- 带电粒子在匀强磁场中的运动
- 共240题
18.如图所示,在同一竖直平面内,有两个光滑绝缘的圆形轨道和倾斜轨道相切于B点,将整个装置置于垂直轨道平面向外的匀强磁场中,有一带正电小球从A处由静止释放沿轨道运动,并恰能通过圆形轨道的最高点C,现若撤去磁场,使球仍能恰好通过C点,则释放高度H’与原释放高度H的关系是
正确答案
解析
存在磁场时小球在C点洛伦兹力方向向上有:,撤去磁场后小球在C点的向心力仅由重力提供:
,故撤去磁场后小球在C点的速度需更大v2>v1;根据动能定理小球从A到C洛伦兹力不做功,重力做正功转化为动能有
,故H’ >H选C。
考查方向
1、考查圆周运动中向心力与速度的关系:,以及物体“恰好通过最高点”的物理条件:与物体直接接触的压力或支持力为零,除此之外的力的合力刚好等于物体所需的向心力。
2、考查带电粒子或小球在匀强磁场中洛伦兹力方向的判断及计算公式。
3、考查能量的转化、功能关系及动能定理。
解题思路
1、理解“恰好通过最高点”物理含义,找出起物理条件:与物体直接接触的压力或支持力为零,除此之外的力的合力刚好等于物体所需的向心力。
2、分析撤去磁场后小球恰好通过C点所需的向心力增大,故在C点的速度需增大。
3、根据能量转化关系及动能定理,从A到C重力势能转化为动能,H越大C点的速度越大。
易错点
1、洛伦兹力方向判断:左手定则。
2、对“恰好通过最高点”的理解及其物理条件的分析。
知识点
21.如图甲所示,在空间存在一个变化的电场和一个变化的磁场,电场的方向水平向右(图甲中由B到C),场强大小随时间变化情况如图乙所示;磁感应强度方向垂直于纸面、大小随时间变化情况如图丙所示。在t=1s时,从A点沿AB方向(垂直于BC)以初速度v0射出第一个粒子,并在此之后,每隔2s有一个相同的粒子沿AB方向均以初速度v0射出,并恰好均能击中C点,若AB=BC=L,且粒子由A运动到C的运动时间小于1s。不计重力和空气阻力,对于各粒子由A运动到C的过程中,以下说法正确的是:
正确答案
解析
A选项,带电粒子在1s~2s时间内只有磁场没有电场,故第一个粒子做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力有qv0B0=,根据几何知识可得r=L,故有
;在3s~4s时间内只有电场没有磁场,第二个粒子做类平抛运动有:
,qE0=ma,联立可得
,联立①②可得
,故A选项正确。
B选项,第一个粒子只受磁场力作用,故qv0B0=ma1;第二个粒子只受电场力作用,故qE0=ma2,因为有,故B错误。
C选项,第一个粒子只受磁场力作用,洛伦兹力了不做功,速度不变动能;第二个粒子做类平抛运动有:
,又因为vy=at,所以vy=2v0,
,故Ek1:Ek2=1:5,C错误。
D选项,第一个粒子做的匀速圆周运动,
;第二个粒子做类平抛运动有:因为vy=2v0=at,qE0=ma,
,所以,
,故D选项正确。
考查方向
1、带电粒子在电场中的类平抛运动,带电粒子在磁场中的匀速圆周运动的综合考查。2、考查带电粒子在交变复合场中运动的时间、能量、加速度等。
解题思路
1、分析第一个带电粒子在1s~2s内做匀速圆周运动,第二个粒子在3s~4s内做类平抛运动。
2、根据匀速圆周运动及类平抛运动的基本公式求解速度、动能、加速度、时间等物理量。
类平抛运动的基本公式: 匀速圆周运动的基本公式:
易错点
对各粒子在相应的时间内所做运动类型分析不清楚。
知识点
如图所示,一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面,圆心坐标为(0,R),在柱形区域内加一方向垂直于纸面向里磁感应强度为B的匀强磁场,在磁场右侧有一平行于x轴放置的平行板电容器,两板间距和板长均为2R,N板与x轴重合且接地。一质量为m、电荷量为-q的带电粒子,由坐标原点O以相同速率、不同方向沿纸面射入第一象限后,在射出磁场时粒子的速度都平行于x轴。不计重力。试求:
30.带电微粒在磁场中运动的速度大小?
31.若带电粒子从O点射入磁场时的速度恰与x轴成θ=60º角,则该粒子在磁场中运动的时间为多少?射出磁场时的位置坐标为多少?
32.若使(2)中的带电粒子能够从平行板电容器的右端射出,M板的电势范围为多大?(取N板的电势为零电势。)
正确答案
解析
如图所示,由几何关系可知,轨迹圆的圆心O’、出射点P与O1和O构成菱形,因此粒子在磁场中运动的轨迹半径为R,则
考查方向
1、考查带电粒子在圆形磁场中的运动规律:
①粒子沿半径方向飞入圆形匀强磁场,必沿半径方向飞出磁场
②此聚焦:一束带电粒子以平行的初速度v垂直射入圆形匀强磁场,若带电粒子的轨道半径与磁场圆半径相同,则这些带电粒子将会聚于初速度方向与磁场圆的切点。
③磁发散:速度大小相等的一束带电粒子从圆周上同一点沿不同方向垂直射入圆形匀强磁场,若粒子的轨道半径与磁场圆半径相同,那么所有粒子成平行线离开磁场,而且与磁场圆在入射点的切线方向平行。。
解题思路
根据“粒子都平行于x轴离开磁场”得出带电粒子在磁场中运动的半径等于圆形磁场的半径,根据公式解得带电粒子在磁场中运动的速度。
易错点
对“粒子都平行于x轴离开磁场”的含义理解不透彻。
正确答案
解析
(2) 如图所示,射出磁场的位置坐标为:
考查方向
考查带电粒子在磁场中运动时间的计算:。
解题思路
分析粒子出磁场的偏转角θ=60°,根据公式求解运动时间。
易错点
计算粒子在磁场中运动的时间时,对θ的计算不清楚。
正确答案
(3)
解析
设粒子在两板间运动的时间为t,则 设粒子从板右侧射出时侧向位移的大小为d,则
所以,当粒子从N板的右边缘射出时,d1=则
当粒子从M板的右边缘射出时,d2 =
所以,粒子能够从平行板电容器的右端射出,M板的电势范围为:
考查方向
解题思路
画出带电粒子的运动轨迹、根据几何及物理关系,解得粒子出磁场的位置。计算出带电粒子进入平行板电容器的位置,再分别计算粒子刚好从平行板电容器边缘出磁场时M板的电势,即M板的电势范围。
易错点
对整个运动过程的分析不到位。
质量为m带电量为-q的带电粒子0时刻由a点以初速度v0垂直进入磁场,Ⅰ区域磁场磁感应强度大小不变方向周期性变化如图所示(垂直纸面向里为正方向);Ⅱ区域为匀强电场,方向向上;Ⅲ区域为匀强磁场磁感应强度大小与Ⅰ区域相同均为B0。粒子在Ⅰ区域内一定能完成半圆运动且每次经过mn的时刻均为T0/2整数倍,则
27.粒子在Ⅰ区域运动的轨道半径为多少?
28.若初始位置与第四次经过mn时的位置距离为x,求粒子进入Ⅲ区域时速度的可能值 (初始位置记为第一次经过mn)。
29.在满足(2)的条件下,求电场强度E的大小可能值。
正确答案
(1)r=或 R=
解析
(1)qv0B0=mr=
也可以表示为T0=
R=
考查方向
解题思路
(1)根据洛伦兹力提供向心力可以求出粒子在Ⅰ区域运动的轨道半径
易错点
本题中易错点是带电粒子带负电,洛伦兹力的方向易出错,导致运动轨迹出错,另处一个易错点就是两种情况不易找全。
正确答案
(2)v2=或v2=
-2v0
解析
(2)R=qv2B0=m
解得3区域速度大小:v2=
第二种情况:3区域半径R=
-3区域速度大小v2=
-2v0-
考查方向
解题思路
(2)因为电场区域的宽度没有给出,所以粒子从Ⅰ区域经过Ⅱ区域Ⅲ区域再次回到Ⅰ区域时Ⅰ区域磁场方向不确定,可能和原来同向也可能和原磁场反向,两种情况分别确定半径,然后确定速度。
易错点
本题中易错点是带电粒子带负电,洛伦兹力的方向易出错,导致运动轨迹出错,另处一个易错点就是两种情况不易找全。
正确答案
(3)E=(n=0,1,2......) E=
(n=0,1,2......)
解析
(3)第一种情况:3区域速度大小:v2= 2t=
+nT0Eq=ma-
解得:E=
(n=0,1,2......)第二种情况:3区域速度大小v2=
-2v0
2t=(n+1)T0E=(n=0,1,2......)
考查方向
解题思路
(3)根据牛顿第二定律和运动学公式分别确定两种情况时的电场强度E。
易错点
本题中易错点是带电粒子带负电,洛伦兹力的方向易出错,导致运动轨迹出错,另处一个易错点就是两种情况不易找全。
12.如图甲所示,有一磁感应强度大小为B、垂直纸面向外的匀强磁场,磁场边界OP与水平方向夹角为θ=45°,紧靠磁场右上边界放置长为L、间距为d的平行金属板M、N,磁场边界上的O点与N板在同一水平面上,O1、O2为电场左右边界中点。在两板间存在如图乙所示的交变电场(取竖直向下为正方向)。某时刻从O点竖直向上以不同初速度同时发射两个相同的质量为m、电量为+q的粒子a和b。结果粒子a恰从O1点水平进入板间电场运动,由电场中的O2点射出;粒子b恰好从M板左端边缘水平进入电场。不计粒子重力和粒子间相互作用,电场周期T未知。求:
(1)粒子a、b从磁场边界射出时的速度va、vb;
(2)粒子a从O点进入磁场到O2点射出电场运动的总时间t;
(3)如果金属板间交变电场的周期T=,粒子b从图乙中t=0时刻进入电场,求要使粒子b能够穿出板间电场时E0满足的条件。
正确答案
(1)
(2) t=
(3)
解析
(1)如图所示,粒子a、b在磁场中匀速转过90o,平行于金属板进入电场,
由几何关系可得:,
由牛顿第二定律可得
解得:
(2)粒子a在磁场中运动的轨迹如图所示
在磁场运动的周期为
在磁场运动的时间:
粒子在无电磁场区域做匀速直线运动,所用的时间为
在电场中运动时间为
a粒子全程运动的时间为t= t1+t2+t3=
(3)粒子在磁场中运动的时间相同,a、b同时离开磁场,
a比b进入电场落后的时间为,故粒子b在t=0时刻进入电场,而粒子a在
时刻进入电场。
由于粒子a在电场中从O2射出,在电场中竖直方向位移为0,故a在电场中运动的时间ta是周期的整数倍,由于vb=2va,b在电场中运动的时间是,可见b在电场中运动的时间是半个周期的整数倍,即
故
粒子b在内竖直方向的位移为
粒子在电场中的加速度
由题知 粒子b能穿出板间电场应满足ny≤d
解得
考查方向
1、考查带电物体在交变电场、磁场的复合场中的运动模型。
2、考查带分析电物体在磁场中的匀速圆周运动轨迹及其基本公式计算。匀速圆周运动的基本公式:
3、考查带电粒子在平行板电容器间的类平抛运动及其基本公式
解题思路
1、首先根据几何知识求出带电粒子在磁场中匀速圆周运动的半径,再根据公式:求出粒子出磁场的速度。
2、分析粒子从O出发到从O2离开各阶段的运动类型,根据各阶段的基本公式求解各阶段的时间,得到总时间。
3、对于带电粒子在交变电场中的运动应该先分析带电粒子在一个周期内的运动类型,及运动轨迹,再根据粒子运动轨迹的周期性求解。
易错点
1、对粒子在磁场中的运动类型及轨迹分析不清楚。
2、对公式的选择模糊不清。
3、对粒子在交变电场中的运动轨迹分析不到位。
知识点
15.如图,在xOy平面第一象限内有平行于y轴的匀强 电场和垂直于xOy平面的匀强磁场。一质量为m、带电量为+q的小球从y轴上离坐标原点距离为L的A点处,以沿x正向的初速度v0进入第一象限,小球恰好做匀速圆周运动,并从x轴上距坐标原点L/2的C点离开磁场。求:
(1)匀强电场电场强度E的大小和方向;
(2)磁感应强度B的大小和方向;
(3)如果撤去磁场,并且将电场反向,带电小球仍以相同的初速度从A点进入第一象限,求带电小球到达x轴时的坐标.
正确答案
(1)、 方向 竖直向上
(2)、 方向 垂直xoy平面向外
(3)、
解析
解:(1)由带电小球做匀速圆周运动知,mg=Eq
所以 方向 竖直向上
(2)带电小球做匀速圆周运动时,洛仑兹力提供向心力
qv0B =mv02/R
B=mv0/(qR )
由圆周运动轨迹分析得 (L-R)2+()2=R2
R=5L/8
代入得
(3)电场反向后竖直方向受力 Eq+mg=ma
a=2g
小球做类平抛运动有X=v0t ,
得
考查方向
解题思路
见解析
易错点
第(3)问,合力恒定并且垂直初速度,所以小球做类平抛运动。
知识点
12.如图所示的竖直直角坐标平面xoy内有两条过原点的射线OA和OB与x轴的正半轴和负半轴都成45°角,在x轴上方∠AOB区域间分布着方向垂直纸面向外大小为B1的匀强磁场,在x轴的下方存在着方向垂直纸面向外大小为B2的匀强磁场,现有一质量为m,带电量为+q的带电粒子以速度v从位于直线OA上的P(L,L)点竖直向下射出,经过测量发现,此粒子每经过相同的时间T会回到P点,(不计粒子重力)
(1)求出匀强磁场之比;
(2)求粒子相邻两次经过P点的时间间隔T;
(3)若保持不变,而
间的磁场方向不变,现从P点向下发射两个速度在
范围内与原来相同的带电粒子(不计两个粒子间的相互作用力),它们进入
间的匀强磁场后都要经过P点,求
间的磁感应强度的
的大小。
(4)请判断:题(3)中若从点向下发射的是一群速度在
范围内与原来比荷相同的带电粒子(不计粒子间的相互作用力)它们进入
的匀强磁场后能否都经过
点。(不需要写理由)
正确答案
(1)1
(2)
(3)
(4)能
解析
(1)由P点射出的粒子先做匀速直线运动进入匀强磁场中,
设匀速圆周运动的半径为,
由
粒子每经过相同时间T会回到P点必满足在匀强磁场中
半径大小为
,
故有
(2)带电粒子在无匀强磁场运动的时间为;
在匀强磁场中运动时
;
在匀强磁场中运动时间为
故求两次粒子相邻两次经过P点的时间间隔
(3)从P点向下发射速度为满足范围为
与原来相同的带电粒子,由于保持
不变,当速度
时半径为
,则速度为
的粒子必定经过半个周期后在x轴正半轴间返回
间磁场,如图2所示,
进入匀强磁场后都要经过P点,则在
磁场中运动的半径为
磁场中运动半径的两倍,即
即
(4)能
考查方向
解题思路
根据粒子的运动状态,利用洛伦兹力提供向心力求出粒子在不同磁场中的运动半径,得到磁感应强度B的比值,分别求出不同条件下的运动时间,从而得到两次粒子相邻两次经过P点的时间间隔;利用计算结果判断粒子运动的可能性。
易错点
运动轨迹的推断,利用计算结论推断粒子运动情况。
知识点
如图所示,长L=0.125 m、质量M=30g的绝缘薄板置于倾角为θ=37°的斜面PM底端P, PN是垂直于PM的挡板,斜面与薄板间的动摩擦因数μ0=0.8 .质量m=10g、带电荷量q=+2.5×10-3C可视为质点的小物块放在薄板的最上端,薄板和物块间的动摩擦因数μ=0.5,所在空间加有一个方向垂直于斜面向下的匀强电场E.现对薄板施加一平行于斜面向上的拉力F=0.726N,当物块即将离开薄板时,立即将电场E方向改为竖直向上,同时增加一个垂直纸面向外B=6.0T足够大的匀强磁场,并撤去外力F,此时小物块刚好做匀速圆周运动. 设最大静摩擦力与滑动摩擦力相同,不考虑因空间电、磁场的改变而带来的其它影响,斜面和挡板PN均足够长.取g=10 m/s2,sin37=0.6.求:
26.电场强度E的大小;
27.小物块从开始运动至脱离薄板所需要的时间;
28.物块第一次击中挡板PN的位置。
正确答案
(1)40N/C
解析
因物块能在竖直面内做匀速圆周运动,所以必有:得场强大小
,代入数据得E=40N/C。
考查方向
解题思路
根据“刚好做匀速圆周运动”得出:重力等于电场力,求得电场强度E的大小。
易错点
对“刚好做匀速圆周运动”的物体条件不清楚。2、对物体的运动轨迹分析不准确。3、在计算时间时,对运动学的公式选择不当。
正确答案
(2)0.5s
解析
分别对物块、薄板进行受力分析,写出牛顿第二运动定律的表达式,求出各自的加速度,根据加速度运用运动学的基本公式,及空间位置关系:,求解时间t。
考查方向
解题思路
分别对物块、薄板进行受力分析,写出牛顿第二运动定律的表达式,求出各自的加速度,根据加速度运用运动学的基本公式,及空间位置关系:,求解时间t。
易错点
对“刚好做匀速圆周运动”的物体条件不清楚。2、对物体的运动轨迹分析不准确。3、在计算时间时,对运动学的公式选择不当。
正确答案
(3) 距P点的距离为:1.87m
解析
物块即将离开薄板时,物块发生的位移:=0.375m,物块的速度:
=1.5m/s期间薄板发生的位移:
=0.5m,速度
=2m/s物块离开薄板后,在竖直面内做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律:
得物块做匀速圆周运动的半径:r=1.0m由几何关系得物块第一次击中PN的位置距P点的距离为:
=1.87m
考查方向
解题思路
分析物块所受洛伦兹力的方向,根据公式求得物块匀速圆周运动的半径,画出物块的运动轨迹,根据几何关系求解击中挡板PN的位置。
易错点
对“刚好做匀速圆周运动”的物体条件不清楚。2、对物体的运动轨迹分析不准确。3、在计算时间时,对运动学的公式选择不当。
21.一半径为R的圆柱形区域内存在垂直于端面的匀强磁场,磁感应强度大小为B,其边缘放置一特殊材料制成的圆柱面光屏。一粒子源处在光屏狭缝S处,能向磁场内各个方向发射相同速率的同种粒子,粒子的比荷为,不计重力及粒子间的相互作用。以下判断正确的是
正确答案
解析
由于是一群离子向各个方向发射,即以粒子运动的直径为半径扫过区域就是粒子能够到达的区域。A选项,若荧光屏上各个部位均有光点,即离子运动的2r>2R,根据洛伦兹力提供向心力有:qvB=得,
,所以
>2R,故
,故错误。
B选项,若仅光屏上有粒子打上,根据几何知识可知:离子运动的直径
R=
,所以v=
,B选项正确。C选项,若仅
光屏上有粒子打上,根据几何知识可知:离子运动的直径2r=R,
,所以
,C选项正确。
D选项,若仅光屏上有粒子打上,根据几何知识可知:离子运动的直径
,
,所以
,故错误。
考查方向
1、考查带电粒子群在匀强磁场中的匀速圆周运动及运动轨迹的分析计算。
2、考查带电粒子群在匀强磁场中运动半径的计算,及分析、计算带电粒子做匀速圆周运动的轨迹与几何知识的结合。
解题思路
1、首先根据几何知识,找出带电粒子打在光屏上的区域面积与带电粒子群运动的轨道半径点的关系,计算出带电粒子运动轨道半径。
2、再根据洛伦兹力提供向心力:qvB=,计算出带电粒子运动的速率。
易错点
1、不清楚一个带电粒子与一群带电粒子在匀强磁场中运动的区别。
2、对带电粒子匀速圆周运动的几何轨不清楚。
知识点
18.如图所示,两平行金属板AB中间有互相垂直的匀强电场和匀强磁场。A板带正电荷,B板带等量负电荷,电场强度为E;磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度为B1。平行金属板右侧有一挡板M,中间有小孔O′,OO′是平行于两金属板的中心线。挡板右侧有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B2。CD为磁场B2边界上的一足够长的绝缘板,它与M板的夹角θ=45°,的长度为
,现有大量质量均为m,含有各种不同电荷量、不同速度、不同电性的带电粒子(不计重力),自O点沿OO′方向进入电磁场区域,其中有些粒子沿直线OO′方向运动,并进入匀强磁场B2中,求:
(1)进入匀强磁场B2的带电粒子的速度;
(2)若其中某一带正电的粒子恰好不从CD边界射出,则该粒子所带电荷量为多少;
(3)绝缘板CD上被带电粒子击中区域的长度。
正确答案
(1)v=
(2)q=(+1)
(3)x=r2-r1=2a
解析
(1)沿直线OO′ 运动的带电粒子,设进入匀强磁场B2的带电
粒子的速度为v, 根据qvB1=qE 解得:v=
(2)粒子进入匀强磁场B2中做匀速圆周运动,根据qvB2=m,
由几何关系: r1+r1=a, 解得:r1=(
-1)a.
电荷量q=(+1)
(3)带负电的粒子在磁场B2中向上偏转,某带负电粒子轨迹与CD相切,如图所示,
设半径为r2,依题意r2+a=r2 解得:r2= (
+1)a
则CD板上被带电粒子击中区域的长度为x=r2-r1=2a
考查方向
解题思路
(1)根据电场力与洛伦兹力相等,即可求出进入匀强磁场B2的带电粒子的速度;
(2)根据洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律即可得带电量多少,再由几何关系可确定电荷量的最大值;
(3)根据运动轨迹的几何特性,结合几何关系即可求解.
易错点
运动过程,运动状态不清楚。
知识点
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