备战2025年高考二轮复习物理（广东版）专题分层突破练9 带电粒子在复合场中的运动（Word版附解析）

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基础巩固
1.(2024安徽六安模拟)如图所示,电场强度为E的匀强电场竖直向下,磁感应强度为B的匀强磁场垂直电场向外,电荷量为q的小球(视为质点)获得某一垂直磁场水平向右的初速度,正好做匀速圆周运动,重力加速度为g,下列说法正确的是( )
A.小球带正电
B.将初速度方向变成垂直磁场水平向左,则小球做直线运动
C.小球做匀速圆周运动的周期为2πEBg
D.若把电场的方向改成竖直向上,则小球恰好做类平抛运动
答案 C
解析 小球要做匀速圆周运动,电场力与重力等大反向,电场力向上,小球必须带负电,故A错误;将初速度方向变成垂直磁场水平向左,电场力与重力方向相同,小球在重力、电场力和洛伦兹力作用下做曲线运动,故B错误;小球做匀速圆周运动,则mg=qE,周期为T=2πmqB=2πEBg,故C正确;若把电场的方向改成竖直向上,小球所受重力与电场力均向下,但还有洛伦兹力作用,则小球不会做类平抛运动,故D错误。
2.(2023新课标卷)一电子和一α粒子从铅盒上的小孔O竖直向上射出后,打到铅盒上方水平放置的屏幕P上的a和b两点,a点在小孔O的正上方,b点在a点的右侧,如图所示。已知α粒子的速度约为电子速度的110,铅盒与屏幕之间存在匀强电场和匀强磁场,则电场和磁场方向可能为( )
A.电场方向水平向左、磁场方向垂直纸面向里
B.电场方向水平向左、磁场方向垂直纸面向外
C.电场方向水平向右、磁场方向垂直纸面向里
D.电场方向水平向右、磁场方向垂直纸面向外
答案 C
解析 当电场方向水平向左、磁场方向垂直纸面向里时,若粒子带正电,则静电力和洛伦兹力都向左,若粒子带负电,则静电力和洛伦兹力都向右,不可能有粒子射到a点,选项A错误;当电场方向水平向左、磁场方向垂直纸面向外时,可能有受力平衡的粒子,若a处为电子,则α粒子受到的静电力大,将射到a的左侧,若a处为α粒子,则电子受到的洛伦兹力大,将射到a的左侧,选项B错误;当电场方向水平向右、磁场方向垂直纸面向里时,可能有受力平衡的粒子,若a处为电子,则α粒子受到的静电力大,将射到a的右侧,若a处为α粒子,则电子受到的洛伦兹力大,将射到a的右侧,选项C正确;当电场方向水平向右、磁场方向垂直纸面向外时,若粒子带正电,则静电力和洛伦兹力都向右,若粒子带负电,则静电力和洛伦兹力都向左,不可能有粒子射到a点,选项D错误。
3.(多选)(2024湖北卷)磁流体发电机的原理如图所示,MN和PQ是两平行金属极板,匀强磁场垂直于纸面向里。等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电粒子)从左侧以某一速度平行于极板喷入磁场,极板间便产生电压。下列说法正确的是( )
A.极板MN是发电机的正极
B.仅增大两极板间的距离,极板间的电压减小
C.仅增大等离子体的喷入速率,极板间的电压增大
D.仅增大喷入等离子体的正、负带电粒子数密度,极板间的电压增大
答案 AC
解析 本题考查磁流体发电机。根据左手定则,带正电的粒子因受到洛伦兹力而向上偏转,同理带负电的粒子向下偏转,此时极板MN带正电为发电机正极,A正确;当粒子受到的洛伦兹力和电场力平衡时,设此时极板间距为d,有qvB=qUd,可得U=Bdv,因此仅增大两极板间的距离,极板间的电压U增大,仅增大等离子体的喷入速率,极板间的电压U增大,极板间的电压U的大小与喷入等离子体的正、负带电粒子数密度无关,B、D错误,C正确。
4.(2024广东汕头期末)有些电动摩托车的油门示意图可简化为如图所示,固定部件装有宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件,元件内的导电粒子是自由电子,电流方向向右,可转动部件嵌有磁体,当油门增大时,垂直于上表面向下的磁场的磁感应强度随之增大,下列说法正确的是( )
A.前表面的电势比后表面的低
B.油门增大时,前、后表面间的电压随之增大
C.油门增大时,洛伦兹力对电子做的功增大
D.通过增大c可以增大前、后表面间的电压
答案 B
解析 由左手定则可知,电子受洛伦兹力方向指向后表面,后表面带负电,则前表面的电势比后表面的高,选项A错误;根据Uae=Bve可得U=Bav,则油门增大时,磁场磁感应强度增大,前、后表面间的电压随之增大,选项B正确;洛伦兹力对电子不做功,选项C错误;根据U=Bav可知,前、后表面间的电压与c的大小无关,选项D错误。
5.(2024广东广州二模)如图所示,水平放置的两个正对的带电金属板MN、PQ间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外。在a点由静止释放一带电的微粒,释放后微粒沿曲线acb运动,a、b两点在同一水平高度,c点是曲线上离MN板最远的点。不计微粒所受空气阻力,下列说法正确的是( )
A.微粒在c点时电势能最大
B.a点电势低于c点电势
C.微粒在运动到c点过程中电场力做的功等于动能的变化量
D.微粒到达b点后将沿原路径返回a点
答案 A
解析 由题意可知,刚开始运动时,洛伦兹力向右,根据左手定则,可得粒子带负电,则电场力竖直向上,所以粒子从a点运动到c点的过程中,电场力做负功,电势能增加,所以微粒在c点时电势能最大,故A正确;两金属板间的电场竖直向下,根据沿着电场线电势降低,可知c点的电势低于a点的电势,故B错误;微粒在运动到c点过程中,重力和电场力做的总功等于动能的变化量,故C错误;微粒到达b点后,再向下运动,又会受到向右的洛伦兹力,所以它会向右偏转,而不会沿原路径返回到a点,故D错误。
6.(2024湖北卷)如图所示,在以O点为圆心、半径为R的圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B。圆形区域外有大小相等、方向相反、范围足够大的匀强磁场。一质量为m、电荷量为q(q>0)的带电粒子沿直径AC方向从A点射入圆形区域。不计粒子重力,下列说法正确的是( )
A.粒子的运动轨迹可能经过O点
B.粒子射出圆形区域时的速度方向不一定沿该区域的半径方向
C.粒子连续两次由A点沿AC方向射入圆形区域的最小时间间隔为7πm3qB
D.若粒子从A点射入到从C点射出圆形区域用时最短,则粒子运动的速度大小为3qBR3m
答案 D
解析 本题考查带电粒子在圆形边界磁场中的运动。在圆形匀强磁场中,沿着径向射入的粒子,总是沿径向射出,根据圆的特点可知粒子的运动轨迹不可能经过O点,故A、B错误;粒子连续两次由A点沿AC方向射入圆形区域,且经过的时间间隔最小,根据对称性画粒子的运动轨迹如图甲所示,则粒子运动的最小时间间隔为t=2T=4πmqB,故C错误;粒子从A点射入到从C点射出圆形区域用时最短,则粒子运动轨迹如图乙所示,设粒子在磁场中运动的半径为r,根据几何关系得r=3R3,根据洛伦兹力提供向心力有qvB=mv2r,可得v=3qBR3m,故D正确。
甲
乙
综合提升
7.(2023湖南卷)如图所示,真空中有区域Ⅰ和Ⅱ,区域Ⅰ中存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向下(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里,等腰直角三角形CGF区域(区域Ⅱ)内存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外。图中A、C、O三点在同一直线上,AO与GF垂直,且与电场和磁场方向均垂直。A点处的粒子源持续将比荷一定但速率不同的粒子射入区域Ⅰ中,只有沿直线AC运动的粒子才能进入区域Ⅱ。若区域Ⅰ中电场强度大小为E、磁感应强度大小为B1,区域Ⅱ中磁感应强度大小为B2,则粒子从CF的中点射出,它们在区域Ⅱ中运动的时间为t0。若改变电场或磁场强弱,能进入区域Ⅱ中的粒子在区域Ⅱ中运动的时间为t,不计粒子的重力及粒子之间的相互作用,下列说法正确的是( )
A.若仅将区域Ⅰ中磁感应强度大小变为2B1,则t>t0
B.若仅将区域Ⅰ中电场强度大小变为2E,则t>t0
C.若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为34B2,则t=t02
D.若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为24B2,则t=2t0
答案 D
解析 在区域Ⅰ中,由qvB1=qE得,粒子速度v=EB1,粒子进入区域Ⅱ后,当粒子从CF中点射出时,在区域Ⅱ中运动半径为r=24a(a为CF长度),又由qvB2=mv2r得r=mvB2q,t0=14T=πm2B2q,运动轨迹如图甲所示。当区域Ⅰ中的磁感应强度大小变为2B1时,v1=E2B1=v2,这时粒子进入区域Ⅱ后,r1=mv1B2q=mv2B2q