专题07 带电粒子在复合场中的运动 【练】（原卷版）

专题07带电粒子在复合场中的运动

一、单选题

1．（2022·河北邯郸·二模）如图所示，氕、氘、氚三种核子分别从静止开始经过同一加速电压（图中未画出）加速，再经过同一偏转电压偏转后进入垂直于纸面向里的有界匀强磁场，氕的运动轨迹如图。则氕、氘、氚三种核子射入磁场的点和射出磁场的点间距最大的是（　　）

A．氕 B．氘 C．氚 D．无法判定

2．（2022·北京·清华附中模拟预测）半导体芯片制造中，常通过离子注入进行掺杂来改变材料的导电性能。如图是离子注入的工作原理示意图，离子经电场加速后沿水平方向进入速度选择器，通过速度选择器的离子经过磁分析器和偏转系统，注入水平面内的晶圆（硅片）。速度选择器中的电场强度的大小为E、方向竖直向上。速度选择器、磁分析器中的磁感应强度方向均垂直纸面向外，大小分别为B1、B2。偏转系统根据需要加合适的电场或者磁场。磁分析器截面的内外半径分别为R1和R2，入口端面竖直，出口端面水平，两端中心位置M和N处各有一个小孔；偏转系统下边缘与晶圆所在水平面平行，当偏转系统不加电场及磁场时，离子恰好竖直注入到晶圆上的O点（即图中坐标原点）。整个系统置于真空中，不计离子重力及其进入加速电场的初速度。下列说法正确的是（　　）

A．可以利用此系统给晶圆同时注入带正电离子和带负电的离子

B．从磁分析器下端孔N离开的离子，其比荷为

C．如果偏转系统只加沿x轴正方向的磁场，则离子会注入到x轴正方向的晶圆上

D．只增大加速电场的电压，可使同种离子注入到晶圆更深处

3．（2022·福建龙岩·三模）扫描机器是医院常用的检测仪器，图示是某种机主要部分的剖面图。电子束从电子枪射出，进入两极之间的加速电场，加速后进入由偏转线圈产生的偏转磁场，磁场方向垂直于纸面。电子束沿带箭头的实线所示的方向前进，最终打到靶上P点，产生的射线（如图中带箭头的虚线所示）照射受检人员后到达探测器。下列说法正确的是（　　）

A．偏转磁场的方向垂直于纸面向外

B．靶产生的射线是由于原子的内层电子受电子束的激发而产生的

C．若只减小偏转磁场的磁感应强度大小，P点一定向左移

D．若同时增大之间的加速电压和偏转磁场的磁感应强大小，P点一定向左移

4．（2022·北京密云·一模）如图为洛伦兹力演示仪的结构图，励磁线圈产生的匀强磁场方向垂直纸面向外，电子束由电子枪产生，其速度方向与磁场方向垂直。电子速度大小可通过电子枪的加速电压来控制，磁感应强度可通过励磁线圈的电流来调节。下列说法正确的是（　　）

A．仅增大电子枪的加速电压，电子束径迹的半径变小

B．仅增大电子枪的加速电压，电子做圆周运动的周期变大

C．仅增大励磁线圈的电流，电子束径迹的半径变小

D．同时增大电子枪的加速电压和励磁线圈的电流，电子做圆周运动的周期可能不变

5．（2022·福建省福州第一中学模拟预测）如图，一质谱仪由加速电场、静电分析器、磁分析器构成。静电分析器通道的圆弧中心线半径为R，通道内有均匀辐向电场，中心线处的场强大小为E；半圆形磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场。要让质量为m、电荷量为q的粒子（不计重力），由静止开始从M板经加速电场加速后沿圆弧中心线通过静电分析器，再由P点垂直磁场边界进入磁分析器，最终打到胶片上，则（　　）

A．若q<0，则辐向电场的方向与图示方向相反，且磁分析器中磁场方向垂直于纸面向外

B．电荷量相同的粒子都能打在胶片上的同一点

C．加速电场的电压U需满足的关系为U=ER

D．粒子打在胶片上的位置Q到P点的距离为

6．（2022·河南·三模）如图所示，距离为d的两平行金属板P、Q放置在左、右两磁极之间，两磁极之间的磁场可看作是匀强磁场，磁感应强度大小为B。一束速度大小为v的等离子体垂直于磁场且平行于金属板沿图示方向喷入板间，不计等离子体中粒子的重力及粒子间的相互作用，下列说法正确的是（　　）

A．若左侧磁极为N极，则金属板P带正电荷，金属板P、Q间的电压为

B．若左侧磁极为S极，则金属板Q带正电荷，金属板P、Q间的电压为Bdv

C．若其他条件保持不变，仅增加平行金属板的长度，则可以增大金属板P、Q间的电压

D．若其他条件保持不变，仅增加等离子体的喷射速度，则可以增大金属板P、Q间的电压

7．（2022·福建·模拟预测）智能手机中的电子指南针利用了重力传感器和霍尔元件来确定地磁场的方向。某个智能手机中固定着一个矩形薄片霍尔元件，四个电极分别为E、F、M、N，薄片厚度为h，在E、F间通入恒定电流I、同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，M、N间的电压为，已知半导体薄片中的载流子为正电荷，电流与磁场的方向如图所示。单位体积内正电荷的个数为n，若仅某一物理量变化时，下列图像可能正确的是（　　）

A． B． C． D．

8．（2022·河北·衡水市第二中学模拟预测）2022年4月7日《科学》杂志的封面文章爆出了一条引发物理学界震动的大新闻，科学家们对W玻色子的质量进行了高精度测量。这种基本粒子间是弱相互作用，在自然界不能稳定存在或不单独存在。物理学家们只能利用高能粒子加速器中的粒子与靶物质相互碰撞，才能让他们出现在观察视野进而进行研究，由于W玻色子被打出后会迅速发生β衰变，产生电子、缪子或者反中微子等。科学家们能对产生的粒子动量分布研究推出W玻色子的质量，则下列有关说法错误的是（　　）

A．W玻色子发生β衰变的半衰期与外界的温度和压强无关

B．可衰变为，它发生的衰变与W玻色子衰变相同

C．自然界中存在万有引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用力四种基本作用

D．如果高能粒子加速器是回旋加速器，所加高频电压越大，其获得的速度大小越大

二、多选题

9．（2022·辽宁丹东·二模）如图所示，在直角坐标系xOy的第一象限内有一虚线，虚线与x轴正方向间夹角θ=30°。虚线上方有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B=0.75×10-3T。虚线下方到第四象限内有与虚线平行、电场强度E=20N/C的匀强电场。一比荷的带电粒子从y轴正半轴上的P点以速度 沿x轴正方向射入磁场，粒子进入磁场后，从虚线上的M点（M点图中未画出）垂直虚线方向进入电场（不计重力），则（　　）

A．该带电粒子一定带正电

B．OM之间的距离为2m

C．粒子第一次穿过虚线后与x轴间的最小距离约为0.98m

D．粒子第一次穿过虚线后能击中x轴

10．（2022·云南昆明·一模）如图甲所示的平行金属极板MN之间存在交替出现的匀强磁场和匀强电场，取垂直纸面向外为磁场正方向，磁感应强度随时间周期性变化的规律如图乙所示，取垂直极板向上为电场正方向，电场强度随时间周期性变化的规律如图丙所示。时，一不计重力、 带正电的粒子从极板左端以速度沿板间中线平行极板射入板间，最终平行于极板中线射出，已知粒子在时速度为零，且整个运动过程中始终未与两极板接触，则下列说法正确的是（　　）

A．粒子可能在时刻射出极板 B．极板间距不小于

C．极板长度为（，，） D．

11．（2022·甘肃·二模）如图所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源的两极上，使a、b两板间产生匀强电场（场强大小为E），右边有一块挡板，正中间开有一小孔d，在较大空间范围内存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里。从两板左侧中点c处射入一束离子（不计重力），这些离子都沿直线运动到右侧，从孔射出后分成三束，则下列判断正确的是（　　）

A．这三束离子带电可正可负

B．这三束离子的比荷一定不相同

C．a、b两板间的匀强电场方向一定由a板指向b板

D．若这三束离子的比荷变化而其他条件不变，则仍能从d孔射出

12．（2022·湖南师大附中一模）2020年爆发了新冠肺炎疫情，新冠病毒传播能力非常强，在医院中需要用到呼吸机和血流计检测患者身体情况。血流计原理可以简化为如图所示模型，血液内含有少量正、负离子，从直径为d的血管右侧流入，左侧流出。流量值Q等于单位时间通过横截面的液体的体积。空间有垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场，M、N两点之间可以用电极测出电压U。下列说法正确的是（　　）

A．负离子所受洛伦兹力方向由M指向N

B．血液中正离子多时，M点的电势高于N点的电势

C．血液中负离子多时，M点的电势低于N点的电势

D．血液流量

三、解答题

13．（2022·北京·高考真题）指南针是利用地磁场指示方向的装置，它的广泛使用促进了人们对地磁场的认识。现代科技可以实现对地磁场的精确测量。

（1）如图1所示，两同学把一根长约10m的电线两端用其他导线连接一个电压表，迅速摇动这根电线。若电线中间位置的速度约10m/s，电压表的最大示数约2mV。粗略估算该处地磁场磁感应强度的大小B地；

（2）如图2所示，一矩形金属薄片，其长为a，宽为b，厚为c。大小为I的恒定电流从电极P流入、从电极Q流出，当外加与薄片垂直的匀强磁场时，M、N两电极间产生的电压为U。已知薄片单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e。求磁感应强度的大小B；

（3）假定（2）中的装置足够灵敏，可用来测量北京地区地磁场磁感应强度的大小和方向，请说明测量的思路。

14．（2022·浙江·高考真题）如图为研究光电效应的装置示意图，该装置可用于分析光子的信息。在xOy平面（纸面）内，垂直纸面的金属薄板M、N与y轴平行放置，板N中间有一小孔O。有一由x轴、y轴和以O为圆心、圆心角为90°的半径不同的两条圆弧所围的区域Ⅰ，整个区域Ⅰ内存在大小可调、方向垂直纸面向里的匀强电场和磁感应强度大小恒为B1、磁感线与圆弧平行且逆时针方向的磁场。区域Ⅰ右侧还有一左边界与y轴平行且相距为l、下边界与x轴重合的匀强磁场区域Ⅱ，其宽度为a，长度足够长，其中的磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小可调。光电子从板M逸出后经极板间电压U加速（板间电场视为匀强电场），调节区域Ⅰ的电场强度和区域Ⅱ的磁感应强度，使电子恰好打在坐标为（a+2l，0）的点上，被置于该处的探测器接收。已知电子质量为m、电荷量为e，板M的逸出功为W0，普朗克常量为h。忽略电子的重力及电子间的作用力。当频率为ν的光照射板M时有光电子逸出，

（1）求逸出光电子的最大初动能Ekm，并求光电子从O点射入区域Ⅰ时的速度v0的大小范围；

（2）若区域Ⅰ的电场强度大小，区域Ⅱ的磁感应强度大小，求被探测到的电子刚从板M逸出时速度vM的大小及与x轴的夹角；

（3）为了使从O点以各种大小和方向的速度射向区域Ⅰ的电子都能被探测到，需要调节区域Ⅰ的电场强度E和区域Ⅱ的磁感应强度B2，求E的最大值和B2的最大值。

15．（2022·四川巴中·模拟预测）云室是显示能导致电离的粒子运动径迹的装置，其原理是离子经过饱和蒸汽时发生气体分子聚集成为雾滴从而显现出粒子运动的径迹。如图甲所示是研究粒子运动径迹特殊装置的云室，其结构是在水平面以xoy平面直角坐标系中，有相互平行的极板A、极板B垂直于y轴，且关于x轴对称，极板长度和极板间距均为d，第一、第四象限有足够大的匀强磁场，方向垂直于xoy平面向里，位于极板左侧的粒子源能源源不断的沿x轴向右发射速度相同，重力不计的粒子（质量为4m，电荷量为正2e），在0到3t0的时间内，两板间加上如图乙所示的电压（不考虑边缘效应的影响），已知t=0时刻进人两板间的带电粒子其径迹显示恰在t0时刻经极板边缘射入磁场，上述m、e、d、t0、B皆为已知量，（不考虑粒子间的相互影响及返回极板的情况）

（1）求电压U0的大小

（2）求时进入两极板间的粒子在磁场中显示的运动半径R

（3）粒子在磁场中的运动时间最短时，求粒子进入两板间的时刻t及粒子在磁场中的最短运动时间∆t

16．（2022·青海·模拟预测）在如图甲所示的平面直角坐标系xOy（其中Ox水平，Oy竖直）内，矩形区域OMNP充满磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场（边界处有磁场），，其中=d，，P点处放置一垂直于x轴的荧光屏，现将质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从OM边的中点A处以某一速度垂直于磁场且沿与y轴负方向夹角为45°的方向射入磁场，不计粒子重力。

（1）求粒子恰好能打在荧光屏上与A等高的点的速度大小；

（2）求粒子能从OM边射出磁场的最大速度及其对应的运动时间。

（3）若规定垂直纸面向外的磁场方向为正方向，磁感应强度B的变化规律如图乙所示（图中B0已知），调节磁场的周期，满足，让上述粒子在t=0时刻从坐标原点O沿与x轴正方向成60°角的方向以一定的初速度射入磁场，若粒子恰好垂直打在屏上，求粒子的可能初速度大小及打在光屏上的位置。

17．（2022·浙江·模拟预测）东方超环，俗称“人造小太阳”，是中国科学院自主研制的磁约束核聚变实验装置。该装置需要将加速到较高速度的离子束变成中性粒子束，没有被中性化的高速带电离子需要利用“偏转系统”将带电离子从粒子束剥离出来。假设“偏转系统”的原理如图所示，混合粒子束先通过加有电压的两极板再进入偏转磁场中，中性粒子继续沿原方向运动，被接收器接收；未被中性化的带电离子一部分打到下极板，剩下的进入磁场发生偏转被吞噬板吞噬。已知离子带正电、电荷量为q，质量为m，两极板间电压为U，间距为d，极板长度为2d，吞噬板长度为2d，离子和中性粒子的重力可忽略不计，不考虑混合粒子间的相互作用。

（1）要使的离子能直线通过两极板，则需在极板间施加一垂直于纸面的匀强磁场B1，求B1的大小；

（2）直线通过极板的离子以进入垂直于纸面向外的矩形匀强磁场区域。已知磁场，若离子全部能被吞噬板吞噬，求矩形磁场B2的最小面积；

（3）若撤去极板间磁场B1，且B2边界足够大。若粒子束由速度为、、的三种离子组成，有部分带电离子会通过两极板进入偏转磁场，最终被吞噬板吞噬，求磁场B2的取值范围。