新高考物理三轮冲刺练习秘籍12 带电粒子在叠加场 组合场 复合场中的综合运动问题（2份打包，原卷版+解析版）

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带电粒子在场中无约束情况下，常见的几种情况：
①电场力、重力并存——电场力+重力＝F等效（恒力）
静止或匀速直线运动←→ F电＝mg且方向相反（即F等效＝0）；
匀加/减速直线运动←→ F等效≠0且与v共线；
匀变速曲线运动←→ F等效≠0且与v不共线；
无圆周运动
②磁场力、重力并存
匀速直线运动←→ F洛＝mg且方向相反（或F洛＝F电且方向相反），运动方向与F洛垂直；
变加速曲线运动（复杂曲线），因洛伦兹力不做功，故机械能守恒
无静止、无匀变速直线运动、无匀变速曲线运动、无匀速圆周
②磁场力、电场力并存
匀速直线运动←→ F洛＝mg且方向相反（或F洛＝F电且方向相反），运动方向与F洛垂直；
变加速曲线运动（复杂曲线），可用动能定理求解。
无静止、无匀变速直线运动、无匀变速曲线运动、无匀速圆周
③磁场力、电场力、重力并存
静止←→F电＝mg且方向相反，且F洛＝0；
匀速直线运动←→ F电、mg、F洛三力平衡；
匀速圆周运动←→F电＝mg且方向相反，且F洛＝Fn；
变加速曲线运动（复杂曲线），可用能量守恒定律或动能定理求解。
无匀变速直线运动、无匀变速曲线运动
【题型】带电粒子在等效场、叠加场、组合场、复合场中的综合运动
【典例1】（2024·广东深圳·一模）如图所示，整个空间存在一水平向右的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场，光滑绝缘斜面固定在水平面上。一带正电滑块从斜面顶端由静止下滑，下滑过程中始终没有离开斜面，下滑过程中滑块的位移x、受到的洛伦兹力力 SKIPIF 1 < 0 、加速度a与机械能 SKIPIF 1 < 0 等物理量的大小随时间变化的图线可能正确的是（ ）
A．B．C．D．
【典例2】（2024·湖北·二模）现代科学仪器中常利用电、磁场控制带电粒子的运动。如图甲所示，纸面内存在上、下宽度均为d的匀强电场与匀强磁场，匀强电场竖直向下，匀强磁场垂直纸面向里，磁感应强度大小为B。现有一质量为m、电荷量为q的带正电粒子（不计重力）从电场的上边界的O点由静止释放，运动到磁场的下边界的P点时正好与下边界相切。若把电场下移至磁场所在区域，如图乙所示，重新让粒子从上边界M点由静止释放，经过一段时间粒子第一次到达最低点N，下列说法正确的是（ ）
A．匀强电场的场强大小为 SKIPIF 1 < 0
B．粒子从O点运动到P点的时间为 SKIPIF 1 < 0
C．M、N两点的竖直距离为 SKIPIF 1 < 0
D．粒子经过N点时速度大小为 SKIPIF 1 < 0
【典例3】（2024·山东烟台·一模）如图所示，在 SKIPIF 1 < 0 平面内 SKIPIF 1 < 0 轴左侧存在平行于纸面范围足够大的匀强电场 SKIPIF 1 < 0 （大小未知）。一质量为 SKIPIF 1 < 0 、电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的电子（重力不计），从 SKIPIF 1 < 0 轴上 SKIPIF 1 < 0 的 SKIPIF 1 < 0 点以速度 SKIPIF 1 < 0 、与 SKIPIF 1 < 0 轴负方向夹角 SKIPIF 1 < 0 入射，之后电子从 SKIPIF 1 < 0 轴上的 SKIPIF 1 < 0 点以 SKIPIF 1 < 0 的速度沿 SKIPIF 1 < 0 轴正方向射入第一象限，在第一象限有一垂直于纸面向里、磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 的匀强磁场，分布在一个半径为 SKIPIF 1 < 0 的圆形区域内（图中未画出），且圆形区域的左侧与 SKIPIF 1 < 0 轴相切，圆形区域所处的位置恰好能够使得电子穿过圆形区域时速度的偏转角度最大。电子从圆形区域射出后，从 SKIPIF 1 < 0 轴上 SKIPIF 1 < 0 点射入 SKIPIF 1 < 0 轴下方，在 SKIPIF 1 < 0 轴下方存在范围足够大、方向均沿 SKIPIF 1 < 0 轴负方向的匀强电场 SKIPIF 1 < 0 （大小未知）和匀强磁场 SKIPIF 1 < 0 （大小未知），电子在 SKIPIF 1 < 0 轴下方运动一段时间后能够恰好返回 SKIPIF 1 < 0 点，求：
（1） SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 两点间的电势差；
（2） SKIPIF 1 < 0 点的纵坐标；
（3）电子在圆形磁场区域中运动的时间；
（4） SKIPIF 1 < 0 的可能值。
【典例4】（2024·天津和平·一模）如图所示，在直角坐标系的第一象限，有方向竖直向下、场强大小为E的匀强电场，在第四象限有垂直纸面向外的匀强磁场，在x轴下方放置一长度为L的绝缘薄板PQ，挡板平面与x轴垂直且上端紧贴x轴。一质量为m，电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的粒子从y轴上一点以大小为 SKIPIF 1 < 0 的速度水平向右射出，恰好从薄板上边缘P点处射入磁场，粒子射入磁场时的速度方向与PQ的夹角为60°，之后粒子恰好未与薄板碰撞，不计粒子重力，求：
（1）粒子在y轴上的发射位置到P点的水平距离；
（2）匀强磁场磁感应强度B的大小：
（3）粒子在薄板右侧运动的时间t。
1．（2024·湖北·二模）如图甲所示，已知车轮边缘上一质点P的轨迹可看成质点P相对圆心O做速率为v的匀速圆周运动，同时圆心O向右相对地面以速率v做 匀速运动形成的，该轨迹称为圆滚线。如图乙所示，空间存在竖直向下的大小为E匀强电场和水平方向（垂直纸面向里）大小为B的匀强磁场，已知一质量为m、电量大小为q的正离子在电场力和洛伦兹力共同作用下，从静止开始自A点沿曲线AC运动（该曲线属于圆滚线），到达B点时速度为零，C为运动的最低点。不计重力，则（ ）
A．该离子带负电B．A、B两点位于同一高度
C．该离子电势能先增大后减小D．到达C点时离子速度最大
2．（2024·广东·二模）如图所示为某一科研设备中对电子运动范围进行约束的装置简化图。现有一足够高的圆柱形空间，其底面半径为R，现以底面圆心为坐标原点，建立空间直角坐标系 SKIPIF 1 < 0 。在圆柱形区域内存在着沿z轴负向的匀强磁场和匀强电场，在 SKIPIF 1 < 0 的区域内存在着沿x轴正向的匀强电场。坐标为 SKIPIF 1 < 0 的P点有一电子源，在xOy平面内同时沿不同方向向圆柱形区域内发射了一群质量为m，电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的电子，速度大小均为 SKIPIF 1 < 0 。已知磁感应强度的大小为 SKIPIF 1 < 0 ，不计粒子的重力，则从电子发射到完全离开圆柱形区域的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．粒子完全离开圆柱形区域时速度方向均不相同
B．粒子完全离开圆柱形区域时的速度方向均平行于xOy平面
C．所有粒子在磁场中运动的总时间均相同
D．最晚和最早完全离开圆柱形区域的粒子的时间差为 SKIPIF 1 < 0
3．（2024·四川德阳·二模）如图所示为绝缘固定的斜面的剖面图AD，AD与水平面的夹角为θ=37°，点O、点C为直线AD上的两点，OA段粗糙，OD段光滑，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场充满AD所在的空间，AD与磁场方向垂直。质量为m、电荷量为q的物块，在C点以某一初速度 SKIPIF 1 < 0 （未知）沿斜面AD向上运动，此时物块与斜面AD之间的相互作用力的大小为0.6mg，已知 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 ，OA段的动摩擦因数为μ=0.5，重力加速度大小为g，sin37°=0.6，cs37°=0.8.下列说法正确的是（ ）
A．物块带负电B．物块在C点上滑的初速度大小为 SKIPIF 1 < 0
C．物块在斜面AD上做匀变速运动的时间为 SKIPIF 1 < 0 D．物块在OA段因摩擦产生的热量为 SKIPIF 1 < 0
4．（2024·安徽·模拟预测）如图所示，在xOy平面的第一、二象限内有垂直坐标平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，在第三、四象限 SKIPIF 1 < 0 范围内有沿x轴正方向的匀强电场，在坐标原点O有一个粒子源可以向x轴上方以不同速率向各个方向发射质量为m、电荷量为q的带正电粒子，x轴上的P点坐标为 SKIPIF 1 < 0 ，y轴上的Q点坐标为 SKIPIF 1 < 0 。不计粒子的重力及粒子之间的相互作用。下列说法中正确的是（ ）
A．所有经过P点的粒子最小速度为 SKIPIF 1 < 0
B．若以最小速率经过P点的粒子又恰好能过Q点，则电场强度大小为 SKIPIF 1 < 0
C．沿不同方向进入匀强磁场的粒子要经过P点，速度大小一定不同
D．所有经过P点的粒子在匀强电场中运动的时间均相同
5．（2024·辽宁抚顺·三模）竖直平面内有如图所示的平面直角坐标系xOy，在第Ⅱ象限内有一个以坐标原点O为圆心半径为R的四分之一光滑圆弧形轨道，有沿x轴负方向的匀强电场，电场强度为 SKIPIF 1 < 0 。在第Ⅲ、Ⅳ象限内有沿y轴正方向的匀强电场和垂直于纸面向外的匀强磁场，电场强度大小也为 SKIPIF 1 < 0 ，磁感应强度为 SKIPIF 1 < 0 。在紧贴圆弧轨道下端内侧的A点有一质量为m、电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的小球大小可忽略，从A点以某一速度 SKIPIF 1 < 0 （ SKIPIF 1 < 0 大小可调）沿圆弧轨道内侧竖直向上射入电场，x轴上OC之间有一长度为R的薄板，重力加速度为g。求：
（1）为使小球能够从B点射出， SKIPIF 1 < 0 的最小值；
（2）从B点飞出的小球打到薄板上的可能范围；
（3）若第Ⅲ、Ⅳ象限内的匀强磁场的方向改成竖直向下， SKIPIF 1 < 0 。在x轴下方放置另一块水平的面积足够大的挡板M，M在磁场中可以且只能上下移动。试画出从B点飞出的小球在挡板M上的所有可能落点的范围。（只要正确画出图形即可，无需算出范围大小）
6．（2024·湖南邵阳·二模）如图所示，在竖直平面内建立直角坐标系，x轴下方有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 。A是质量为m1带正电的小球，C是质量为m2带负电的小球，A、C均可视为电荷量大小为q的质点，且2m1=m2=m。初始时C球被锁定在x轴上某一位置，把A球从y轴上某点以初速度v0水平抛出，A球与C球发生一维对心正碰，碰撞时间极短，碰前瞬间解除对C球的锁定，碰后瞬间A球速度为零，C球速度方向与x轴正方向夹角为θ=53°，碰撞前后A、C两球电荷量不变，重力加速度为g，sin53°=0.8，求：
（1）小球A从开始抛出到与C球碰前运动的时间t及两球碰撞损失的机械能 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）A球在磁场中运动的最大速度vm（结果用v0表示）；
（3）C球在磁场运动过程中离x轴的最大距离H（结果用v0和g表示）。
注：其中（2）、（3）问不考虑A、C两球在磁场中可能发生的碰撞。
7．（2024·江西鹰潭·一模）如图所示，在空间建立直角坐标系，坐标轴正方向如图所示。空间有磁感应强度为 SKIPIF 1 < 0 方向垂直于纸面向里的磁场，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限（含x、y轴）有电场强度为 SKIPIF 1 < 0 竖直向下的电场。光滑1/4圆弧轨道圆心O'，半径为 SKIPIF 1 < 0 圆弧轨道底端位于坐标轴原点O。质量为 SKIPIF 1 < 0 带电 SKIPIF 1 < 0 的小球A从O处水平向右飞出，经过一段时间，正好运动到O点。 质量为 SKIPIF 1 < 0 带电 SKIPIF 1 < 0 小球的B从与圆心O等高处静止释放，与A同时运动到O点并发生完全非弹性碰撞，碰后生成小球C。小球A、B、C均可视为质点，所在空间无重力场作用。
（1） 小球A在O处的初速度为多大；
（2） 碰撞完成后瞬间，圆弧轨道对小球C的支持力；
（3） 小球C从O点飞出后的瞬间，将磁场方向改为竖直向上。分析C球在后续运动过程中，再次回到y轴时离O点的距离。
8．（2024·广东·模拟预测）如图所示是中国科学院自主研制的磁约束核聚变实验装置中的“偏转系统”原理图。由正离子和中性粒子组成的多样性粒子束通过两极板间电场后进入偏转磁场。其中的中性粒子沿原方向运动，被接收板接收；一部分离子打到左极板，其余的进入磁场发生偏转被吞噬板吞噬并发出荧光。多样性粒子束宽度为L，各组成粒子均横向均匀分布。偏转磁场为垂直纸面向外的矩形匀强磁场，磁感强度为 SKIPIF 1 < 0 。已知离子的比荷为k，两极板间电压为U、间距为L，极板长度为2L，吞噬板长度为2L并紧靠负极板。若离子和中性粒子的重力、相互作用力、极板厚度可忽略不计，则
（1）要使 SKIPIF 1 < 0 的离子能沿直线通过两极板间电场，可在极板间施加一垂直于纸面的匀强磁场 SKIPIF 1 < 0 ，求 SKIPIF 1 < 0 的大小；
（2）若撤去极板间磁场 SKIPIF 1 < 0 ，有n个速度为v1= SKIPIF 1 < 0 的离子，能进入偏转磁场的离子全部能被吞噬板吞噬，求吞噬板上收集的离子个数及 SKIPIF 1 < 0 的取值范围；
（3）重新在两极板间施加一垂直于纸面的匀强磁场并调整磁感应强度大小，使v2= SKIPIF 1 < 0 的离子沿直线通过极板后进入偏转磁场，若此时磁场边界为矩形，如图所示，当 SKIPIF 1 < 0 时上述离子全部能被吞噬板吞噬，求偏转磁场的最小面积。
9．（2024·河北·一模）如图所示，竖直虚线的左侧有水平向左的匀强电场，右侧存在垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场，比荷为k的负粒子甲由电场中的M点无初速释放，由O点进入磁场，OM在一条直线上，经过一段时间与静止在N点的不带电粒子乙发生无能量损失的碰撞，碰后两粒子的电荷量均分。已知粒子乙的质量为粒子甲质量的 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 ，N到两虚线的距离均为L。忽略粒子的重力以及碰后粒子间的相互作用。
（1）求竖直虚线左侧电场强度的大小；
（2）若粒子甲、乙碰后的瞬间，立即将粒子乙拿走，求粒子甲从释放到第四次通过竖直虚线时到O点的距离。
10．（2024·湖北·一模）如图所示，在真空坐标系xOy中，第二象限内有边界互相平行且宽度均为d的六个区域，交替分布着方向竖直向下的匀强电场和方向垂直纸面向里的匀强磁场，调节电场和磁场大小，可以控制飞出的带电粒子的速度大小及方向。现将质量为：m、电荷量为q的带正电粒子在边界P处由静止释放，粒子恰好以速度大小为 SKIPIF 1 < 0 、方向与y轴负方向的夹角为 SKIPIF 1 < 0 从坐标原点O进入 SKIPIF 1 < 0 区域， SKIPIF 1 < 0 区域存在磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 、方向垂直xOy平面向里的匀强磁场，不计粒子重力。求：
（1）第二象限中电场强度大小 SKIPIF 1 < 0 与磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 的比值；
（2）粒子从坐标原点O第1次经过x轴到第2次经过x轴的时间。
11．（2024·贵州安顺·二模）如图所示，在xOy平面的第一象限内有半径为R的圆形区域，该区域内有一匀强磁场，磁场的方向垂直纸面向里。已知圆形区域的圆心为 SKIPIF 1 < 0 ，其边界与x轴、y轴分别相切于P、Q点。位于P处的质子源均匀地向纸面内以大小为v的相同速率发射质量为m、电荷量为e的质子，且质子初速度的方向被限定在 SKIPIF 1 < 0 两侧与 SKIPIF 1 < 0 的夹角均为 SKIPIF 1 < 0 的范围内。第二象限内存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度大小为E，在x轴（ SKIPIF 1 < 0 ）的某区间范围内放置质子接收装置MN。已知沿 SKIPIF 1 < 0 方向射入磁场的质子恰好从Q点垂直y轴射入匀强电场，不计质子受到的重力和质子间的相互作用力。
（1）求圆形区域内匀强磁场的磁感应强度大小B；
（2）求y轴正方向上有质子射出的区域范围；
（3）若要求质子源发出的所有质子均被接收装置MN接收，求接收装置MN的最短长度x。
12．（2024·吉林白城·一模）为探测射线，威耳逊曾用置于匀强磁场或电场中的云室来显示它们的径迹。某研究小组设计了电场和磁场分布如图所示，直角坐标系xOy平面内，第一、二象限分别存在垂直纸面向里的匀强磁场B和沿y轴正方向的匀强电场E，E、B大小均未知。质量为m、电荷量为-q的粒子从x轴负半轴M点与x轴正方向成60°射入电场，经电场偏转后以速度v0（v0已知）从点P（0，d）垂直y轴进入磁场，最后从N点与x轴正方向成60°射出磁场，不计粒子重力。
（1）求电场强度E的大小；
（2）求磁感应强度B的大小；
（3）若粒子在磁场中受到与速度大小成正比的阻力f＝kv（k为已知常量），观察发现该粒子轨迹呈螺旋状，且粒子恰好从Q点（图中未标出）垂直x轴射出磁场，求粒子由P点运动到Q点的时间t。
13．（2024·四川广安·二模）如图，在y>a区域有方向沿y轴负方向的匀强电场，y0）、乙始终不带电，碰撞过程中无能量损失，不计粒子重力。求：
（1）电场强度的大小；
（2）甲粒子第一次到达原点O的时刻；
（3）Q点的横坐标。
14．（2024·江西九江·二模）如图所示，在直角坐标系 SKIPIF 1 < 0 的第二、第三象限内有一垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场区域 SKIPIF 1 < 0 ，坐标分别为 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 。在直角坐标系 SKIPIF 1 < 0 的第一象限内，有沿y轴负方向、大小为 SKIPIF 1 < 0 的匀强电场，在 SKIPIF 1 < 0 处垂直于x轴放置一荧光屏，其与x轴的交点为Q。粒子束以相同的速度 SKIPIF 1 < 0 由O、C间的各位置垂直y轴射入，已知从y轴上 SKIPIF 1 < 0 的点射入磁场的粒子恰好经过O点，忽略粒子间的相互作用，不计粒子的重力。求
（1）粒子的比荷；
（2）荧光屏上的发光长度。
15．（2024·天津·一模）如图所示，在平面直角坐标系xOy中，x轴上方区域有垂直于纸面向里的磁场，磁感应强度为B，x轴下方区域有水平向左的匀强电场，P点是y轴上的一点。一质量为m、电荷量为q的带电粒子以初速度v从坐标原点O平行于纸面射入磁场，方向与x轴负向的夹角为30°，从A点射出磁场。粒子在电场中的运动轨迹与y轴相切于P点。不计粒子的重力。求：
（1）A、O两点的距离；
（2）粒子从O点到A点所用的时间；
（3）粒子从A点到P点电场力做的功。
16．（2024·天津红桥·一模）如图所示，在平面直角坐标系的第一象限有竖直向上的匀强电场，在第四象限有一圆心在O1（2L，-2L）半径为2L的圆形有界匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一负电子从P（0，L）点沿x轴正方向以速度v0入射，经匀强电场偏转后恰好从M（2L，0）点进入匀强磁场。已知电子电荷量为e，质量为m，电子重力不计。求：
（1）求匀强电场的电场强度大小E；
（2）若匀强磁场的磁感应强度为B，电子离开磁场后恰好垂直穿过y轴，求B的大小；
（3）求电子从y轴上的P点出发至再次经过y轴所需要的时间t。