通用版2020版高考物理大一轮复习考点规范练30《带电粒子在复合场中的运动》(含解析)

考点规范练30　带电粒子在复合场中的运动

一、单项选择题

1.如图所示,虚线区域空间内存在由匀强电场E和匀强磁场B组成的正交或平行的电场和磁场,有一个带正电小球(电荷量为+q,

质量为m)从正交或平行的电磁复合场上方的某一高度自由落下,那么带电小球可能沿直线通过的是(　　)

A.①② B.③④ C.①③ D.②④

答案B

解析①图中小球受重力、向左的电场力、向右的洛伦兹力,下降过程中速度一定变大,故洛伦兹力一定变化,不可能一直与电场力平衡,故合力不可能一直向下,故一定做曲线运动;②图中小球受重力、向上的电场力、垂直向外的洛伦兹力,合力与速度一定不共线,故一定做曲线运动;③图中小球受重力、向左上方的电场力、水平向右的洛伦兹力,若三力平衡,则小球做匀速直线运动;④图中小球受向下的重力和向上的电场力,合力一定与速度共线,故小球一定做直线运动。故选项B正确。

2.

如图所示,一束质量、速度和电荷量不全相等的离子,经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后,进入另一个匀强磁场中并分裂为A、B两束,下列说法正确的是(　　)

A.组成A束和B束的离子都带负电

B.组成A束和B束的离子质量一定不同

C.A束离子的比荷大于B束离子的比荷

D.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外

答案C

解析由左手定则知,A、B离子均带正电,A错误;两束离子经过同一速度选择器后的速度相同,在偏转磁场中,由R=可知,半径大的离子对应的比荷小,但离子的质量不一定相同,故选项B错误,C正确;速度选择器中的磁场方向应垂直纸面向里,D错误。

3.右图是医用回旋加速器示意图,其核心部分是两个D形金属盒,两金属盒置于匀强磁场中,并分别与高频电源相连。现分别加速氘核H)和氦核He)。下列说法正确的是(　　)

A.它们的最大速度相同

B.它们的最大动能相同

C.两次所接高频电源的频率可能不相同

D.仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能

答案A

解析根据qvB=m,得v=。两粒子的比荷相等,所以最大速度相等,A正确。最大动能Ek=mv2,两粒子的最大速度相等,但质量不相等,所以最大动能不相等,B错误。带电粒子在磁场中运动的周期T=,两粒子的比荷相等,所以周期相等,做圆周运动的频率相等。因为所接高频电源的频率等于粒子做圆周运动的频率,故两次所接高频电源的频率相同,C错误。由Ek=mv2=可知,粒子的最大动能与加速电压的频率无关;另外,回旋加速器加速粒子时,粒子在磁场中运动的频率和高频电源的频率相同,否则无法加速,D错误。

4.

如图所示,甲是一个带正电的小物块,乙是一个不带电的绝缘物块,甲、乙叠放在一起静置于粗糙的水平地板上,地板上方空间有水平方向的匀强磁场。现用水平恒力拉乙物块,使甲、乙一起保持相对静止向左加速运动。在加速运动阶段,下列说法正确的是(　　)

A.甲对乙的压力不断减小

B.甲、乙两物块间的摩擦力不断增大

C.乙对地板的压力不断减小

D.甲、乙两物块间的摩擦力不断减小

答案D

解析对甲、乙两物块受力分析,甲物块受竖直向下的洛伦兹力不断增大,乙物块对地板的压力不断增大,甲、乙一起向左做加速度减小的加速运动;甲、乙两物块间的摩擦力大小为Ff=m甲a,甲、乙两物块间的摩擦力不断减小。故D正确。

二、多项选择题

5.

质量为m、电荷量为q的微粒以速度v与水平方向成θ角从O点进入方向如图所示的正交的匀强电场和匀强磁场组成的混合场区,该微粒在电场力、洛伦兹力和重力的共同作用下,恰好沿直线运动到A。下列说法正确的是              (　　)

A.该微粒一定带负电荷

B.微粒从O到A的运动可能是匀变速运动

C.该磁场的磁感应强度大小为

D.该电场的电场强度为Bvcos θ

答案AC

解析若微粒带正电荷,它受竖直向下的重力mg、水平向左的电场力qE和垂直OA斜向右下方的洛伦兹力qvB,知微粒不能做直线运动,据此可知微粒应带负电荷,它受竖直向下的重力mg、水平向右的电场力qE和垂直OA斜向左上方的洛伦兹力qvB,又知微粒恰好沿着直线运动到A,可知微粒应该做匀速直线运动,则选项A正确,选项B错误;由平衡条件得:qvBcosθ=mg,qvBsinθ=qE,得磁场的磁感应强度B=,电场的电场强度E=Bvsinθ,故选项C正确,选项D错误。

6.

如图所示,在水平匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场中,有一竖直足够长固定绝缘杆MN,小球P套在杆上,已知P的质量为m、电荷量为+q,电场强度为E,磁感应强度为B,P与杆间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g。小球由静止开始下滑直到稳定的过程中(　　)

A.小球的加速度一直减小

B.小球的机械能和电势能的总和保持不变

C.下滑加速度为最大加速度一半时的速度可能是v=

D.下滑加速度为最大加速度一半时的速度可能是v=

答案CD

解析对小球受力分析如图所示,则mg-μ(qE-qvB)=ma,随着v的增加,小球加速度先增大,当qE=qvB时达到最大值,amax=g,继续运动,mg-μ(qvB-qE)=ma,随着v的增大,a逐渐减小,所以A错误。因为有摩擦力做功,机械能与电势能总和在减小,B错误。若在前半段达到最大加速度的一半,则mg-μ(qE-qvB)=m,得v=;若在后半段达到最大加速度的一半,则mg-μ(qvB-qE)=m,得v=,故C、D正确。

7.如图,为探讨霍尔效应,取一块长度为a、宽度为b、厚度为d的金属导体,给金属导体加与前后侧面垂直的匀强磁场B,且通以图示方向的电流I时,用电压表测得导体上、下表面M、N间电压为U。已知自由电子的电荷量为e,下列说法正确的是(　　)

A.M板比N板电势高

B.导体单位体积内自由电子数越多,电压表的示数越大

C.导体中自由电子定向移动的速度为v=

D.导体单位体积内的自由电子数为

答案CD

解析电流方向向右,电子定向移动方向向左,根据左手定则判断可知,电子所受的洛伦兹力方向向上,则M板积累了电子,M、N之间产生向上的电场,所以M板比N板电势低,选项A错误;电子定向移动相当于长度为d的导体垂直切割磁感线产生感应电动势,电压表的读数U等于感应电动势E,则有U=E=Bdv,可见,电压表的示数与导体单位体积内自由电子数无关,选项B错误;由U=E=Bdv得,自由电子定向移动的速度为v=,选项C正确;电流的微观表达式是I=nevS,则导体单位体积内的自由电子数n=,S=db,v=,代入得n=,选项D正确。

三、非选择题

8.

如图所示,在竖直平面内建立直角坐标系xOy,其第一象限存在着正交的匀强电场和匀强磁场,电场强度的方向水平向右,磁感应强度的方向垂直纸面向里。一电荷量为+q、质量为m的微粒从原点出发沿与x轴正方向的夹角为45°的方向进入复合场中,正好做直线运动,当微粒运动到A(l,l)时,电场方向突然变为竖直向上(不计电场变化的时间),粒子继续运动一段时间后,正好垂直于y轴穿出复合场。不计一切阻力,求:

(1)电场强度E的大小;

(2)磁感应强度B的大小;

(3)粒子在复合场中的运动时间。

答案(1)　(2)　(3)

解析(1)微粒到达A(l,l)之前做匀速直线运动,对微粒受力分析如图甲,所以,Eq=mg,得E=。

甲

(2)由平衡条件得qvB=mg

电场方向变化后,微粒所受重力与电场力平衡,微粒在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,轨迹如图乙。

乙

则qvB=m

由几何知识可得r=l

v=

联立解得B=。

(3)微粒做匀速运动的时间

t1=

做圆周运动的时间

t2=

在复合场中运动时间

t=t1+t2=。

9.电视机显像管中需要用变化的磁场来控制电子束的偏转。图甲为显像管工作原理示意图,阴极K发射的电子束(初速度不计)经电压为U的加速电场后,进入一圆形匀强磁场区,磁场方向垂直于圆面(以垂直圆面向里为正方向),磁场区的中心为O,半径为r,荧光屏MN到磁场区中心O的距离为l。当不加磁场时,电子束将通过O点垂直打到屏幕的中心P点。当磁场的磁感应强度随时间按图乙所示的规律变化时,在荧光屏上得到一条长为2l的亮线。由于电子通过磁场区的时间很短,可以认为在每个电子通过磁场区的过程中磁感应强度不变。已知电子的电荷量为e,质量为m,不计电子之间的相互作用及所受的重力。求:

(1)电子打到荧光屏上时的速度大小;

(2)磁感应强度的最大值B0。

答案(1)　(2)

解析(1)电子打到荧光屏上时速度的大小等于它飞出加速电场时的速度大小,设为v,由动能定理得

eU=mv2

解得v=。

(2)当交变磁场为最大值B0时,电子束有最大偏转,在荧光屏上打在Q点,PQ=l。电子运动轨迹如图所示,

设此时的偏转角度为θ,由几何关系可知,tanθ=,θ=60°

根据几何关系,电子束在磁场中运动路径所对的圆心角α=θ,而tan。

由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得evB0=

解得B0=。

10.(2018·全国卷Ⅰ)如图,在y>0的区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场,电场强度大小为E;在y<0的区域存在方向垂直于xOy平面向外的匀强磁场。一个氕核H和一个氘核H先后从y轴上y=h点以相同的动能射出,速度方向沿x轴正方向。已知H进入磁场时,速度方向与x轴正方向的夹角为60°,并从坐标原点O处第一次射出磁场H的质量为m,电荷量为q,不计重力。求:

(1)H第一次进入磁场的位置到原点O的距离;

(2)磁场的磁感应强度大小;

(3H第一次离开磁场的位置到原点O的距离。

答案(1)h　(2)　(3)-1)h

解析(1H在电场中做类平抛运动,在磁场中做圆周运动,运动轨迹如图所示。设H在电场中的加速度大小为a1,初速度大小为v1,它在电场中的运动时间为t1,第一次进入磁场的位置到原点O的距离为s1。由运动学公式有

s1=v1t1 ①

h=a1 ②

由题给条件H进入磁场时速度的方向与x轴正方向夹角θ1=60°H进入磁场时速度沿y轴方向的分量的大小为a1t1=v1tanθ1              ③

联立以上各式得s1=h。 ④

(2H在电场中运动时,由牛顿第二定律有

qE=ma1 ⑤

设H进入磁场时速度的大小为v1',由矢量合成法则有

v1'= ⑥

设磁感应强度大小为BH在磁场中运动的圆轨道半径为R1,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有qv1'B=              ⑦

由几何关系得s1=2R1sinθ1 ⑧

联立以上各式得B=。 ⑨

(3)设H在电场中沿x轴正方向射出的速度大小为v2,在电场中的加速度大小为a2。

由题给条件得(2m) ⑩

由牛顿第二定律有qE=2ma2 

设H第一次射入磁场时的速度大小为v2',速度的方向与x轴正方向夹角为θ2,入射点到原点的距离为s2,在电场中运动的时间为t2。由运动学公式有s2=v2t2             

h=a2 

v2'= 

sinθ2= 

联立以上各式得s2=s1,θ2=θ1,v2'=v1' 

设H在磁场中做圆周运动的半径为R2,由⑦式及粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径公式得R2=R1             

所以出射点在原点左侧。设H进入磁场的入射点到第一次离开磁场的出射点的距离为s2',由几何关系有s2'=2R2sinθ2             

联立④⑧式得H第一次离开磁场时的位置到原点O的距离为s2'-s2=-1)h。