2026高考物理大一轮复习-第一十一章 第64课时 专题强化：复合场中的摆线问题 动量定理在磁场中的应用-专项训练【含答案】

这是一份2026高考物理大一轮复习-第一十一章 第64课时 专题强化：复合场中的摆线问题 动量定理在磁场中的应用-专项训练【含答案】，共8页。试卷主要包含了配速法等内容，欢迎下载使用。
1.摆线是同一平面内匀速直线运动和匀速圆周运动的合运动的轨迹，其实就是一个圆沿着一条直线做无滑动的滚动，圆周上的一点运动的曲线，如图所示。
2.配速法
(1)定义：若带电粒子在磁场中所受合力不为零，则粒子的速度会改变，洛伦兹力也会随着变化，合力也会跟着变化，则粒子做一般曲线运动，运动分析比较麻烦，此时，我们可以把初速度分解为两个分速度，使其中一个分速度对应的洛伦兹力与重力(或静电力，或重力和静电力的合力)平衡，另一个分速度对应的洛伦兹力使粒子做匀速圆周运动，这样一个复杂的曲线运动就可以分解为两个比较常见的运动，这种方法叫配速法。
(2)配速法处理叠加场中的摆线类问题
3.用动量定理解决带电粒子在磁场中的运动问题
假设有一个带电粒子，其质量为m，电荷量为＋q。在方向垂直纸面向下，磁感应强度大小为B的匀强磁场中运动。粒子速度为v，所受洛伦兹力为F，且重力不计。如图建立直角坐标系。
沿两轴方向的洛伦兹力分力Fx＝qvyB
Fy＝qvxB
两个方向分别列动量定理
－qvyBΔt＝mΔvx
qvxBΔt＝mΔvy
即－qBΔy＝mΔvx
qBΔx＝mΔvy
两边累加得－qBy＝mvx1－mvx0
qBx＝mvy1－mvy0。
使用条件：如果已知某一分运动方向上的位移(可能需要借助动能定理获得)，通过列出与之正交方向上的动量定理，即可迅速得出该方向上的分速度。
例1 如图所示，空间存在竖直向下的匀强电场和水平的匀强磁场(垂直纸面向里)，电场强度大小为E，磁感应强度大小为B。一质量为m、电荷量为＋q的带电粒子在电场中运动，不计粒子所受重力。若该粒子在M点由静止释放，求粒子沿电场方向运动的最大距离ym和运动过程中的最大速率vm。
提示：为了研究该粒子的运动，可以应用运动的合成与分解的方法，将它为0的初速度分解为大小相等的水平向左和水平向右的速度。
[变式1] (多选)(2024·湖南衡阳市模拟)在地面上方空间存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的水平方向匀强磁场，与竖直方向的匀强电场(图中未画出)，一电荷量为＋q、质量m的带电粒子(重力不计)，以水平初速度v0水平向右射出，运动轨迹如图。已知电场强度大小为E＝Bv02，重力加速度为g。下列说法正确的是( )
A.电场方向竖直向上
B.带电粒子运动到轨迹的最低点时的速度大小为2v0
C.带电粒子水平射出时的加速度大小为qv0B2m
D.带电粒子在竖直面内运动轨迹的最高点与最低点的高度差为3mv0qB
[变式2] (八省联考·陕西·15)如图，cd边界与x轴垂直，在其右方竖直平面内，第一、二象限存在垂直纸面向外的匀强磁场，第三、四象限存在垂直纸面向内的匀强磁场，磁场区域覆盖有竖直向上的外加匀强电场。在xOy平面内，某质量为m、电荷量为q带正电的绝缘小球从P点与cd边界成30°角以速度v0射入，小球到坐标原点O时恰好以速度v0竖直向下运动，此时去掉外加的匀强电场。重力加速度大小为g，已知磁感应强度大小均为mgqv0。求：
(1)电场强度的大小和P点距y轴的距离；
(2)小球第一次到达最低点时速度的大小；
(3)小球从过坐标原点时到第一次到达最低点时所用时间。
例2 (2025·福建宁德市开学考)现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动，如图所示，真空中存在着多层紧密相邻的匀强电场和匀强磁场，宽度均为d，电场强度为E，方向水平向右；磁感应强度为B，方向垂直纸面向里。电场、磁场的边界互相平行且与电场方向垂直。一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子在第1层电场左侧边界某处由静止释放，粒子始终在电场、磁场中运动，不计粒子重力及运动时的电磁辐射。粒子从第n层磁场右侧边界穿出时，速度的方向与水平方向的夹角为θn，试求sin θn。
答案精析
例1 2mEqB2 2EB
解析 方法一 “配速法”
这个运动之所以复杂是因为洛伦兹力改变了运动的方向，带电粒子在磁场中做的最简单的运动就是匀速圆周运动，我们就可以设法将其分解为匀速圆周运动。粒子的初速度为零，可分解为水平向右的速度v和水平向左的速度v，其中水平向右的速度v对应的洛伦兹力与静电力平衡：Bqv＝Eq；因此，粒子的运动是水平向右速度为v的匀速直线运动和初速度水平向左、大小为v的逆时针匀速圆周运动的合运动，圆周运动的轨迹半径r＝mvqB＝mEqB2，所以ym＝2r＝2mEqB2，vm＝2v＝2EB。
方法二 动能定理＋动量定理
带电粒子在运动中，只有静电力做功，当其运动至最远时，静电力做功最多，此时速度最大，根据动能定理有
qEym＝12mvm2①
粒子沿竖直方向上的速度产生水平方向的洛伦兹力，
即F洛x＝qBvy
取沿水平方向运动一小段时间Δt，根据动量定理有
F洛xΔt＝qBvyΔt＝mΔvx，
式中vyΔt表示粒子沿竖直方向运动的距离。
因此，等式两边对粒子从离开M点到第一次最远的过程求和有
qBym＝mvm②
联立①②两式，解得vm＝2EB，
ym＝2mEqB2。
[变式1] BD [由运动轨迹可知，带电粒子只有受竖直向下的静电力，最低点线速度最大，偏转半径最大，则电场方向竖直向下，故A错误；将带电粒子的速度分解为一个水平向左、大小v1＝v02的分速度，和一个水平向右、大小v2＝32v0的分速度，由于F1＝12qv0B＝Eq(与静电力平衡)，则带电粒子的运动可以看成是以速率v1向左的匀速直线运动和以速率v2的匀速圆周运动的合运动，故小球在运动轨迹的最低点时的速度大小v＝v1＋v2＝2v0，故B正确；由牛顿第二定律可得带电粒子水平射出时的加速度大小为a＝F合m＝qv0B＋Eqm＝3qv0B2m，故C错误；由于洛伦兹力不做功，带电粒子从运动轨迹的最高点运动到最低点的过程有12mv02＋Eqh＝12mv2，又有v＝2v0，解得h＝3mv0qB，故D正确。]
[变式2] (1)mgq (2＋3)v022g
(2)(1＋2)v0 (3)3πv04g
解析 (1)依题意，小球从P点运动到坐标原点O，速率没有改变，即动能变化量为零，由动能定理可知合力做功为零，电场力与重力等大反向，可知qE＝mg，解得E＝mgq
可知小球由P点到O点在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，轨迹如图甲所示
根据qv0B＝mv02r，解得r＝v02g
由几何关系，可得xP＝r＋rcs 30°
联立解得xP＝(2＋3)v022g
(2)把小球在坐标原点的速度v0分解为沿x轴正方向的v0和与x轴负方向成45°的2v0，如图乙所示
qv0B＝mg，知其中沿x轴正方向的v0对应的洛伦兹力恰好与小球重力平衡，沿x轴正方向小球做匀速直线运动
与x轴负方向成45°的2v0对应的洛伦兹力提供小球做逆时针匀速圆周运动的向心力，可知小球第一次到达最低点时速度的大小为v＝v0＋2v0＝(1＋2)v0
(3)由第(2)问分析可知小球在撤去电场后做匀速圆周运动的分运动轨迹如图丙所示
根据q2v0B＝m(2v0)2R，又T＝2πR2v0
由几何关系，可得小球从过坐标原点时到第一次到达最低点时圆弧轨迹对应的圆心角为135°，则所用时间为t＝135°360°T
联立解得t＝3πv04g。
例2 Bnqd2mE
解析 设粒子在第n层磁场中运动的速度为vn，
在电场中，根据动能定理有
nqEd＝12mvn2
解得vn＝2nqEdm
在磁场中由动量定理有
qvxBΔt＝mΔvy
即qΔxB＝mΔvy
两边累加得qxB＝mvy，其中x为在磁场中的水平位移，x＝nd
联立得vy＝nqBdm，sin θn＝vyvn
得：sin θn＝Bnqd2mE。常见情况
处理方法
BG摆线：初速度为0，有重力
把初速度0分解为一个向左的速度v1和一个向右的速度v1。
BE摆线：初速度为0，不计重力
把初速度0分解为一个向左的速度v1和一个向右的速度v1。
BEG摆线：初速度为0，有重力
把初速度0分解为一个斜向左下方的速度v1和一个斜向右上方的速度v1。
BGv摆线：初速度为v0，有重力
把初速度v0分解为速度v1和速度v2。