易错点21 带点粒子在磁场、组合场和叠加场中的运动-备战2022年高考物理典型易错题辨析与精练（原卷版）

易错点21 带点粒子在磁场、组合场和叠加场中的运动

易错总结

一、带电粒子在匀强磁场中的运动

1．若v∥B，带电粒子以速度v做匀速直线运动，其所受洛伦兹力F＝0.

2．若v⊥B，此时初速度方向、洛伦兹力的方向均与磁场方向垂直，粒子在垂直于磁场方向的平面内运动．

(1)洛伦兹力与粒子的运动方向垂直，只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小．

(2)带电粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力．

二、复合场

1． 复合场的分类

(1)叠加场：电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存．

(2)组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠或相邻或在同一区域，电场、磁场交替出现．

2． 三种场的比较

三、带电粒子在复合场中的运动形式

1． 静止或匀速直线运动

当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动．

2． 匀速圆周运动

当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动．

3． 较复杂的曲线运动

当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一直线上，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．

4． 分阶段运动

带电粒子可能依次通过几个情况不同的组合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成．

     解题方法

一、带电粒子在匀强磁场中的圆周运动

1．圆心的确定

圆心位置的确定通常有以下两种基本方法：

(1)已知入射方向和出射方向时，可以过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线，两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲所示，P为入射点，M为出射点)．

(2)已知入射方向和出射点的位置时，可以过入射点作入射方向的垂线，连线入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图乙所示，P为入射点，M为出射点)．

2．半径的确定

半径的计算一般利用几何知识解直角三角形．做题时一定要作好辅助线，由圆的半径和其他几何边构成直角三角形．由直角三角形的边角关系或勾股定理求解．

3．粒子在匀强磁场中运动时间的确定

(1)粒子在匀强磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动轨迹的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间t＝T(或t＝T)．

确定圆心角时，利用好几个角的关系，即圆心角＝偏向角＝2倍弦切角．

(2)当v一定时，粒子在匀强磁场中运动的时间t＝，l为带电粒子通过的弧长．

二、带电粒子在组合场中的运动

1．组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，一般为两场相邻或在同一区域电场、磁场交替出现．

2．解题时要弄清楚场的性质、场的方向、强弱、范围等．

3．要正确进行受力分析，确定带电粒子的运动状态．

(1)仅在电场中运动

①若初速度v0与电场线平行，粒子做匀变速直线运动；

②若初速度v0与电场线垂直，粒子做类平抛运动．

(2)仅在磁场中运动

①若初速度v0与磁感线平行，粒子做匀速直线运动；

②若初速度v0与磁感线垂直，粒子做匀速圆周运动．

4．分析带电粒子的运动过程，画出运动轨迹是解题的关键．

特别提醒　从一个场射出的末速度是进入另一个场的初速度，因此两场界面处的速度(大小和方向)是联系两运动的桥梁，求解速度是重中之重．

三、带电粒子在叠加场中的运动

1． 带电粒子在叠加场中无约束情况下的运动情况分类

(1)磁场力、重力并存

①若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动．

②若重力和洛伦兹力不平衡，则带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒，由此可求解问题．

(2)电场力、磁场力并存(不计重力的微观粒子)

①若电场力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动．

②若电场力和洛伦兹力不平衡，则带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用动能定理求解问题．

(3)电场力、磁场力、重力并存

①若三力平衡，一定做匀速直线运动．

②若重力与电场力平衡，一定做匀速圆周运动．

③若合力不为零且与速度方向不垂直，将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用能量守恒或动能定理求解问题．

2． 带电粒子在叠加场中有约束情况下的运动

带电体在复合场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下，常见的运动形式有直线运动和圆周运动，此时解题要通过受力分析明确变力、恒力做功情况，并注意洛伦兹力不做功的特点，运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求出结果．

3．处理带电粒子在叠加场中的运动的基本思路

(1)弄清叠加场的组成．

(2)进行受力分析，确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合．

(3)画出粒子运动轨迹，灵活选择不同的运动规律．

当带电粒子在叠加场中做匀速直线运动时，根据受力平衡列方程求解．

当带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动时，一定是电场力和重力平衡，洛伦兹力提供向心力，应用平衡条件和牛顿运动定律分别列方程求解．

当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解．

【易错跟踪训练】

  易错类型1：对物理概念理解不透彻

1．（2020·全国高三课时练习）用洛伦兹力演示仪可以观察电子在磁场中的运动径迹．图 (甲)是洛伦兹力演示仪的实物图，图(乙)是结构示意图．励磁线圈通电后可以产生垂直纸面的匀强磁场，励磁线圈中的电流越大，产生的磁场越强．图(乙)中电子经电子枪中的加速电场加速后水平向左垂直磁感线方向射入磁场．下列关于实验现象和分析正确的是（    ）

A．仅增大励磁线圈中的电流，电子束径迹的半径变小

B．仅升高电子枪加速电场的电压，电子束径迹的半径变小

C．仅升高电子枪加速电场的电压，电子做圆周运动的周期将变小

D．要使电子形成如图（乙）中的运动径迹，励磁线圈应通以逆时针方向的电流

2．（2020·墨江哈尼族自治县民族学校）如图所示，两个带电粒子M和N，以相同的速度经小孔S垂直进入同一匀强磁场，运行的半圆轨迹如图两种虚线所示，下列表述正确的是（ ）

A．M带负电，N带正电

B．M的质量大于N的质量

C．M的带电量小于N的带电量

D．M的运行时间不可能等于N的运行时间

3．（2020·全国高三专题练习）如图所示，在足够长的水平线上方有方向垂直纸面向里的范围足够大的匀强磁场区域，一带负电的粒子 P 从 a 点沿 θ ＝45°方向以初速度 v 垂直磁场方向射入磁场中，经时间 t 从 b 点射出磁场．不计粒子重力，下列说法不正确的是( )

A．粒子射出磁场时与水平线的夹角为 θ

B．若 P 的初速度增大为 2v，粒子射出磁场时与水平线的夹角为 2θ

C．若P的初速度增大为2v，则射出磁场所需时间仍为t

D．若磁场方向垂直纸面向外，粒子 P 还是从 a 点沿 θ＝45°方向以初速度 v 垂直磁场方向射入磁场中，则射出磁场所需时间为 3t

4．（2021·辽宁高三专题练习）如图所示，正三角形abc区域内存在着方向垂直于纸面向外的匀强磁场，三角形的边长为4L．一个带电粒子（重力不计）从ab边的中点O以垂直于ab边的速度v进入磁场，粒子恰好从bc边的中点d飞出磁场，若将该粒子进入磁场的速度方向从图示位置逆时针旋转60°，同时改变速度的大小，发现粒子仍可以从d点飞出磁场．下列说法不正确的是（　　）

A．第二次粒子的速度大小应为

B．第二次粒子在磁场中运动时间是第一次的2倍

C．两次粒子从d点飞出磁场时速度方向夹角为

D．粒子两次做圆周运动的圆心间距为

5．（2020·全国高三专题练习）如图所示，带电小球沿竖直的光滑绝缘圆弧形轨道内侧来回往复运动，匀强磁场方向水平，它向左或向右运动通过最低点时，下列说法错误的是(    )

A．加速度大小相等

B．速度大小相等

C．所受洛伦兹力大小相等

D．轨道对它的支持力大小相等

6．（2019·浙江高三月考）带电粒子垂直进入匀强电场或匀强磁场中时粒子将发生偏转，称这种电场为偏转电场，这种磁场为偏转磁场.下列说法错误的是（重力不计）(　　)

A．欲把速度不同的同种带电粒子分开，既可采用偏转电场，也可采用偏转磁场

B．欲把动能相同的质子和α粒子分开，只能采用偏转电场

C．欲把由静止经同一电场加速的质子和α粒子分开，偏转电场和偏转磁场均可采用

D．欲把初速度相同而比荷不同的带电粒子分开，偏转电场和偏转磁场均可采用

7．（2020·全国）如图所示是磁流体发电机示意图，两块面积均为S的相同平行金属板M、N相距为L，板间匀强磁场的磁感应强度为B，等离子体（即高温下的电离气体，含有大量的正、负离子，且整体显中性）以速度v不断射入两平行金属极板间，两极板间存在着如图所示的匀强磁场。关于磁流体发电机产生的电动势E的大小，下列说法不正确的是（　　）

A．与等离子体所带的电荷量成正比 B．与等离子体速度v的大小成正比

C．与两板间的距离的大小成正比 D．与两板间匀强磁场的磁感应强度的大小成正比

8．（2017·云南民族大学附属中学高三期末）如图所示，已知一带电小球在光滑绝缘的水平面上从静止开始经电压U加速后，水平进入互相垂直的匀强电场E和匀强磁场B的复合场中和B已知，小球在此空间的竖直面内做匀速圆周运动，则下列说法不正确的是　　

A．小球可能带负电

B．小球做匀速圆周运动的半径为

C．小球做匀速圆周运动的周期为

D．若电压U增大，则小球做匀速圆周运动的周期变大

  易错类型2：挖掘隐含条件、临界条件不够

1．（2020·全国高三课时练习）如图是云室的拍摄照片，云室中加了垂直于照片向外的匀强磁场，图中、、、是从点发出的比荷相同的四种粒子的径迹，下列说法中正确的是（   ）

A．打到点的粒子带正电，运动速率最小

B．打到点的粒子带负电，运动速率最小

C．打到点的粒子带正电，运动速率最大

D．打到点的粒子带负电，运动速率最大

2．（2020·全国高三课时练习）如图所示，一粒子发射源P能够在纸面内向各个方向发射速率为v、比荷为k的带正电粒子，空间存在垂直纸面向里的匀强磁场（图中未画出），不考虑粒子间的相互作用和粒子重力，已知粒子做圆周运动的半径大小为d，纸面内另一点A距P的距离恰为d，则（　　）

A．磁感应强度的大小为

B．粒子在磁场中均沿顺时针方向做圆周运动

C．粒子从P出发至少经过时间到达A点

D．同一时刻发射出的带电粒子到达A点的时间差为

3．（2019·全国高三专题练习）如图所示，真空中有沿水平方向垂直于纸面向里的匀强磁场B，还有方向竖直向上的匀强电场E，三个带电液滴（可视为质点）甲、乙、丙带有等量同种电荷．已知甲静止，乙水平向左匀速运动，丙水平向右匀速运动．则下列说法正确的是（　　）

A．三个液滴都带负电

B．丙质量最大，甲质量次之，乙质量最小

C．若仅撤去磁场，甲可能做匀加速直线运动

D．若仅撤去电场，乙和丙可能做匀速圆周运动

4．（2020·河南）回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R。若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f。则下列说法正确的是（　　）

A．质子的回旋频率等于2f

B．质子被电场加速的最大动能与加速电压有关

C．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR

D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子

5．（2010·湖北）在某平面上有一半径为R的圆形区域，区域内外均有垂直于该平面的匀强磁场，圆外磁场范围足够大，已知两部分磁场方向相反且磁感应强度都为B，方向如图所示．现在圆形区域的边界上的A点有一个电量为，质量为的带电粒子以沿半径且垂直于磁场方向向圆外的速度经过该圆形边界，已知该粒子只受到磁场对它的作用力．

（1）若粒子在其与圆心O连线旋转一周时恰好能回到A点，试救济 粒子运动速度V的可能值．

（2）在粒子恰能回到A点的情况下，求该粒子回到A点所需的最短时间．

6．（2020·江西省兴国县第三中学高三月考）如图，直线MN右侧分布着范围足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向里．磁场中有一点P，距离O点为L，O、P连线与MN的夹角为θ．一群质量为m、电荷量为-q（q>0）的粒子，从MN上的O点以大小不同的速度沿纸面向各个方向射入磁场中．忽略所有粒子的重力和粒子间相互作用，求

(1)能够通过P点的带电粒子的最小速度；

(2)带电粒子从O点到达P点所用最长时间．

7．（2021·广东高三专题练习）如图所示，平面直角坐标系内有一圆形匀强磁场区域其圆心在坐标为（0，R）的点，半径为，磁场的磁感应强度大小为，方向垂直坐标平面向里，在磁场区域的右侧的区域内有范围足够大的匀强电场区域，电场强度为E，方向沿轴正方向，一带负电粒子从点沿轴正方向以一定的初速度射入磁场区域，并恰好从点沿x轴正方向射出磁场区域，进入电场偏转后经x轴（2R，0）离开电场，不计带电粒子的重力和空气阻力。

(1)求带电粒子的初速度大小；

(2)粒子从进入磁场到离开电场的时间。

8．（2020·全国）如图甲所示，带正电粒子以水平速度v0从平行金属板MN间中线OO′连续射入电场中．MN板间接有如图乙所示的随时间t变化的电压UMN，两板间电场可看做是均匀的，且两板外无电场．紧邻金属板右侧有垂直纸面向里的匀强磁场B，分界线为CD，EF为屏幕．金属板间距为d，长度为l，磁场的宽度为d.已知：B＝5×10－3 T，l＝d＝0.2 m，每个带正电粒子的速度v0＝105 m/s，比荷为＝108 C/kg，重力忽略不计，在每个粒子通过电场区域的极短时间内，电场可视作是恒定不变的．试求：

（1）带电粒子进入磁场做圆周运动的最小半径；

（2）带电粒子射出电场时的最大速度；

（3）带电粒子打在屏幕上的范围．