带电粒子在磁场中的边界问题
带电粒子在有界磁场磁场中的运动
d
αR O
过程模型：匀速圆周运动 规律：牛顿第二定律 + 圆周运动公式 条件：要求时间最短
t
s v
速度 v 不变，欲使穿过磁场时间最短，须使 s 有最 小值，则要求弦最短。
题1 一个垂直纸面向里的有界匀强磁场形 状如图所示，磁场宽度为 d。在垂直B的平面
内的A点，有一个电量为 －q、质量为 m、速
y B
如粒子带正电，则： 如粒子带负电，则：
60º v
60º
O 120º
x
A. 2mv qB
B. 2mvcosθ qB
C. 2mv(1-sinθ) qB
2mv(1-cosθ)
D. qB
M
D
C
θ θ θθ
P
N
θθ
练、 一个质量为m电荷量为q的带电粒子（不计重力）
从x轴上的P(a，0)点以速度v，沿与x正方向成60º的
束比荷为q/m=2 ×1011 C/kg的正离子，以不同角度α入射，
其中入射角 α =30º，且不经碰撞而直接从出射孔射出的
离子的速度v大小是 （
C）
αa
A．4×105 m/s B． 2×105 m/s
r
C． 4×106 m/s D． 2×106 m/s O′
O
解： 作入射速度的垂线与ab的垂直平分线交于 r
P
B v0
O
AQ
例、如图，A、B为水平放置的足够长的平行板，板间距离为
d =1.0×10－2m，A板上有一电子源P，Q点在P点正上方B
板上，在纸面内从P点向Q点发射速度在0～3.2×107m/s范
围内的电子。若垂直纸面内加一匀强磁场，磁感应强度
B=9.1×10－3T，已知电子质量 m=9.1×10－31kg ，电子电
磁场临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题湖北省黄梅县第五中学石成美“临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条件”“动量中的避免碰撞问题”等等，这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。
一、解题方法画图→动态分析→找临界轨迹。
（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算了──这一般都不难。
）二、常见题型（B为磁场的磁感应强度，v0为粒子进入磁场的初速度）分述如下：第一类问题：例1 如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。
一电子从CD边界外侧以速率v0垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为θ。
已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率v0至少多大？分析：如图2，通过作图可以看到：随着v0的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边界EF相切，然后就不难解答了。
第二类问题：例2如图3所示，水平线MN下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，在MN线上某点O正下方与之相距L的质子源S，可在纸面内360°范围内发射质量为m、电量为e、速度为v0=BeL/m的质子，不计质子重力，打在MN上的质子在O点右侧最远距离OP=________，打在O点左侧最远距离OQ=__________。
分析：首先求出半径得r=L，然后作出临界轨迹如图4所示（所有从S发射出去的质子做圆周运动的轨道圆心是在以S为圆心、以r=L为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆──就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），OP=，OQ=L。
【练习】如图5所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。
P为屏上的一小孔，PC与MN垂直。
专题八 带电粒子在有界磁场中的临界极值问题讲解
方法二 旋转圆法
粒子速度大小不变，方向改变，则 r＝mqBv大小不变，但轨迹 的圆心位置变化，相当于圆心在绕着入射点滚动(如图所示)．
例 2 (2015·四川理综)(多选)如图所示，S 处有一电子源，可
向纸面内任意方向发射电子，平板 MN 垂直于纸面，在纸面内的 长度 L＝9.1 cm，中点 O 与 S 间的距离 d＝4.55 cm，MN 与直线 SO 的夹角为 θ，板所在平面有电子源的一侧区域有方向垂直于 纸面向外的匀强磁场，磁感应强度 B＝2.0×10－4T.电子质量 m＝ 9.1×10－31 kg，电荷量 e＝－1.6×10－19C，不计电子重力．电子 源发射速度 v＝1.6×106 m/s 的一个电子，该电子打在板上可能 位置的区域的长度为 l，则( )
B．从 ac 边中点射出的粒子，在磁场中的运动时间为 2πm 3qB
C．从 ac 边射出的粒子的最大速度值为23qmBL D．bc 边界上只有长度为 L 的区域可能有粒 子射出
[解析] 带电粒子在磁场中运动的时间是看圆心角的大小， 而不是看弧的长短，A 项错误；作出带电粒子在磁场中偏转的示 意图，从 ac 边上射出的粒子，所对的圆心角都是 120°，所以在 磁场中运动的时间为 t＝13T＝23πqmB，B 项正确；从 ac 边射出的最 大速度粒子的弧线与 bc 相切，如图所示，半径为 L，由 R＝mqBv⇒ v＝qBmR＝qmBL，C 项错误；如图所示，在 bc 边上只有 Db＝L 长 度区域内有粒子射出，D 项正确，选 B、D 项．
例1 (多选)如图所示，在直角三角形 abc 中，有垂直纸面的匀强
磁场，磁感应强度为 B.在 a 点有一个粒子发射源，可以沿 ab 方向源 源不断地发出速率不同，电荷量为q(q>0)、质量为 m 的同种粒子．已 知∠a＝60°，ab＝L，不计粒子的重力，下列说法正确的是( )
带电粒子在磁场中运动的临界问题
带电粒子在磁场中运动的临界问题一、“矩形”有界磁场中的临界问题【例1】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、磁感应强度为B 的匀强磁场，在ad 边中点O ，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad 边夹角θ＝30°、大小为v 0的带正电粒子，已知粒子质量为m ，电量为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v 0大小范围。
(2)若粒子速度不受上述v 0大小的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间。
解析: (1)①假设粒子以最小的速度恰好从左边偏转出来时的速度为v 1，圆心在O 1点，如图 (甲)，轨道半径为R 1，对应圆轨迹与ab 边相切于Q 点，由几何知识得：R 1＋R 1sin θ＝0.5L由牛顿第二定律得1211R v m B qv =； 得m qBLv =1②假设粒子以最大速度恰好从右边偏转出来，设此时的轨道半径为R 2，圆心在O 2点，如图 (乙)，对应圆轨迹与dc 边相切于P 点。
由几何知识得：R 2＝L由牛顿第二定律得2222R v m B qv =；得m qBLv =2粒子能从ab 边上射出磁场的v 0应满足mqBLv m qBL ≤≤3(2)如图 (丙)所示，粒子由O 点射入磁场，由P 点离开磁场，该圆弧对应运行时间最长。
粒子在磁场内运行轨迹对应圆心角为πα35=。
而απ2T t m = 由Rv mqvB 2=，得qB mv R =，qBmT π2= qBmt m 35π=【练习1】如图所示，宽度为d 的有界匀强磁场，磁感应强度为B ，MM ′和NN ′是它的两条边界线，现有质量m 、电荷量为q 的带电粒子沿图示方向垂直磁场射入，要使粒子不能从边界NN ′射出，粒子最大的入射速度v 可能是( )A ．小于mqBdB ．小于()mqBd22+C ．小于mqBd2 D ．小于()mqBd22—解析:BD二、“角形磁场区”情景下的临界问题【例2】如图所示，在坐标系xOy 平面内，在x ＝0和x ＝L 范围内分布着匀强磁场和匀强电场，磁场的下边界AB 与y 轴成45°，其磁感应强度为B ，电场的上边界为x 轴，其电场强度为E .现有一束包含着各种速率的同种粒子由A 点垂直y 轴射入磁场，带电粒子的比荷为q /m .一部分粒子通过磁场偏转后由边界AB 射出进入电场区域．不计粒子重力，求： (1)能够由AB 边界射出的粒子的最大速率；(2)粒子在电场中运动一段时间后由y 轴射出电场，射出点与原点的最大距离． 解: (1)由于AB 与初速度成45°，所以粒子由AB 线射出磁场时速度方向与初速度成45°角．粒子在磁场中做匀速圆周运动，速率越大，圆周半径越大．速度最大的粒子刚好由B 点射出． 由牛顿第二定律Rv mB qv 2=由几何关系可知 r ＝L ，得 mqBLv =(2)粒子从B 点垂直电场射入后，在竖直方向做匀速运动，在水平方向做匀加速运动． 在电场中，由牛顿第二定律Eq ＝ma 此粒子在电场中运动时221at L =d ＝vt ，得mEqLBL d 2=【例3】如图所示，M 、N 为两块带异种电荷正对的金属板，其中M 板的表面为圆弧面，P 为M 板中点；N 板的表面为平面，Q 为N 板中点的一个小孔．PQ 的连线通过圆弧的圆心且与N 板垂直．PQ 间距为d ，两板间电压数值可由从0到某最大值之间变化，图中只画了三条代表性电场线．带电量为＋q ，质量为m 的粒子，从点P 由静止经电场加速后，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 ，方向垂直纸面向外，CD 为磁场边界线，它与N 板的夹角为α＝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． 不计粒子重力，求：(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长度x ； (3)粒子在磁场中运动的最长时间tm .解: (1)M 、N 两板间电压取最大值时，粒子恰垂直打在CD 板上，所以圆心在C 点，如图所示． C H ＝QC ＝L ，故半径R 1＝L又1211R v m B qv = 2121mv qU m =得mL qB U m 222=(2)设轨迹与CD 板相切于K 点，半径为R 2在△AKC 中：2245sin R L R -=︒，得()L R 122-=因KC 长等于()L R 122-=，所以，CD 板上可能被粒子打中的区域长度x 为HK ：()L R R x 2221-=-=(3)打在QE 段之间的粒子在磁场中运动时间最长，均为半周期：qBm T t m π==21三、“圆形磁场区”情景下的临界问题 【例4】（2012，揭阳调考）如图，相距为R 的两块平行金属板M 、N 正对放置，s 1、s 2分别为M 、N 板上的小孔，s 1、s 2、O 三点共线且水平，且s 2O ＝R 。
带电粒子在匀强磁场中偏转(直线和平行边界)
V
V
②平行边界
×××××× ××××××
×××××× ××××××
+
②平行边界
×××××× ×××××× ×××××× ××××××
+
②平行边界
×××××× ×××××× ×××××× ××××××
+
②平行边界
存在临界条件
带电粒子垂直射入有界匀强磁场 ①直线边界
进出磁场具有对称性
射入射出速度相同 圆心角等于=偏向角 一个中心,两个基本点 ②平行边界
Ɵ Ɵ
+
各带电粒子的圆轨迹有一个公共切点 各圆的圆心分布在同一条直线上 各带电粒子做匀速圆周运动的周期相等 速率大,半径大;但射出速度相同,偏转角度相同
①直线边界
3)沿某一方向射入速率为V的带电粒子,则粒子在 匀强磁场中运动的周期为多少?
2
V BqV m R ×××××× ×××××× × × × × × × × × × × × × R mV qB ×××××× ××××××
+
2R 2m T V qB
(2 2 ) 2m t T (1 ) 2 qB
①直线边界
2)在同一平面内沿某一方向发射速率不同的同种 带电粒子,有下列特点:
×××××× ×××××× ×××××× ×××××× ×××××× ×××××× ××××××Ɵ ××××××
一个中心----即确定圆心
两个基本点---即射入点和射出点
2:如图所示，在x轴上方存在着垂直于纸面向里、磁感应强度 为B的匀强磁场，一个不计重力的带电粒子从坐标原点O处以 速度V进入磁场，粒子进入磁场时的速度方向垂直于磁场且与 x轴正方向成120°角，若粒子穿过y轴正半轴后在磁场中到x轴 的最大距离为a，（1）该粒子带正电还是负电?（2）该粒子 的荷质比为多少? (3) 磁场中运动的时间？
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。
粒子在磁场中多解和临界问题
带电粒子在磁场中的多解和临界问题1、如图14所示,边长为L 的等边三角形ABC 为两个有界匀强磁场的理想边界,三角形内的磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小为B,三角形外的磁场(足够大)方向垂直纸面向里,磁感应强度大小也为B.把粒子源放在顶点A 处,它将沿∠A 的角平分线发射质量为m 、电荷量为q 、初速度为v= 的负电粒子(粒子重力不计). 求:1)从A 射出的粒子第一次到达C 点所用时间为多少?(2)带电粒子在题设的两个有界磁场中运动的周期.2、一匀强磁场，磁场方向垂直于xy 平面，在xy 平面上，磁场分布在以O 为中心的一个圆形区域内。
一个质量为m 、电荷量为q 的带电粒子，由原点O 开始运动，初速度为v ，方向沿x 正方向。
后来，粒子经过y 上的P 点，此时速度方向与y 轴的夹角为30°，P 到O 的距离为L ，如图所示。
不计 重力影响。
求：磁场的磁感应强度B 的大小和 xy 平面上磁场区域的半径R 。
4、如图所示，真空室内存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度的大小B ＝0.60 T ，磁场内有一块平面感光板ab ，板面与磁场方向平行，在距ab 距离l ＝16 cm 处，有一个点状的α放射源S ，它向各个方向发射α粒子，α粒子的速度都是v ＝3.0×106 m/s ，已知α粒子的比荷＝5.0×107 C/kg ，现只考虑在图纸平面中运动的α粒子，求ab 上被α粒子打中的区域的长度．mqBL 3．如图所示，在屏MN 的上方有磁感应强度为B 的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里．P 为屏上的一小孔．PC 与MN 垂直．一束质量为m 、电荷量为－q 的粒子(不计重力)，以相同的速率v ，从P 处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域．粒子入射方向在与磁场B 垂直的平面内，且散开在与PC 的夹角为θ的范围内．则在屏MN 上被粒子打中的区域的长度为( D ) A.2mv qB B.2mvcos θqBC.2mv (1－sin θ)qBD.2mv (1－cos θ)qB5、(2010年宿州模拟)一质量为m、电荷量为q的带负电的粒子，从A点射入宽度为d、磁感应强度为B的匀强磁场中，MN、PQ为该磁场的边界线，磁感线垂直于纸面向里，如图所示．带电粒子射入时的初速度与PQ成45°角，且粒子恰好没有从MN射出．(不计粒子所受重力)(1)求该带电粒子的初速度大小；(2)求该带电粒子从PQ边界射出的出射点到A点的距离．7、如图所示，在坐标系xOy中，第一象限内充满着两个匀强磁场a和b，OP为分界线，在区域a中，磁感应强度为2B，方向垂直纸面向里；在区域b中，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，P点坐标为(4l,3l)．一质量为m，电荷量为q的带正电的粒子从P点沿y轴负方向射入区域b，经过一段时间后，粒子恰能经过原点O，不计粒子重力．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)．求：(1)粒子从P点运动到O点的时间最少是多少？(2)粒子运动的速度可能是多少？6．(2010年淄博模拟)如图所示，在真空中坐标系xOy平面的x＞0区域内，有磁感应强度B＝1.0×10－2 T的匀强磁场，方向与xOy平面垂直．在x轴上的P(10,0)点，有一放射源，在xOy平面内向各个方向发射速率v＝1.0×104 m/s的带正电的粒子，粒子的质量为m ＝1.6×10－25 kg，电荷量为q＝1.6×10－18 C，求带电粒子能打到y轴上的范围．答案 1、(1) (2)2、4、答案：20 cm5、qBmπ6qB m 3πqLm vB 3=LR 33=答案：(1)(2＋2)dqB m 或(2－2)dqBm(2)2(2＋1)d 或2(2－1)d6、7、解析：(1)设粒子的入射速度为v ，用R a 、R b 、T a 、T b 分别表示粒子在磁场a 区和b 区运动的轨道半径和周期，则：R a ＝mv 2qB，R b ＝mv qB ，T a ＝2πm 2qB ＝πm qB ，T b ＝2πm qB 粒子先从b 区运动，后进入a 区运动，然后从O 点射出时，粒子从P 运动到O 点所用时间最短．如图所示． tan α＝3l 4l ＝34，得α＝37° 粒子在b 区和a 区运动的时间分别为：t b ＝2(90°－α)360°T b， t a ＝2(90°－α)360°T a故从P 到O 时间为：t ＝t a ＋t b ＝53πm 60qB . 如图所示，当带电粒子打到y 轴上方的A 点与P 连线正好为其圆轨迹的直径时，A 点即为粒子能打到y 轴上方的最高点．因OP ＝R ＝10 cm ，AP ＝2R ＝20 cm ，则OA ＝AP 2－OP 2＝10 3 cm当带电粒子的圆轨迹正好与y 轴下方相切于B 点时，B 点即为粒子能打到y 轴下方的最低点，易得OB ＝R ＝10 cm. 综上，带电粒子能打到y 轴上的范围为－10 cm ≤y ≤10 3 cm.。
带电粒子在圆形边界磁场中运动 (微课课件)
1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；如左下图所示. b. 直径最小：带电粒子从圆与某直径的一个交点射入磁场则从 该直径与圆的另一交点射出时，磁场区域最小.如右下图所示.
3、环状磁场区域
a. 带电粒子沿（逆）半径方向射入磁场，若能返回同一边界， 则一定逆（沿）半径方向射出磁场 b. 最值相切：如下图，当带电粒子的运动轨迹与圆相切时，粒 子有最大速度vm或磁场有最小磁感应强度B.
4、事例分析
地磁场可以“屏蔽”来自太空的带电粒子，防止这些高速运动的带 电粒子对地球带来的危害.在高能物理实验中， 为了避免宇宙射线中的带电粒子对实验的影响， 可在实验装置外加磁场予以屏蔽.如图所示，半 径为r2的圆管形实验通道为实验中高能带电粒子 的通道，在r2到r1的圆环形加有匀强磁场.假设来 自太空的带电粒子的最大速度为v，粒子均沿半 径方向射入磁场区，为了使这些粒子均不能进入实验通道，则磁感应强 度B至少为多大？已知带电粒子的质量均为m，电荷量均为-q.
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第3课时 (小专题)带电粒子在匀强磁场中运动的临界及多解问题基本技能练1. (多选)如图1所示，虚线MN 将平面分成Ⅰ和Ⅱ两个区域，两个区域都存在与纸面垂直的匀强磁场。
一带电粒子仅在磁场力作用下由Ⅰ区运动到Ⅱ区，弧线aPb 为运动过程中的一段轨迹，其中弧aP 与弧Pb 的弧长之比为2∶1，下列判断一定正确的是( )图1A ．两个磁场的磁感应强度方向相反，大小之比为2∶1B ．粒子在两个磁场中的运动速度大小之比为1∶1C ．粒子通过aP 、Pb 两段弧的时间之比为2∶1D ．弧aP 与弧Pb 对应的圆心角之比为2∶1解析 粒子在磁场中所受的洛伦兹力指向运动轨迹的凹侧，结合左手定则可知，两个磁场的磁感应强度方向相反，根据题中信息无法求得粒子在两个磁场中运动轨迹所在圆周的半径之比，所以无法求出两个磁场的磁感应强度之比，选项A 错误；运动轨迹粒子只受洛伦兹力的作用，而洛伦兹力不做功，所以粒子的动能不变，速度大小不变，选项B 正确；已知粒子通过aP 、Pb 两段弧的速度大小不变，而路程之比为2∶1，可求出运动时间之比为2∶1，选项C 正确；由图知两个磁场的磁感应强度大小不等，粒子在两个磁场中做圆周运动时的周期T ＝2πmBq也不等，粒子通过弧aP 与弧Pb 的运动时间之比并不等于弧aP 与弧Pb 对应的圆心角之比，选项D 错误。
答案 BC2. (多选)如图2所示，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，经过一段时间后有大量粒子从边界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T2(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( )图2A.T 3B.T 4C.T 6D.T8解析 粒子在磁场中做逆时针方向的圆周运动，由于所有粒子的速度大小相同，故弧长越小，粒子在磁场中运动的时间就越短，由于粒子在磁场中运动的最长时间为T2，沿SA 方向射出的粒子在磁场中运动时间最长，如图所示，作出粒子运动轨迹图，由几何关系可知当粒子在磁场中做圆周运动绕过的弧所对应的弦垂直边界OC 时，粒子在磁场中运动时间最短，由于SD ⊥OC ，则SD ＝12ES ，即弦SD 等于半径O ′D 、O ′S ，相应∠DO ′S ＝60°，即最短时间为t ＝60°360°T ＝T6。
答案 ABC3. (多选)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3所示。
不计重力的影响，则下列关系一定成立的是( )图3A ．若r ＜2mvqB ，则0°＜θ＜90°B ．若r ≥2mv qB ，则t ≥πmqBC ．若t ＝πm qB ，则r ＝2mvqB D ．若r ＝2mv qB，则r ＝πmqB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 ＝πm qB ，则r ≥2mv qB ，若r ＝2mv qB ，则t ＝πmqB，C 错，D 对。
答案 AD▲(多选)如图所示，MN 、PQ 之间存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁场区域水平方向足够长，MN 、PQ 间距为L ，现用电子枪将电子从O 点垂直边界MN 射入磁场区域，调整电子枪中的加速电压可使电子从磁场边界不同位置射出。
a 、b 、c 为磁场边界上的三点，下列分析正确的是( )A ．从a 、b 、c 三点射出的电子速率关系为v a ＜v b ＜v cB ．从a 、b 、c 三点射出的电子速率关系为v a ＜v c ＜v bC ．若从边界MN 射出的电子出射点与O 点的距离为s ，则无论怎样调整加速电压，必有0＜s ＜2LD ．若从边界PQ 射出的电子出射点与O 点的距离为s ，则无论怎样调整加速电压，必有L ＜s ＜2L解析 画出轨迹圆可知，从a 、b 、c 三点射出的电子的半径关系为R a ＜R b ＜R c ，由R ＝mvBq，知v a ＜v b ＜v c ，A 对，B 错；电子垂直于边界MN 射入磁场，能从边界MN 射出，其轨迹的最大圆与边界PQ 相切，则无论怎样调整加速电压，必有0＜s ＜2L ，C 对；若电子从边界PQ 射出，其轨迹的最小圆也与边界PQ 相切，则无论怎样调整加速电压，必有L ＜s ＜2L ，D 错。
答案 AC能力提高练4.如图4所示，两个同心圆，半径分别为r 和2r ，在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B 。
圆心O 处有一放射源，放出粒子的质量为m 、带电量为q ，假设粒子速度方向都和纸面平行。
图4(1)图中箭头表示某一粒子初速度的方向，OA 与初速度方向夹角为60°，要想使该粒子经过磁场后第一次通过A 点，则初速度的大小是多少？ (2)要使粒子不穿出环形区域，则粒子的初速度不能超过多少？ 解析甲(1)如图甲所示，设粒子在磁场中的轨道半径为R 1，则由几何关系得R 1＝3r 3又qv 1B ＝m v 21R 1得v 1＝3Bqr3m。
(2)如图乙所示，设粒子轨迹与磁场外边界相切时，粒子在磁场中的轨道半径为R 2，则由几何关系有乙(2r －R 2)2＝R 22＋r 2可得R 2＝3r4又qv 2B ＝m v 22R 2可得v 2＝3Bqr4m故要使粒子不穿出环形区域，粒子的初速度不能超过3Bqr4m。
答案 (1)3Bqr 3m (2)3Bqr4m5．(2014·广东卷，36)如图5所示，足够大的平行挡板A 1、A 2竖直放置，间距6 L ，两板间存在两个方向相反的匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ，以水平面MN 为理想分界面。
Ⅰ区的磁感应强度为B 0，方向垂直纸面向外。
A 1、A 2上各有位置正对的小孔S 1、S 2，两孔与分界面MN 的距离为L 、质量为m 、电量为＋q 的粒子经宽度为d 的匀强电场由静止加速后，沿水平方向从S 1进入Ⅰ区，并直接偏转到MN 上的P 点，再进入Ⅱ区、P 点与A 1板的距离是L 的k 倍。
不计重力，碰到挡板的粒子不予考虑。
图5(1)若k ＝1，求匀强电场的电场强度E;(2)若2<k <3，且粒子沿水平方向从S 2射出，求出粒子在磁场中的速度大小v 与k 的关系式和Ⅱ区的磁感应强度B 与k 的关系式。
解析 (1)若k ＝1，则有MP ＝L ，①即该情况粒子的轨迹半径为R ＝L ，②粒子做匀速圆周运动，其向心力由洛伦兹力提供：qvB 0＝m v 2R③v ＝qB 0R m④粒子在匀强电场中，据动能定理有：qEd ＝12mv 2⑤解得：E ＝qB 20L22dm⑥(2)由于P 距离A 1为kL ，且2<k <3，粒子从S 2水平飞出，该粒子运动轨迹如图所示，则根据从S 1到P 处的轨迹由几何关系得R ′2－(kL )2＝(R ′－L )2⑦又由qvB 0＝m v 2R ′⑧则整理得v ＝qB 0L 1＋k 22m⑨又由题意及轨迹图得6L －2kL ＝PQ⑩据几何关系，由相似三角形得kL PQ 2＝R ′r⑪又有qvB ＝m v 2r⑫解得Ⅱ区磁场与k 关系为B ＝kB 03－k⑬答案 (1)qB 20L 22dm (2)v ＝qB 0 L ＋k 2L 2m B ＝kB 03－k▲如图甲所示，一个质量为m 、电荷量为＋q 的微粒(不计重力)，初速度为零，经两金属板间电场加速后，沿y 轴射入一个边界为矩形的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里。
磁场的四条边界分别是y ＝0，y ＝a ，x ＝－1.5a ，x ＝1.5a 。
两金属板间电压随时间均匀增加，如图乙所示。
由于两金属板间距很小，微粒在电场中运动，时间极短，可认为微粒加速运动过程中电场恒定。
(1)求微粒分别从磁场上、下边界射出时对应的电压范围；(2)微粒从磁场左侧边界射出时，求微粒的射出速度相对进入磁场时初速度偏转角度的范围，并确定在左边界上出射范围的宽度d 。
解析 (1)当微粒运动轨迹与上边界相切时，由图甲中几何关系可知R 1＝a微粒做圆周运动，有qv 1B ＝mv 21R 1微粒在电场中加速qU 1＝12mv 21由以上各式可得U 1＝qB 2a 22m所以微粒从上边界射出的电压范围为U 1′＞qB 2a 22m当微粒由磁场区域左下角射出时，由图乙中几何关系可知R 2＝0.75a微粒做圆周运动，有qv 2B ＝mv 22R 2微粒在电场中加速qU 2＝12mv 22由以上各式可得U 2＝9qB 2a232m所以微粒从下边界射出的电压范围为0＜U 2′≤9qB 2a232m(2)当微粒运动轨迹与上边界相切时，如图丙所示， sin ∠AO 1C ＝AC AO 1＝0.5a a ＝12，所以∠AO 1C ＝30° 由图丙中几何关系可知此时速度方向偏转120°，微粒由左下角射出磁场时，速度方向偏转180°，所以微粒的速度偏转角度范围为120°～180°，左边界上出射范围宽度d ＝R 1cos 30°＝32a 。
答案 (1)从上边界射出的电压范围为U 1′＞qB 2a 22m从下边界射出的电压范围为0＜U 2′≤9qB 2a 232m3 2a(2)120°～180°。