江苏专用2018版高考物理大一轮复习第八章磁场第3讲带电粒子在复合场中的运动
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第3讲 带电粒子在复合场中的运动
1.如图1所示,在两个水平放置的平行金属板之间,电场和磁场的方向相互垂直.一束带电粒子(不计重力)沿着直线穿过两板间的空间而不发生偏转.则这些粒子一定具有相同的 ( ).
图1
A .质量m
B .电荷量q
C .运动速度v
D .比荷q m
解析 因粒子运动过程中所受电场力与洛伦兹力与速度方向垂直,则粒子能沿直线运动时必是匀速直线运动,电场力与洛伦兹力相平衡,即qE =Bqv ,可得v 是一定值,则C 正确.
答案 C
2.如图2所示,一束正离子从s 点沿水平方向射出,在没有偏转电场、磁场时恰好击中荧光屏上的坐标原点O ;若同时加上电场和磁场后,正离子束最后打在荧光屏上坐标系的第Ⅲ象限中,则所加电场E 和磁场B 的方向可能是(不计离子重力及其间相互作用力)
( ).
图2
A .E 向下,
B 向上
B .E 向下,B 向下
C .E 向上,B 向下
D .
E 向上,B 向上
解析 离子打在第Ⅲ象限,相对于原点O 向下运动和向左运动,所以E 向下,B 向上.所以A 正确.
答案 A
3.有一带电荷量为+q 、重为G 的小球,从竖直的带电平行板上方h 处自由落下,两极板间匀强磁场的磁感应强度为B ,方向如图3所示,则带电小球通过有电场和磁场的空间时( )
图3
A .一定做曲线运动
B .不可能做曲线运动
C .有可能做匀速运动
D .有可能做匀加速直线运动
解析 带电小球在重力场、电场和磁场中运动,所受重力、电场力是恒力,但受到的洛伦兹力是随速度的变化而变化的变力,因此小球不可能处于平衡状态,也不可能在电、磁场中做匀变速运动.
答案 A
4.如图4是质谱仪的工作原理示意图.带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器.速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B 和E .平板S 上有可让粒子通过的狭缝P 和记录粒子位置的胶片A 1A 2.平板S 下方有强度为B 0的匀强磁场.下列表述正确的是 ( ).
图4
A .质谱仪是分析同位素的重要工具
B .速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C .能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于E B
D .粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ,粒子的荷质比越小
解析 粒子先在电场中加速,进入速度选择器做匀速直线运动,最后进入磁场做匀速圆周运动.在速度选择器中受力平衡:qE =qvB 得v =E B ,方向由左手定则可知磁场方向垂
直纸面向外,B 、C 选项正确.进入磁场后,洛伦兹力提供向心力,由qvB 0=mv 2R
得,R =mv qB 0
,所以荷质比不同的粒子偏转半径不一样,所以,A 项正确、D 项错. 答案 ABC
5.如图5所示,一个质量为m 、电荷量为q 的带电小球从M 点自由下落,M 点距场区边界PQ 高为h ,边界PQ 下方有方向竖直向下、电场强度为E 的匀强电场,同时还有垂直于纸面的匀强磁场,小球从边界上的a 点进入复合场后,恰能做匀速圆周运动,并从边界上的b 点穿出,重力加速度为g ,不计空气阻力,则以下说法正确的是
( ).
图5
A .小球带负电荷,匀强磁场方向垂直于纸面向外
B .小球的电荷量与质量的比值q m =g E
C .小球从a 运动到b 的过程中,小球和地球系统机械能守恒
D .小球在a 、b 两点的速度相同
解析 带电小球在磁场中做匀速圆周运动,则qE =mg ,选项B 正确;电场方向竖直向下,则可知小球带负电,由于小球从b 点射出,根据左手定则可知磁场垂直纸面向里,选项A 错误;小球运动过程中,电场力做功,故小球和地球系统的机械能不守恒,只是a 、b 两点机械能相等,选项C 错误;小球在a 、b 两点速度方向相反,故选项D 错误. 答案 B
6.如图6所示,三个带相同正电荷的粒子a 、b 、c (不计重力),以相同的动能沿平行板电容器中心线同时射入相互垂直的电磁场中,其轨迹如图所示,由此可以断定
( ).
图6
A .三个粒子中,质量最大的是c ,质量最小的是a
B .三个粒子中,质量最大的是a ,质量最小的是c
C .三个粒子中动能增加的是c ,动能减少的是a
D .三个粒子中动能增加的是a ,动能减少的是c
解析 本题考查同一电、磁叠加场中不同带电粒子的偏转问题.因为b 粒子没有偏转,可知b 粒子受到的电场力和磁场力是一对平衡力.根据电性和磁场方向,可以判断电场力方向向下,洛伦兹力方向向上.对于a 粒子,qv a B >Eq ;对于c 粒子,qv c B 答案 AC 7.利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领 域.如图7是霍尔元件的工作原理示意图,磁感应强度B 垂直于霍尔元件的工作面向下,通入图示方向的电流I ,CD 两侧面会形成电势差U CD ,下列说法中正确的是( ) 图7 A .电势差U CD 仅与材料有关 B .若霍尔元件的载流子是自由电子,则电势差U CD <0 C .仅增大磁感应强度时,电势差U C D 变大 D .在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持水平 解析 根据q U d =qBv ,得U =Bdv ,所以电势差U CD 取决于B 、d 、v ,故A 错误、C 正确.电子带负电,根据左手定则,可确定B 正确.赤道上方地磁场磁感线方向是水平的,而霍尔元件的工作面需要和磁场方向垂直,故工作面应竖直放置,D 错误. 答案 BC 8.如图8甲所示,在xOy 平面内有足够大的匀强电场,电场方向竖直向上,电场强度E =40 N/C ,在y 轴左侧平面内有足够大的瞬时磁场,磁感应强度B 1随时间t 变化的规律如图乙所示,15π s 后磁场消失,选定磁场垂直纸面向里为正方向.在y 轴右侧平面内还有方向垂直纸面向外的恒定的匀强磁场,分布在一个半径为r =0.3 m 的圆形区域(图中未画出),且圆的左侧与y 轴相切,磁感应强度B 2=0.8 T .t =0时刻,一质量m =8×10-4 kg 、电荷量q =2×10-4 C 的微粒从x 轴上x P =-0.8 m 处的P 点以速度v =0.12 m/s 向x 轴正方向入射.(g 取10 m/s 2,计算结果保留两位有效数字) 甲 乙 图8 (1)求微粒在第二象限运动过程中离y 轴、x 轴的最大距离. (2)若微粒穿过y 轴右侧圆形磁场时,速度方向的偏转角度最大,求此圆形磁场的圆心坐标(x ,y ). 解析 (1)因为微粒射入电磁场后受到的电场力 F 电=Eq =8×10-3 N , G =mg =8×10-3 N F 电= G ,所以微粒在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动 因为qvB 1=m v 2 R 1 所以R 1=mv B 1q =0.6 m T =2πm B 1q =10π s 从图乙可知在0~5 π s 内微粒向左做匀速圆周运动 在5π s ~10π s 内微粒向左匀速运动,运动位移 x 1=v T 2 =0.6π m 在10π s ~15π s 内,微粒又做匀速圆周运动,15π s 以后向右匀速运动,之后穿过y 轴.所以,离y 轴的最大距离 s =0.8 m +x 1+R 1=1.4 m +0.6π m≈3.3 m 离x 轴的最大距离s ′=2R 1×2=4R 1=2.4 m (2)如图,微粒穿过圆形磁场要求偏转角最大,入射点A 与出射点B 的连线必须为磁场圆的直径 因为qvB 2=mv 2 R 2 所以R 2=mv B 2q =0.6 m =2r 所以最大偏转角θ=60° 所以圆心坐标x =0.30 m y =s ′-r cos 60°=2.4 m -0.3 m×12≈2.3 m, 即磁场的圆心坐标为(0.30,2.3) 答案 (1)3.3 m,2.4 m (2)(0.30,2.3) 9.如图9所示,带电平行金属板相距为2R ,在两板间有垂直纸面向里、磁感应强度为B 的 圆形匀强磁场区域 ,与两板及左侧边缘线相切.一个带正电的粒子(不计重力)沿两板间中心线O 1O 2从左侧边缘O 1点以某一速度射入,恰沿直线通过圆形磁场区域,并从极板边缘飞出,在极板间运动时间为t 0.若撤去磁场,质子仍从O 1点以相同速度射入,则经t 02 时间打到极板上. 图9 (1)求两极板间电压U ; (2)若两极板不带电,保持磁场不变,该粒子仍沿中心线O 1O 2从O 1点射入,欲使粒子从两板左侧间飞出,射入的速度应满足什么条件? 解析 (1)设粒子从左侧O 1点射入的速度为v 0,极板长为L ,粒子在初速度方向上做匀速直线运动 L ∶(L -2R )=t 0∶t 02 ,解得L =4R 粒子在电场中做类平抛运动:L -2R =v 0·t 02 a =qE m R =12a (t 02 )2 在复合场中做匀速运动:q U 2R =qv 0B 联立各式解得v 0=4R t 0,U =8R 2 B t 0 (2)设粒子在磁场中做圆周运动的轨迹如图所示,设其轨道半径为r ,粒子恰好从上极板左边缘飞出时速度的偏转角为α,由几何关系可知:β=π-α=45°,r +2r =R 因为R =12qE m (t 02 )2, 所以qE m =qv 0B m =8R t 20 根据牛顿第二定律有qvB =m v 2r , 解得v =2 2-1 R t 0 所以,粒子在两板左侧间飞出的条件为0 答案 (1)8R 2 B t 0 (2)0 10.如图10一半径为R 的圆表示一柱形区域的横截面(纸面).在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场,一质量为m 、电荷量为q 的粒子沿图中直线在圆上的a 点射入柱形区域, 在圆上的b 点离开该区域,离开时速度方向与直线垂直.圆心O 到直线的距离为35 R .现将磁场换为平行于纸面且垂直于直线的匀强电场,同一粒子以同样速度沿直线在a 点射入柱形区域,也在b 点离开该区域.若磁感应强度大小为B ,不计重力,求电场强度的大小. 图10 解析 粒子在磁场中做圆周运动,设圆周的半径为r .由牛顿第二定律和洛仑兹力公式得qvB =m v 2r ① 式中v 为粒子在a 点的速度 过b 点和O 点作直线的垂线,分别与直线交于c 和d 点,由几何关系知,线段ac 、bc 和过a 、b 两点的轨迹圆弧的两条半径(未画出)围成一正方形. 因此ac =bc =r ② 设cd =x ,由几何关系得ac =45 R +x ③ bc =35 R +R 2-x 2④ 联立②③④式得r =75 R ⑤ 再考虑粒子在电场中的运动.设电场强度的大小为E ,粒子在电场中做类平抛运动,设其加速度大小为a ,由牛顿第二定律和带电粒子在电场中的受力公式得 qE =ma ⑥ 粒子在电场方向和直线方向所走的距离均为r ,由运动学公式得 r =12at 2⑦ r =vt ⑧ 式中t 是粒子在电场中运动的时间.联立①⑤⑥⑦⑧式得 E =14qB 2R 5m ⑨ 答案 14qB 2R 5m
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