10.3带电粒子在组合场中的运动(原卷版)-2023年高考物理一轮复习提升核心素养

这是一份10.3带电粒子在组合场中的运动(原卷版)-2023年高考物理一轮复习提升核心素养，共11页。试卷主要包含了组合场，分析思路，常见粒子的运动及解题方法等内容，欢迎下载使用。
10.3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，或在同一区域，电场、磁场交替出现．2．分析思路(1)划分过程：将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段，对不同的阶段选取不同的规律处理．(2)找关键点：确定带电粒子在场区边界的速度(包括大小和方向)是解决该类问题的关键．(3)画运动轨迹：根据受力分析和运动分析，大致画出粒子的运动轨迹图，有利于形象、直观地解决问题．3．常见粒子的运动及解题方法 磁场与磁场的组合磁场与磁场的组合问题实质就是两个有界磁场中的圆周运动问题，带电粒子在两个磁场中的速度大小相同，但轨迹半径和运动周期往往不同．解题时要充分利用两段圆弧轨迹的衔接点与两圆心共线的特点，进一步寻找边角关系． 例题1.O点为圆心、半径为R的圆形区域内以直径AB为分界线，左半圆内有垂直纸面向外的匀强磁场，右半圆内有垂直纸面向里的匀强磁场，两磁场的磁感应强度大小相等。现有质量和电荷量均相同的两个粒子1、2，分别从A点和C点垂直磁场方向射入磁场，且从C点入射的粒子速度方向与AB平行，观察到它们的轨迹如图所示，两粒子在O点发生正碰。C点到AB的距离为0.5R，粒子的重力不计，不考虑两粒子间的作用力，下列说法正确的是（　　）A．两粒子均带正电B．1粒子应先进入磁场C．1、2粒子在磁场中运动的半径之比为D．1、2粒子速度大小之比为空间存在如图所示相邻的两个磁场，磁场Ⅰ宽度为d，垂直纸面向里，磁感应强度为B。磁场Ⅱ方向垂直纸面向外，宽度为2d。现让质量为m带电量为q的正粒子以水平速度垂直磁场Ⅰ从P点射入磁场，粒子在磁场中运动后恰好从磁场Ⅱ边缘C处水平射出。若让同样的粒子以的水平速度从P点射入，粒子恰好从C点上方处水平射出（图中未标出）。不计粒子重力，，，求：（1）以的速度射入的粒子在磁场中运动的时间；（2）粒子的速度和的大小之比。空间存在两个垂直于Oxy平面的匀强磁场，y轴为两磁场的边界，磁感应强度分别为2B0、3B0.甲、乙两种比荷不同的粒子同时从原点O沿x轴正向射入磁场，速度均为v.甲第1次、第2次经过y轴的位置分别为P、Q，其轨迹如图所示．甲经过Q时，乙也恰好同时经过该点．已知甲的质量为m，电荷量为q.不考虑粒子间的相互作用和重力影响．求：(1)Q到O的距离d；(2)甲两次经过P点的时间间隔Δt；(3)乙的比荷可能的最小值．电场与磁场的组合一、先电场后磁场1．带电粒子先在匀强电场中做匀加速直线运动，然后垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动，如图甲．2．带电粒子先在匀强电场中做类平抛运动，然后垂直进入磁场做匀速圆周运动，如图乙．二、先电场后磁场1．进入电场时粒子速度方向与电场方向相同或相反(如图甲所示)．2．进入电场时粒子速度方向与电场方向垂直(如图乙所示)． 例题2.如图所示，在xOy直角坐标系的第三象限有板间电压为U=3.0×104V的两平行金属板，板间距离和板长均为L=20cm，上极板刚好在x轴上且带正电，板的左侧有一粒子接收屏；第一、四象限分别有一半径为R=10cm的圆形匀强磁场，分别与y、x轴在C、D点和E点相切，磁感应强度均为B=0.4T，方向垂直纸面向外。第二象限中存在沿x轴正方向的匀强电场，电场强度为E=1.0×105V/m。其中AM为x=-20cm的直线。现有许多质量为m=6.4×10-27kg、带电荷量为q=＋1.6×10-19C的粒子分布在AM上的（-20cm，5cm）到（-20cm，15cm）区域，将粒子由静止释放。不考虑各场之间的相互影响、粒子的重力和粒子之间的相互作用。求：（1）粒子进入第一象限磁场时的速度大小；（2）粒子进入第三象限时击中y轴负半轴的范围；（3）接收屏能接收到的粒子数占进入平行板总粒子数的百分比。如图所示，半径为R的圆形区域，圆心位于平面直角坐标系原点O，其内充满垂直于xOy平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B0；在第四象限x≥R空间充满沿y轴正方向的匀强电场。位于x轴上的离子源以恒定速度射出电荷量为q、质量为m的正离子，离子沿x轴正方向进入磁场，经坐标点（4R，0）离开电场。己知离子离开磁场时速度方向与x轴正方向的夹角=60°。忽略离子间的相互作用，不计重力。求（1）离子在圆形区域中运动时的速度的大小v；（2）电场强度的大小E。(2018·全国卷Ⅰ·25)如图，在y>0的区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为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；(3)H第一次离开磁场的位置到原点O的距离．粒子多次进出电场、磁场的运动例题3.某同学设计如图所示的粒子约束装置，空间存在三个同心圆a、b、 c围成的区域，O为圆心，a的半径为，b的半径为。 a与b之间存在沿径向向外的辐射状电场，a与b之间电压U=500V。 b与c之间存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B=0.1T。在圆a上的P点有一比荷为带负电的粒子，沿OP方向以速率开始运动，粒子不穿出约束装置c边界。不计粒子的重力，可能用到的三角函数∶ ，求∶（1）粒子在磁场中做圆周运动的半径r1；（2）粒子在一个周期内运动的路程s；（3）若在P点无初速释放比荷为的带正电的粒子，且a与b之间电压调整为U=297V。粒子从P点开始运动（记作第一次经过P点）到第二次经过P点的过程中，粒子在磁场中运动的总时间t。(2021·广东卷·14)如图是一种花瓣形电子加速器简化示意图，空间有三个同心圆a、b、c围成的区域，圆a内为无场区，圆a与圆b之间存在辐射状电场，圆b与圆c之间有三个圆心角均略小于90°的扇环形匀强磁场区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ.各区磁感应强度恒定，大小不同，方向均垂直纸面向外．电子以初动能Ek0从圆b上P点沿径向进入电场，电场可以反向，保证电子每次进入电场即被全程加速，已知圆a与圆b之间电势差为U，圆b半径为R，圆c半径为R，电子质量为m，电荷量为e，忽略相对论效应，取tan 22.5°＝0.4.(1)当Ek0＝0时，电子加速后均沿各磁场区边缘进入磁场，且在电场内相邻运动轨迹的夹角θ均为45°，最终从Q点出射，运动轨迹如图中带箭头实线所示，求Ⅰ区的磁感应强度大小、电子在Ⅰ区磁场中的运动时间及在Q点出射时的动能；(2)已知电子只要不与Ⅰ区磁场外边界相碰，就能从出射区域出射．当Ek0＝keU时，要保证电子从出射区域出射，求k的最大值． 如图，直角坐标系xOy中，在第一象限内有沿y轴负方向的匀强电场；在第三、第四象限内分别有方向垂直于坐标平面向里和向外的匀强磁场．一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子从y轴上P点(0，h)以初速度v0垂直于y轴射入电场，再经x轴上的Q点沿与x轴正方向成45°角进入磁场．粒子重力不计．(1)求匀强电场的场强大小E；(2)要使粒子能够进入第三象限，求第四象限内磁感应强度B的大小范围；(3)若第四象限内磁感应强度大小为，第三象限内磁感应强度大小为，且第三、第四象限的磁场在y＝－L(L>2h)处存在一条与x轴平行的下边界MN(图中未画出)，则要使粒子能够垂直边界MN飞出磁场，求L的可能取值．1. 如图所示，宽度为两平行竖直边界MN、PQ间有一水平匀强电场，PQ右侧有一半径为的圆形匀强磁场区域，为圆心，磁场方向垂直纸面向里，一质量为，带电量为的粒子在边界MN上的O点由静止释放，经电场加速后，以速度沿轴线进入磁场区域，经磁场边界a点后从磁场区域边界上d点离开磁场，且，不计粒子重力。（1）求匀强电场的电场强度的大小；（2）求匀强磁场的磁感应强度的大小；（3）若在圆形磁场右侧还存在着另一个矩形匀强磁场区域，其左边界与PQ平行，磁场方向垂直于纸面所在平面，粒子经过该磁场偏转后恰好又能回到a点，求矩形磁场的磁感应强度大小。2. 平面直角坐标系xOy中，第二象限存在沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E，第三、四象限存在垂直坐标平面向里的匀强磁场，如图所示．一质量为m，带电荷量为q的正粒子从坐标为(－L，L)的P点沿y轴负向进入电场，初速度大小为v0＝，粒子第二次到达x轴的位置为坐标原点．不计粒子的重力．(1)求匀强磁场的磁感应强度B的大小；(2)若粒子由P点沿x轴正方向入射，初速度仍为v0＝，求粒子第二次到达x轴时与坐标原点的距离．3. 如图所示，在x轴上方存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外；在x轴下方存在匀强电场，电场方向与xOy平面平行，且与x轴成45°夹角．一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子以初速度v0从y轴上的P点沿y轴正方向射出，一段时间后进入电场，进入电场时的速度方向与电场方向相反；又经过一段时间T0，磁场的方向变为垂直于纸面向里，大小不变．不计重力．(1)求粒子从P点出发至第一次到达x轴时所需时间；(2)若要使粒子能够回到P点，求电场强度的最大值．4. 如图所示，xOy平面内，OP与x轴夹角为θ＝53°，在 xOP 范围内(含边界)存在垂直于坐标平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1 T．第二象限有平行于 y轴向下的匀强电场，场强大小为E ＝×105 V/m.一带电微粒以速度 v0 ＝5×106 m/s从 x 轴上 a(L,0)点平行于OP射入磁场，并从OP上的b点垂直于OP离开磁场，与y轴交于c点，最后回到x轴上的点d，图中点b、d未标出．已知L＝ m，sin 53°＝，cos 53°＝，不计微粒的重力，求： (1)微粒的比荷；(2)d 点与O点的距离l; (3)仅改变磁场强弱而其他条件不变，当磁感应强度Bx大小满足什么条件时，微粒能到达第四象限．5. (2022·湖北宜昌市联考)如图所示，在矩形区域ABCD内存在竖直向上的匀强电场，在BC右侧Ⅰ、Ⅱ两区域存在匀强磁场，L1、L2、L3是磁场的边界(BC与L1重合)，宽度相同，方向如图所示，区域Ⅰ的磁感应强度大小为B1.一电荷量为＋q、质量为m的粒子(重力不计)从AD边中点以初速度v0沿水平向右方向进入电场，粒子恰好从B点进入磁场，经区域Ⅰ后又恰好从与B点同一水平高度处进入区域Ⅱ.已知AB长度是BC长度的倍．(1)求带电粒子到达B点时的速度大小；(2)求区域Ⅰ磁场的宽度L；(3)要使带电粒子在整个磁场中运动的时间最长，求区域Ⅱ的磁感应强度B2的最小值．6. 如图所示，直线PQ的左边为磁感应强度为B的匀强磁场，右边为电场强度为E的匀强电场。一带电荷量为q(q>0)、质量为m的粒子从MN上的C点与MN成60°角的方向，以速度v射入匀强磁场，在磁场中发生偏转后从D点(图中未画出)垂直于PQ进入匀强电场，最后到达MN上F点(图中未画出)，假定粒子始终未射出电场和磁场，不计粒子重力，求：(1)从C点到F点所用的时间；(2)到达F点时的动能。7. 如图所示的空间中有一直角坐标系Oxy，第一象限内存在竖直向下的匀强电场，第四象限x轴下方存在沿x轴方向足够长，宽度d＝(5＋5) m的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外，磁感应强度大小B＝0.4 T，一带正电粒子质量m＝3.2×10－4 kg、所带电荷量q＝0.16 C，从y轴上的P点以v0＝1.0×103 m/s的速度水平射入电场，再从x轴上的Q点进入磁场，已知OP＝9 m，粒子进入磁场时其速度方向与x轴正方向夹角θ＝60°，不计粒子重力，求：(1)OQ的距离；(2)粒子在磁场中运动的半径；(3)粒子在磁场中运动的时间。(π值近似取3)