下方，根据左手定则知两粒子都带负电，B 错误；由半径公式r ＝mv qB知，a 粒子的半径大，则a 粒子的速度大，C 正确；由题给条件无法确定两带电粒子的质量关系，A 错误；由周期公式T ＝2πm qB 知，两粒子运动的周期相同，由t ＝θ2πT ，a 粒子的运动轨迹所对应的圆心角小，故运动的时间短，D 错误．答案：C2．(多选)如图所示，在y 轴右侧存在与xOy 平面垂直且范围足够大的匀强磁场，磁感应强度的大小为B ，位于坐标原点的粒子源在xOy 平面内发射出大量完全相同的带负电粒子，所有粒子的初速度大小均为v 0，方向与x 轴正方向的夹角分布在－60°～60°范围内，在x ＝l 处垂直x 轴放置一荧光屏S .已知沿x 轴正方向发射的粒子经过了荧光屏S 上y ＝－l 的点，则( )A ．粒子的比荷为q m ＝v 0lBB ．粒子的运动半径一定等于2lC ．粒子在磁场中运动时间一定不超过πlv 0D ．粒子打在荧光屏S 上亮线的长度大于2l解析：沿x 轴正方向发射的粒子经过了荧光屏S 上y ＝－l 的点，由几何知识可知，粒子轨道半径r ＝l ，B 错误；由牛顿第二定律得qv 0B ＝m v 20r ，解得q m ＝v 0lB，A 正确；而且此情况粒子在磁场中转过的圆心角最大，为θ＝π，对应运动时间最长，t ＝θ2πT ＝πlv 0，故C 正确；与x 轴正方向的夹角为60°射入磁场的粒子打在荧光屏S 上的纵坐标一定小于l ，故D错误．答案：AC3．未来人类可通过可控热核反应获得能源，要持续发生热核反应，必须把温度高达几百万摄氏度的核材料约束在一定的空间内．约束的办法有多种，其中技术上相对成熟的是用磁场约束，称为“托卡马克”装置，如图为这种装置的模型图：垂直纸面的方向上，有环形边界的匀强磁场b 区域围着磁感应强度为零的圆形a 区域，a 区域内的离子可向各个方向运动，离子的速度只要不超过某值，就不能穿过环形磁场的外边界而逃逸．设环形磁场的内半径R 1＝0.5 m ，外半径R 2＝1.0 m ，被约束的离子比荷q /m ＝4.0×107C/kg.(1)若a 区域中沿半径OM 方向射入磁场的离子不能穿过磁场，且b 区域磁场的磁感应强度B ＝1.0 T ，则离子的速度最大为多少？(2)若要使从a 区域沿平行于纸面的任何方向进入磁场的速率为2.0×107m/s 的离子都不能穿过磁场的外边界，则b 区域的磁感强度B 至少为多大？解析：(1)离子速度越大，在磁场中做圆周运动的轨迹半径就越大，要使沿OM 方向运动的离子不能穿越磁场，则其在环形磁场内运动的最大轨迹圆与磁场外边界相切，如图所示．设最大轨迹圆的半径为r 1，则r 21＋R 21＝(R 2－r 1)2，代入数据解得r 1＝0.375 m.设沿最大轨迹圆运动的离子的速度为v 1，则qv 1B ＝m v 21r 1，得v 1＝Bqr 1m＝1.5×107m/s.(2)要使从a 区域沿平行于纸面的任何方向进入磁场的速率为2.0×107m/s 的离子都不能穿过磁场的外边界，只需满足沿与内边界圆相切的方向射入磁场的离子恰好不穿过外边界即可，此时对应的磁感应强度为最小值．如图所示，设轨迹圆的半径为r 2，离子速率为v 2，则r ＝R 2－R 12＝0.25 m ，B min ＝mv 2qr 2＝2.0 T答案：(1)1.5×107m/s (2)2.0 T4．(2017·山东十校联考)如图所示，在垂直于纸面向里的匀强磁场中，有一与磁场平行的足够大的感光板ab ，在距ab 为SO ＝d 的S 处有一粒子源，向纸面内各个方向均匀发射速度大小都是v 的粒子．已知粒子源每秒发射n 个粒子，粒子质量均为m ，电荷量均为＋q ，其中沿与SO 成30°角的粒子刚好与ab 相切于P ，求：(1)粒子从S 到P 所用的时间； (2)ab 上感光部分的长度；(3)感光平板在一分钟内接收到的粒子数．解析：(1)相切于P 的粒子轨迹如图1，粒子从S 到P 转过的圆心角 ∠SO 1P ＝α＝π3所用时间t SP ＝α2π·2πmqB由牛顿第二定律qvB ＝mv 2R且有cos α＝R －dR得t SP ＝2πd3v(2)如图2，粒子轨迹与ab 交于Q 点，当SQ 为粒子轨迹圆的直径时，Q 点为能打到ab下侧的最远位置OQ ＝4d 2－d 2＝15d OP ＝2d sin α＝3dab 上感光部分的长度PQ ＝(3＋15)d(3)如图3所示，设粒子从S 射出的方向与OS 的夹角为θ时，粒子的轨迹与ab 相切于M 点，由几何关系sin θ＝R －dRθ＝30° β＝120°β角范围内的粒子不能打到ab 感光平板上则每分钟能打到ab 上的粒子数N ＝(60n )×23＝40n答案：(1)2πd3v(2)(3＋15)d (3)40n。
高考物理知识体系总论：带电粒子在匀强磁场中运动的临界极值及多解问题作业(答案+解析)
带电粒子在匀强磁场中运动的临界极值及多解问题作业题作业题目难度分为3档：三星☆☆☆（基础题目）四星☆☆☆☆（中等题目）五星☆☆☆☆☆（较难题目）本套作业题目1-10题为三星,11-15为四星。
1.某电子以固定的正点电荷为圆心在匀强磁场中沿逆时针方向做匀速圆周运动，磁场方向垂直于它的运动平面，电子所受正点电荷的电场力是洛伦兹力的3倍．若电子电荷量为e 、质量为m ，磁感应强度为B ，不计重力，则电子运动的角速度可能是()☆☆☆A.4Bem B.3Bem C.2Bem D.Bem答案解析：当洛伦兹力方向和电场力方向相同时，有ωmu r v m evB F ==+2电，又因为evB F 3=电，可得m eB 4=ω，当洛伦兹力和电场力方向相反时，有：ωmv evB F =-电，得meB 2=ω，故A 、C 正确。
2.如图示，边界OA 与OC 之间分布有垂直纸面向里的匀强磁场，边界OA 上有一粒子源S.某一时刻，从S 平行于纸面向各个方向发射出大量带正电的同种粒子(不计粒子的重力及粒子间的相互作用)，所有粒子的初速度大小相同，经过一段时间有大量粒子从边界OC 射出磁场．已知∠AOC ＝60°，从边界OC 射出的粒子在磁场中运动的最长时间等于T/2(T 为粒子在磁场中运动的周期)，则从边界OC 射出的粒子在磁场中运动的时间可能为()☆☆☆A.T 3B.T 4C.T 6D.T 8答案解析：粒子在磁场中做匀速圆周运动，出射点和入射点的连线为轨迹的弦，初速度大小相同，轨迹半径qBmv R =相同，设d OS =，当射出点D 与S 点连线垂直于OA 时，DS 弦最长，轨迹对应的圆心角α最大，根据qvB rv m =2，有m qBr v =，则周期qB m v r T ππ22==周期恒定，粒子的运动时间T t πα2=，此时粒子运动时间最长为2T ，当出射点E 与S 点的连线垂直于OC 时，弦ES 最短，轨迹所对的圆心角最小，则粒子在磁场中运动的时间最短，由几何关系，得︒=60θ，所以最短时间为T 61，故粒子在磁场中运动时间范围为26T t T ≤≤，运动时间不可能为8T ，故A 正确。
带电粒子在匀强磁场中运动的临界极值问题(解析版)
带电粒子在匀强磁场中运动的临界极值问题由于带电粒子往往是在有界磁场中运动，粒子在磁场中只运动一段圆弧就飞出磁场边界，其轨迹不是完整的圆，因此，此类问题往往要根据带电粒子运动的轨迹作相关图去寻找几何关系，分析临界条件，然后应用数学知识和相应物理规律分析求解．1．临界条件的挖掘(1)刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切。
(2)当速率v一定时，弧长(或弦长)越长，圆心角越大(前提条件是劣弧)，则带电粒子在有界磁场中运动的时间越长。
(3)当速率v变化时，轨迹圆心角越大，运动时间越长。
(4)当运动轨迹圆半径大于圆形磁场半径时，则以磁场直径的两端点为入射点和出射点的轨迹对应的偏转角最大。
2．不同边界磁场中临界条件的分析(1)平行边界：常见的临界情景和几何关系如图所示。
(2)矩形边界：如图所示，可能会涉及与边界相切、相交等临界问题。
(3)三角形边界：如图所示是正△ABC区域内某正粒子垂直AB方向进入磁场的粒子临界轨迹示意图。
粒子能从AB间射出的临界轨迹如图甲所示，粒子能从AC间射出的临界轨迹如图乙所示。
3. 审题技巧许多临界问题，题干中常用“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”等词语对临界状态给以暗示．审题时，一定要抓住这些特定的词语挖掘其隐藏的规律，找出临界条件．【典例1】如图所示，垂直于纸面向里的匀强磁场分布在正方形abcd区域内，O点是cd边的中点。
一个带正电的粒子仅在磁场力的作用下，从O点沿纸面以垂直于cd边的速度射入正方形内，经过时间t0后刚好从c点射出磁场。
现设法使该带电粒子从O点沿纸面以与Od成30°角的方向，以大小不同的速率射入正方形内，下列说法中正确的是( )A ．若该带电粒子在磁场中经历的时间是53t 0，则它一定从cd 边射出磁场B ．若该带电粒子在磁场中经历的时间是23t 0，则它一定从ad 边射出磁场C ．若该带电粒子在磁场中经历的时间是54t 0，则它一定从bc 边射出磁场D ．若该带电粒子在磁场中经历的时间是t 0，则它一定从ab 边射出磁场 【答案】 AC 【解析】 如图所示，【典例2】放置在坐标原点O 的粒子源，可以向第二象限内放射出质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子，带电粒子的速率均为v ，方向均在纸面内，如图8－2－14所示．若在某区域内存在垂直于xOy 平面的匀强磁场(垂直纸面向外)，磁感应强度大小为B ，则这些粒子都能在穿过磁场区后垂直射到垂直于x 轴放置的挡板PQ 上，求：(1)挡板PQ 的最小长度； (2)磁场区域的最小面积． 【答案】 (1)mv Bq (2)⎝⎛⎭⎫π2＋1m 2v 2q 2B2【解析】 (1)设粒子在磁场中运动的半径为R ，由牛顿第二定律得qvB ＝mv 2R ，即R ＝mvBq【跟踪短训】1. 在xOy 平面上以O 为圆心、半径为r 的圆形区域内，存在磁感应强度为B 的匀强磁场，磁场方向垂直于xOy 平面．一个质量为m 、电荷量为q 的带电粒子，从原点O 以初速度v 沿y 轴正方向开始运动，经时间t 后经过x 轴上的P 点，此时速度与x 轴正方向成θ角，如图8－2－24所示．不计重力的影响，则下列关系一定成立的是( )．A ．若r <2mv qB ，则0°<θ<90° B ．若r ≥2mv qB ，则t ≥πmqBC ．若t ＝πm qB ，则r ＝2mv qBD ．若r ＝2mv qB ，则t ＝πmqB【答案】 AD【解析】 带电粒子在磁场中从O 点沿y 轴正方向开始运动，圆心一定在垂直于速度的方向上，即在x 轴上，轨道半径R ＝mv qB .当r ≥2mvqB 时，P 点在磁场内，粒子不能射出磁场区，所以垂直于x 轴过P 点，θ最大且为90°，运动时间为半个周期，即t ＝πm qB ；当r <2mvqB 时，粒子在到达P 点之前射出圆形磁场区，速度偏转角φ在大于0°、小于180°范围内，如图所示，能过x 轴的粒子的速度偏转角φ>90°，所以过x 轴时0°<θ<90°，A 对、B 错；同理，若t ＝πmqB ，则r ≥2mv qB ，若r ＝2mv qB ，则t 等于πm qB，C 错、D 对． 2. 如图所示，磁感应强度大小为B ＝0.15 T 、方向垂直纸面向里的匀强磁场分布在半径为R ＝0.10 m 的圆形区域内，圆的左端跟y 轴相切于直角坐标系原点O ，右端跟很大的荧光屏MN 相切于x 轴上的A 点。
带电粒子在磁场中运动的极值和多解等问题 明天用
解析：（1）要粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁 场，则粒子的临界轨迹必须要与外圆相切,轨迹如图所示。
由图中知，r12 R12 = (R2 r1 )2
解得 r1 = 0.375 m
由得
BqV1
=
m V12 r1
r1
得
V1
=
Bqr1 m
= 1.5 107 m / s
所以粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁场的最
何（以v0与oa的夹角表示）？最大偏转角多大？
解析： R =mv/Bq=5×10－2m > r
说明：半径确定时，通过的弧越
B v0
长，偏转角度越大。而弧小于半
aα
O
r
b
个圆周时，弦越长则弧越长。
R
sin = r/R = 37º，
α
最大偏转角为 2 = 74º。
拓展：若改粒子射入磁场的速度为v0′=3.0×105m/s，其 它条件不变。用斜线画出该批粒子在磁场中可能出
径大于圆形磁场的半径，改变圆形磁场圆心的位置，可以
改变粒子在磁场中的偏转角度。为使粒子从磁场中射出后
一定能打到 y 轴上，求满足此条件下磁场半径 r 的范围。
y
y
B
O v0
B
x
B
O
v0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Bx
一个质量为m，带电量为+q的带电粒子（不计重力），以初速 V0沿y轴向+y方向运动，从图中O点处开始进入一个边界为圆形 的匀强磁场中，已知磁场方向垂直于纸面于向外，磁感应强度大 小为B，磁场边界半径r。粒子进入磁场中将做匀速圆周运动，已 知它做圆周运动的轨道半径比圆形磁场的半径r大。 （1）改变圆形磁场圆心的位置，可改变粒子在磁场中的偏转角 度。求粒子在磁场中的最大偏转角（用反三角函数表示）。
9.3 专题：带电粒子在磁场中运动的极值问题
专题：带电粒子在磁场中运动的极值问题1．磁感应强度的极值问题例1如图所示，一带正电的质子以速度v0从O点垂直射入，两个板间存在垂直纸面向里的匀强磁场．已知两板之间距离为d，板长为d，O点是板的正中间，为使质子能从两板间射出，试求磁感应强度应满足的条件(已知质子的带电荷量为e，质量为m)．答案4m v05de≤B≤4m v0de【练习】两极板M、N相距为d，板长为5d，两板未带电，板间有垂直于纸面的匀强磁场，如图所示，一大群电子沿平行于板的方向从各个位置以速度v射入板间，为了使电子都不从板间穿出，磁感应强度B的范围怎样？(设电子电荷量为e，质量为m)2．偏角（时间）的极值问题例2在真空中，半径r＝3×10－2 m的圆形区域内有匀强磁场，方向如图所示，磁感应强度B＝0.2 T，一个带正电的粒子以初速度v0＝106 m/s从磁场边界上直径ab的一端a射入磁场，已知该粒子的比荷qm＝108 C/kg，不计粒子重力．(1)求粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径；(2)若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角，求入射时v0与ab的夹角θ及粒子的最大偏转角．答案(1)5×10－2 m(2)37°74°【练习】如图所示，半径为r＝0.1 m的圆形匀强磁场区域边界跟y轴相切于坐标原点O，磁感应强度B＝0.332 T，方向垂直纸面向里．在O处有一放射源，可沿纸面向各个方向射出速率均为v＝3.2×106 m/s的α粒子．已知α粒子质量m＝6.64×10－27 kg，电量q＝3.2×10－19 C，不计α粒子的重力．求α粒子在磁场中运动的最长时间．答案 6.5×10－8 s3．速度的极值问题例3 如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，垂直于磁场射入一速度方向跟ad边夹角θ＝30°、大小为v0的带正电粒子．已知粒子质量为m，电荷量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(1)粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围；(2)如果带电粒子不受上述v0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间．4．磁场区域面积的极值问题例4不计重力的带正电粒子，质量为m，电荷量为q，以与y轴成30°角的速度v0从y轴上的a点射入图4中第一象限所在区域．为了使该带电粒子能从x轴上的b点以与x轴成60°角的速度射出，可在适当的地方加一个垂直于xOy平面、磁感强度为B的匀强磁场，若此磁场分布在一个圆形区域内，试求这个圆形磁场区域的最小面积．答案34π(m v0qB)2课后练习一．单项选择题1．如图所示，两个横截面分别为圆形和正方形的区域内有磁感应强度相同的匀强磁场，圆的直径和正方形的边长相等，两个电子分别以相同的速度分别飞入两个磁场区域，速度方向均与磁场方向垂直，进入圆形磁场的电子初速度方向对准圆心，进入正方形磁场的电子初速度方向垂直于边界，从中点进入．则下面判断错误的是(D)A．两电子在两磁场中运动时，其半径一定相同B．两电子在两磁场中运动的时间有可能相同C．进入圆形磁场区域的电子可能先飞离磁场D．进入圆形磁场区域的电子可能后飞离磁场2．如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场的边界上，有两个电荷量绝对值相同、质量相同的正、负粒子(不计重力)，从O点以相同的速度先后射入磁场中，入射方向与边界成θ角，则关于正、负粒子在磁场中运动的下列说法不正确的是(A)A．运动时间相同B．运动轨迹的半径相同C．重新回到边界时速度大小和方向相同D．重新回到边界时与O点的距离相等3．如图所示，一个质量为m、电荷量为＋q的带电粒子，不计重力，在a点以某一初速度水平向左射入磁场区域Ⅰ，沿曲线abcd运动，ab、bc、cd都是半径为R的圆弧．粒子在每段圆弧上运动的时间都为t.规定垂直纸面向外的磁感应强度方向为正，则磁场区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分的磁感应强度B随x变化的关系可能是图中的(C)4.如图所示，在一匀强磁场中有三个带电粒子，图中1和2为质子的径迹，3为α粒子的径迹．它们在同一平面内沿逆时针方向做匀速圆周运动，三者轨迹半径r1>r2>r3并相切于P点，设T、v、a、t分别表示它们做圆周运动的周期、线速度、向心加速度以及各自从经过P点算起到第一次通过图中虚线MN所经历的时间，则下列关系式不正确的是(B)A．T1＝T2<T3B．v1＝v2>v3C．a1>a2>a3D．t1<t2<t35．一电子以垂直于匀强磁场的速度v A，从A处进入长为d宽为h的磁场区域如图所示，发生偏移而从B处离开磁场，若电荷量为e，磁感应强度为B，圆弧AB的长为L，则(B)A．电子在磁场中运动的时间为t＝dv AB．电子在磁场中运动的时间为t＝L v AC．洛伦兹力对电子做功是Be v A·hD．电子在A、B两处的速度相同6．一个质子和一个α粒子沿垂直于磁感线方向从同一点射入一个匀强磁场中，若它们在磁场中的运动轨迹是重合的，如图所示，则它们在磁场中(D)A．运动的时间相等B．加速度的大小相等C．速度的大小相等D．动能的大小相等7．如图所示，在y>0的区域内存在匀强磁场，磁场垂直于图中的xOy平面，方向指向纸外．原点O处有一离子源，沿各个方向射出质量与速率乘积m v相等的同价正离子．对于在xOy 平面内的离子，它们在磁场中做圆弧运动的圆心所在的轨迹，可用下图给出的四个半圆中的一个来表示，其中正确的是(A)二．双项选择题1．环型对撞机是研究高能粒子的重要装置，带电粒子在电压为U的电场中加速后注入对撞机的高真空圆形的空腔内，在匀强磁场中，做半径恒定的圆周运动，且局限在圆环空腔内运动，粒子碰撞时发生核反应，关于带电粒子的比荷qm，加速电压U和磁感应强度B以及粒子运动的周期T的关系，下列说法正确的是(BD)A．对于给定的加速电压，带电粒子的比荷qm越大，磁感应强度B越大B．对于给定的加速电压，带电粒子的比荷qm越大，磁感应强度B越小C．对于给定的带电粒子，加速电压U越大，粒子运动的周期T越小D．对于给定的带电粒子，不管加速电压U多大，粒子运动的周期T都不变2．在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又顺利地垂直进入另一磁感应强度为原来2倍的匀强磁场，则( BD )A ．粒子的速率加倍，周期减半B ．粒子的速率不变，轨道半径减半C ．粒子的速率减半，轨道半径为原来的14D ．粒子的速率不变，周期减半三．计算题1．两极板M 、N 相距为d ，板长为3d ，两极板都未带电，板间有垂直于纸面向外的匀强磁场，如图所示，一群电子沿平行于极板的方向从各个位置以速度v 射入板间．为了使电子都不从板间穿出，磁感应强度B 的取值范围是多少？(设电子电荷量为e 、质量为m )答案m v 5de <B <2m v de。
带电粒子在磁场中的运动题型归类
作出图示的二临界轨迹
，故电子击中档板的范围在P1P2间；对SP1弧由图知
OP1 (2L) 2 L2 3L
对SP2弧由图知
OP2 (4L) 2 L2 15 L
【总结】本题利用了动态园法寻找引起范围的“临界轨迹”及“临 半径R0”，然后利用粒子运动的实际轨道半径R与R0的大小关系 确定范围。
（1）若粒子带负电，它将从x轴上A点离开磁场，运动方向发生 的偏转角
A点与O点相距
若粒子带正电，它将从y轴上B点离开磁场，运动方向发生的偏转角 B点与O点相距
（2）若粒子带负电，它从O到A所用的时间为
若粒子带正电，它从O到B所用的时间为
【总结】受洛伦兹力作用的带电粒子，可能带正电荷，也可能 带负电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不 同，导致形成双解。
图9-15
图9-16
【审题】若带电粒子带负电，进入磁场后做匀速圆周运动，圆 心为O1，粒子向x轴偏转，并从A点离开磁场。若带电粒子带正 电，进入磁场后做匀速圆周运动，圆心为O2，粒子向y轴偏转， 并从B点离开磁场。粒子速率一定，所以不论粒子带何种电荷， 其运动轨道半径一定。只要确定粒子的运动轨迹，即可求解。 【解析】粒子运动半径： 。如图9-16，有 带电粒子沿半径为R的圆运动一周所用的时间为
有:
；
R0
d 1 Cos
故粒子必能穿出EF的实际运动轨迹半径R≥R0 mv0 d 即: R
qB 1 Cos
有:
。
v0
qBd m(1 Cos)
由图知粒子不可能从P点下方向射出EF，即只能从P点 上方某一区域射出；又由于粒子从点A进入磁场后受 洛仑兹力必使其向右下方偏转，故粒子不可能从AG 直线上方射出；由此可见EF中有粒子射出的区域为PG， 且由图知: dSin
高考物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧讲解及练习题(含答案)
高考物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧讲解及练习题(含答案)一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1．如图所示，在平面直角坐标系xOy 的第二、第三象限内有一垂直纸面向里、磁感应强度为B 的匀强磁场区域△ABC ，A 点坐标为（0，3a ），C 点坐标为（0，﹣3a ），B 点坐标为(23a -，-3a ）．在直角坐标系xOy 的第一象限内，加上方向沿y 轴正方向、场强大小为E=Bv 0的匀强电场，在x=3a 处垂直于x 轴放置一平面荧光屏，其与x 轴的交点为Q ．粒子束以相同的速度v 0由O 、C 间的各位置垂直y 轴射入，已知从y 轴上y =﹣2a 的点射入磁场的粒子在磁场中的轨迹恰好经过O 点．忽略粒子间的相互作用，不计粒子的重力． （1）求粒子的比荷；（2）求粒子束射入电场的纵坐标范围；（3）从什么位置射入磁场的粒子打到荧光屏上距Q 点最远？求出最远距离．【答案】(1)0v Ba(2)0≤y≤2a (3)78y a =，94a【解析】 【详解】(1)由题意可知， 粒子在磁场中的轨迹半径为r ＝a 由牛顿第二定律得Bqv 0＝m 2v r故粒子的比荷v q m Ba= (2)能进入电场中且离O 点上方最远的粒子在磁场中的运动轨迹恰好与AB 边相切，设粒子运动轨迹的圆心为O ′点，如图所示．由几何关系知O ′A ＝r ·ABBC＝2a 则OO ′＝OA －O ′A ＝a即粒子离开磁场进入电场时，离O 点上方最远距离为OD ＝y m ＝2a所以粒子束从y 轴射入电场的范围为0≤y ≤2a (3)假设粒子没有射出电场就打到荧光屏上，有3a ＝v 0·t 02019222qE y t a a m ==>， 所以，粒子应射出电场后打到荧光屏上粒子在电场中做类平抛运动，设粒子在电场中的运动时间为t ，竖直方向位移为y ，水平方向位移为x ，则 水平方向有x ＝v 0·t竖直方向有212qE y t m=代入数据得x设粒子最终打在荧光屏上的点距Q 点为H ，粒子射出电场时与x 轴的夹角为θ，则00tan y x qE x v m v v v θ⋅===有H ＝(3a －x )·tan θ＝当=y ＝98a 时，H 有最大值 由于98a <2a ，所以H 的最大值H max ＝94a ，粒子射入磁场的位置为y ＝98a －2a ＝－78a2．如图所示，在xOy 平面内，以O ′(0，R )为圆心，R 为半径的圆内有垂直平面向外的匀强磁场，x 轴下方有垂直平面向里的匀强磁场，两区域磁感应强度大小相等．第四象限有一与x 轴成45°角倾斜放置的挡板PQ ，P ，Q 两点在坐标轴上，且O ，P 两点间的距离大于2R ，在圆形磁场的左侧0<y <2R 的区间内，均匀分布着质量为m ，电荷量为＋q 的一簇带电粒子，当所有粒子均沿x 轴正向以速度v 射入圆形磁场区域时，粒子偏转后都从O 点进入x 轴下方磁场，结果有一半粒子能打在挡板上．不计粒子重力，不考虑粒子间相互作用力．求：(1)磁场的磁感应强度B 的大小； (2)挡板端点P 的坐标；(3)挡板上被粒子打中的区域长度． 【答案】（1）mvqR (2)(21),0R ⎡⎤+⎣⎦ (3)21042R +- 【解析】 【分析】 【详解】（1）设一粒子自磁场边界A 点进入磁场，该粒子由O 点射出圆形磁场，轨迹如图甲所示，过A 点做速度的垂线长度为r ,C 为该轨迹圆的圆心.连接AO ˊ、CO ，可证得ACOO ˊ为菱形，根据图中几何关系可知：粒子在圆形磁场中的轨道半径r =R ，由2v qvB m r=得：mv B qR=（2）有一半粒子打到挡板上需满足从O 点射出的沿x 轴负方向的粒子、沿y 轴负方向的粒子轨迹刚好与挡板相切，如图乙所示，过圆心D 做挡板的垂线交于E 点2DP R =(21)OP R =P 点的坐标为（(21)R +，0 ）（3）设打到挡板最左侧的粒子打在挡板上的F 点，如图丙所示，OF =2R ①过O 点做挡板的垂线交于G 点，22(21)(1)OG R R =+⋅=+② 225-22=2FG OF OG R=-③22EG R =④ 挡板上被粒子打中的区域长度l =FE =22R +5-222R =2+10-42R ⑤3．如图所示，一匀强磁场磁感应强度为B ；方向向里，其边界是半径为R 的圆，AB 为圆的一直径.在A 点有一粒子源向圆平面内的各个方向发射质量m 、电量-q 的粒子，粒子重力不计．(1)有一带电粒子以的速度垂直磁场进入圆形区域，恰从B 点射出．求此粒子在磁场中运动的时间．(2)若磁场的边界是绝缘弹性边界(粒子与边界碰撞后将以原速率反弹)，某粒子沿半径方向射入磁场，经过2次碰撞后回到A 点，则该粒子的速度为多大?(3)若R =3cm 、B =0.2T ，在A 点的粒子源向圆平面内的各个方向发射速度均为3×105m ／s 、比荷为108C／kg的粒子．试用阴影图画出粒子在磁场中能到达的区域，并求出该区域的面积(结果保留2位有效数字)．【答案】（1）（2）（3）【解析】【分析】（1）根据洛伦兹力提供向心力，求出粒子的半径，通过几何关系得出圆弧所对应的圆心角，根据周期公式，结合t=T求出粒子在磁场中运动的时间．（2）粒子径向射入磁场，必定径向反弹，作出粒子的轨迹图，通过几何关系求出粒子的半径，从而通过半径公式求出粒子的速度．（3）根据粒子的半径公式求出粒子的轨道半径，作出粒子轨迹所能到达的部分，根据几何关系求出面积．【详解】（1）由得r1=2R粒子的运动轨迹如图所示，则α＝因为周期．运动时间．（2）粒子运动情况如图所示，β＝．r2＝R tanβ＝R由得（3）粒子的轨道半径r3＝＝1.5cm粒子到达的区域为图中的阴影部分区域面积为S=πr 32+2×π(2r 3)2−r 32=9.0×10-4m 2【点睛】本题考查了带电粒子在磁场中的运动问题，需掌握粒子的半径公式和周期公式，并能画出粒子运动的轨迹图，结合几何关系求解．该题对数学几何能力要求较高，需加强这方面的训练．4．如图：竖直面内固定的绝缘轨道abc ，由半径R =3 m 的光滑圆弧段bc 与长l =1.5 m 的粗糙水平段ab 在b 点相切而构成，O 点是圆弧段的圆心，Oc 与Ob 的夹角θ=37°;过f 点的竖直虚线左侧有方向竖直向上、场强大小E =10 N/C 的匀强电场，Ocb 的外侧有一长度足够长、宽度d =1.6 m 的矩形区域efgh ，ef 与Oc 交于c 点，ecf 与水平向右的方向所成的夹角为β(53°≤β≤147°)，矩形区域内有方向水平向里的匀强磁场．质量m 2=3×10-3 kg 、电荷量q =3×l0-3 C 的带正电小物体Q 静止在圆弧轨道上b 点，质量m 1=1.5×10-3 kg 的不带电小物体P 从轨道右端a 以v 0=8 m/s 的水平速度向左运动，P 、Q 碰撞时间极短，碰后P 以1 m/s 的速度水平向右弹回．已知P 与ab 间的动摩擦因数μ=0.5，A 、B 均可视为质点，Q 的电荷量始终不变，忽略空气阻力，sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度大小g =10 m/s 2．求：(1)碰后瞬间，圆弧轨道对物体Q 的弹力大小F N ；(2)当β=53°时，物体Q 刚好不从gh 边穿出磁场，求区域efgh 内所加磁场的磁感应强度大小B 1；(3)当区域efgh 内所加磁场的磁感应强度为B 2=2T 时，要让物体Q 从gh 边穿出磁场且在磁场中运动的时间最长，求此最长时间t 及对应的β值．【答案】(1)24.610N F N -=⨯ (2)1 1.25B T = (3)127s 360t π=,001290143ββ==和 【解析】 【详解】解：(1)设P 碰撞前后的速度分别为1v 和1v '，Q 碰后的速度为2v 从a 到b ，对P ，由动能定理得：221011111-22m gl m v m v μ=- 解得：17m/s v =碰撞过程中，对P ，Q 系统：由动量守恒定律：111122m v m v m v '=+取向左为正方向，由题意11m/s v =-'， 解得：24m/s v =b 点：对Q ，由牛顿第二定律得：2222Nv F m g m R-=解得:24.610N N F -=⨯(2)设Q 在c 点的速度为c v ，在b 到c 点，由机械能守恒定律：22222211(1cos )22c m gR m v m v θ-+=解得：2m/s c v =进入磁场后：Q 所受电场力22310N F qE m g -==⨯= ，Q 在磁场做匀速率圆周运动由牛顿第二定律得：2211c c m v qv B r =Q 刚好不从gh 边穿出磁场，由几何关系：1 1.6m r d == 解得：1 1.25T B = (3)当所加磁场22T B =，2221m cm v r qB == 要让Q 从gh 边穿出磁场且在磁场中运动的时间最长，则Q 在磁场中运动轨迹对应的圆心角最大，则当gh 边或ef 边与圆轨迹相切，轨迹如图所示：设最大圆心角为α，由几何关系得：22cos(180)d r r α-︒-= 解得：127α=︒ 运动周期：222m T qB π=则Q 在磁场中运动的最长时间：222127127•s 360360360m t T qB παπ===︒此时对应的β角：190β=︒和2143β=︒5．(18分)如图甲所示，相隔一定距离的竖直边界两侧为相同的匀强磁场区，磁场方向垂直纸面向里，在边界上固定两长为L 的平行金属极板MN 和PQ ，两极板中心各有一小孔1S 、2S ，两极板间电压的变化规律如图乙所示，正反向电压的大小均为0U，周期为0T 。
《带电粒子在有界匀强磁场中的运动》作业纸
1．进入型：带电粒子以一定速度υ垂直于磁感应强度B进入磁场.
规律要点：
（1）对称性：若带电粒子以与边界成θ角的速度进入磁场，则一定以与边界成θ角的速度离开磁场.如图1所示.
（2）完整性：比荷相等的正、负带电粒子以相同速度进入同一匀强磁场，则它们运动的圆弧轨道恰构成一个完整的圆；
正、负带电粒子以相同速度进入同一匀强磁场时，两粒子轨道圆弧对应的圆心角之和等于2πrad，即 ，且 （或 ）.
（1）若粒子带负电，且恰能从d点射出磁场，求 的大小；
（2）若粒子带正电，使粒子能从ab边射出磁场，求 的取值范围以及此范围内粒子在磁场中运动时间t的范围。
三、圆形边界
圆形磁场区域：
（1）相交于圆心：带电粒子沿指向圆心的方向进入磁场，则出磁场时速度矢量的反向延长线一定过圆心，即两速度矢量相交于圆心；如图6.
在图3中，ab之间有带电粒子射出，可求得
最值相切规律可推广到矩形区域磁场中.
例1．一足够长的矩形区域abcd内充满磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，矩形区域的左边界ad宽为L，现从ad中点O垂直于磁场射入一带电粒子，速度大小为 方向与ad边夹角为30°，如图4所示。已知粒子的电荷量为q，质量为m（重力不计）。
图2中，在ab之间有带电粒子射出，设ab距离为x，粒子源到磁场边界的距离为d，带电粒子的质量为m，速度为υ，则
二、双直线边界磁场
规律要点：
最值相切：当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同一种粒子时，粒子能从另一边界射出的上、下最远点对应的轨道分别与两直线相切.图3所示.
对称性：过粒子源S的垂线为ab的中垂线.
2．射出型：粒子源在磁场中，且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子.
(完整版)带电粒子在磁场中的运动习题含答案
带电粒子在磁场中的运动练习题2016.11.231. 如图所示，一个带正电荷的物块m由静止开始从斜面上A点下滑，滑到水平面BC上的D点停下来．已知物块与斜面及水平面间的动摩擦因数相同，且不计物块经过B处时的机械能损失．先在ABC所在空间加竖直向下的匀强电场，第二次让物块m从A点由静止开始下滑，结果物块在水平面上的D′点停下来．后又撤去电场，在ABC所在空间加水平向里的匀强磁场，再次让物块m从A点由静止开始下滑，结果物块沿斜面滑下并在水平面上的D″点停下来．则以下说法中正确的是( )A．D′点一定在D点左侧B．D′点一定与D点重合C．D″点一定在D点右侧D．D″点一定与D点重合2. 一个质量为m、带电荷量为+q的圆环，可在水平放置的足够长的粗糙细杆上滑动，细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中．现给圆环向右初速度v0，在以后的运动过程中，圆环运动的速度图象可能是（）A．B．C．D．3. 如图所示，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bc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4. 如图所示，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，其中a静止，b向右做匀速运动，c向左匀速运动，比较它们的重力Ga、Gb、Gc的大小关系，正确的是（）A．Ga最大B．Gb最大C．Gc最大D．Gb最小5. 如图所示，圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子以速度v 从A 点沿直径AOB 方向射入磁场，经过Δt 时间从C 点射出磁场，OC 与OB 成60°角。
现将带电粒子的速度变为v /3，仍从A 点射入磁场，不计重力，则粒子在磁场中的运动时间变为 ( ) A.t ∆21B. t ∆2C.t ∆31D. t ∆36. 如图所示，在xOy 平面内存在着磁感应强度大小为B 的匀强磁场，第一、二、四象限内的磁场方向垂直纸面向里，第三象限内的磁场方向垂直纸面向外．P (－L 2,0)、Q (0，－L 2)为坐标轴上的两个点．现有一电子从P 点沿PQ 方向射出，不计电子的重力，则. ( )A ．若电子从P 点出发恰好经原点O 第一次射出磁场分界线，则电子运动的路程一定为2LπB ．若电子从P 点出发经原点O 到达Q 点，则电子运动的路程一定为L πC ．若电子从P 点出发经原点O 到达Q 点，则电子运动的路程可能为2L πD ．若电子从P 点出发经原点O 到达Q 点，则n L π（n 为任意正整数）都有可能是电子运动的路程7. 如图，一束电子（电量为e ）以速度v 0垂直射入磁感应强度为B ，宽为d 的匀强磁场中，穿出磁场的速度方向与电子原来的入射方向的夹角为30°，求： （1）电子的质量是多少？ （2）穿过磁场的时间是多少？（3）若改变初速度，使电子刚好不能从A 边射出，则此时速度v 是多少？8. 点S为电子源，它只在下图所示的纸面上360°范围内发射速率相同、质量为m、电荷量为e的电子，MN是一块足够大的竖直挡板，与S的水平距离OS=L。
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2．偏角的极值问题
例2在真空中，半径r＝3×10－2m的圆形区域内有匀强磁场，方向如图2所示，磁感应强度B＝0.2 T，一个带正电的粒子以初速度v0＝1×106m/s从磁场边界上直径ab的一端a射入磁场，已知该粒子的比荷＝1×108C/kg，不计粒子重力．(1)求粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径；(2)若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角，求入射时v0与ab的夹角θ及粒子的最大偏转角．
的荧光屏MN上，求：
(1)电子从y轴穿过的范围；
(2)荧光屏上光斑的长度；
(3)所加磁场范围的最小面积．
(1)两板间电压的最大值Um；
(2)CD板上可能被粒子打中的区域的长度x；
(3)粒子在磁场中运动的最长时间tm.
4．面积的极值问题
例4如图4所示，质量为m，电荷量为e的电子从坐标原点O处沿xOy平面射入第一象限内，射入时的速度方向不同，但大小均为v0.现在某一区域内加一方向向外且垂直于xOy平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B，若这些电子穿过磁场后都能垂直地射到与y轴平行
3．时间的极值问题
例3如图3所示，M、N为两块带等量异种电荷的平行金属板，两板间电压可取从零到某一最大值之间的各种数值．静止的带电粒子带电荷量为＋q，质量为m(不计重力)，从点P经电场加速后，从小孔Q进入N板右侧的匀强磁场区域，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，CD为磁场边界上的一绝缘板，它与N板的夹角为θ＝45°，孔Q到板的下端C的距离为L，当M、N两板间电压取最大值时，粒子恰垂直打在CD板上，求：