高考物理一轮复习讲义专题12.2　磁场对运动电荷的作用　带电粒子在有界匀强磁场中的运动（2份打包，原卷版+解析版）

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1.物理观念：洛伦兹力。
（1）.通过实验，认识洛伦兹力。能判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小。
（2）.能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。
2.科学思维：带电粒子在有界匀强磁场中的运动。
（1）会分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。
（2）能够分析带电体在匀强磁场中的运动。
【讲考点题型】
【知识点一】对洛伦兹力的理解和应用
1．洛伦兹力的定义
磁场对运动电荷的作用力．
2．洛伦兹力的大小
（1）v∥B时，F＝0；
（2）v⊥B时，F＝qvB；
（3）v与B的夹角为θ时，F＝qvBsin θ.
3．洛伦兹力的方向
（1）判定方法：应用左手定则，注意四指应指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；
（2）方向特点：F⊥B，F⊥v，即F垂直于B、v决定的平面．（注意B和v可以有任意夹角）
【例1】 （2022·福建福州·三模）洛伦兹力演示仪的实物图和原理图分别如图（a）、图（b）所示。电子束从电子枪向右水平射出，使玻璃泡中的稀薄气体发光，从而显示电子的运动轨迹。调节加速极电压可改变电子速度大小，调节励磁线圈电流可改变磁感应强度，某次实验，观察到电子束打在图（b）中的P点，下列说法正确的是（ ）
A．两个励磁线圈中的电流均为顺时玻璃泡励磁线圈
B．当加大励磁线圈电流时，电子可能出现完整的圆形轨迹励磁线圈
C．当加大加速极电压时，电子打在玻励磁电流加速极电压璃泡上的位置将上移
D．在出现完整轨迹后，减小加速极电压，电子在磁场中圆周运动的周期变小
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【变式训练1】（多选）（2022·广东茂名·模拟预测）云室是借助过饱和水蒸气在离子上凝结来显示带电粒子径迹的装置。云室中加了垂直于纸面向里的磁场，在一张云室中拍摄的照片中a、b、c、d、e是从O点发出的一些正电子或负电子的径迹。关于a、b、c三条径迹判断正确的是（ ）
A．a、b、c都是负电子的径迹
B．a径迹对应的粒子动量最大
C．c径迹对应的粒子动能最大
D．c径迹对应的粒子运动时间最长
【归纳总结】洛伦兹力与电场力的比较
【知识点二】带电粒子在匀强磁场中的运动
1．在匀强磁场中，当带电粒子平行于磁场方向运动时，粒子做匀速直线运动．
2．带电粒子以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，若只受洛伦兹力，则带电粒子在与磁场垂直的平面内做匀速圆周运动．
（1）洛伦兹力提供向心力：qvB＝eq \f(mv2,r).
（2）轨迹半径：r＝eq \f(mv,qB).
（3）周期：T＝eq \f(2πr,v)、T＝eq \f(2πm,qB)，可知T与运动速度和轨迹半径无关，只和粒子的比荷和磁场的磁感应强度有关．
（4）运动时间：当带电粒子转过的圆心角为θ（弧度）时，所用时间t＝eq \f(θ,2π)T.
（5）动能：Ek＝eq \f(1,2)mv2＝eq \f(p2,2m)＝eq \f((Bqr)2,2m).
【例2】（多选）（2022·湖北·高考真题）如图所示，一带电粒子以初速度v0沿x轴正方向从坐标原点О射入，并经过点P（a>0，b>0）。若上述过程仅由方向平行于y轴的匀强电场实现，粒子从О到Р运动的时间为t1，到达Р点的动能为Ek1。若上述过程仅由方向垂直于纸面的匀强磁场实现，粒子从O到Р运动的时间为t2，到达Р点的动能为Ek2。下列关系式正确的是·（ ）
A．t1 t2
C．Ek1Ek2
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【变式训练2】（2022·河南·高三开学考试）如图所示，平面直角坐标系 SKIPIF 1 < 0 内，x轴上方有垂直坐标系平面向里、半径为R的圆形匀强磁场 SKIPIF 1 < 0 （大小未知），圆心为 SKIPIF 1 < 0 。x轴下方有一平行x轴的虚线MN，在其下方有磁感应强度方向垂直坐标系平面向外、大小为 SKIPIF 1 < 0 的矩形匀强磁场，磁场上边界与MN重合。在MN与x轴之间有平行与y轴、场强大小为 SKIPIF 1 < 0 的匀强电场（图中未画出），且MN与x轴相距 SKIPIF 1 < 0 （大小未知）。现有两相同带电粒子a、b以平行x轴的速度 SKIPIF 1 < 0 分别正对 SKIPIF 1 < 0 点、A点 SKIPIF 1 < 0 射入圆形磁场，经偏转后都经过坐标原点O进入x轴下方电场。已知粒子质量为m、电荷量大小为q，不计粒子重力及粒子间的相互作用力。
（1）求磁感应强度 SKIPIF 1 < 0 的大小；
（2）若电场沿y轴负方向，欲使带电粒子a不能到达MN，求 SKIPIF 1 < 0 的最小值；
（3）若电场沿y轴正方向， SKIPIF 1 < 0 ，欲使带电粒子b能到达x轴上且距原点O距离最远，求矩形磁场区域的最小面积。
【方法总结】
1、求解带电粒子运动时间的一般思路
2、确定周期和运动时间的方法
粒子在磁场中运动一周的时间T＝eq \f(2πm,qB)，
当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为θ时，其运动时间t＝eq \f(θ,2π)T＝eq \f(mθ,qB)；
若知道弧长l，则可由t＝eq \f(l,v)＝eq \f(l,2πR)T计算出时间．
【知识点三】带电粒子在有界匀强磁场中的圆周运动
类型1 直线边界磁场
直线边界，粒子进出磁场具有对称性（如图所示）
图a中粒子在磁场中运动的时间t＝eq \f(T,2)＝eq \f(πm,qB)
图b中粒子在磁场中运动的时间
t＝（1－eq \f(θ,π)）T＝（1－eq \f(θ,π)）eq \f(2πm,qB)＝eq \f(2m（π－θ）,qB)
图c中粒子在磁场中运动的时间t＝eq \f(θ,π)T＝eq \f(2θm,qB)
【例3】（2022·河南省驻马店高级中学高三开学考试）如图所示，在x轴上方存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，在xOy平面内，从原点O处沿与x轴正方向成θ角（0＜θ＜π）以速率v发射一个带正电的粒子（重力不计）。则下列说法正确的是（ ）
A．若θ一定，v越大，则粒子在磁场中运动的时间越短
B．若θ一定，v越大，则粒子在磁场中运动的角速度越大
C．若v一定，θ越大，则粒子在磁场中运动的时间越短
D．若v一定，θ越大，则粒子在离开磁场的位置距O点越远
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【变式训练3】（2022·山西·高三开学考试）如图所示，坐标系 SKIPIF 1 < 0 第Ⅰ、Ⅳ象限内存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，第Ⅱ、Ⅲ象限内存在电场强度的大小为E，方向沿y轴负方向的匀强电场。一带正电的离子从x轴上的P点处以初速度 SKIPIF 1 < 0 沿x轴正方向开始运动，离子第一次到达y轴时，速度方向与y轴负方向的夹角为30°。离子通过磁场后再次返回电场中又能回到P点。已知P点的坐标为 SKIPIF 1 < 0 ，不计离子的重力。求：
（1）离子的比荷和离子第一次通过y轴时的位置坐标；
（2）离子两次通过y轴的两点间的距离；
（3）磁场的磁感应强度的大小。
【模型提炼】带电粒子在单直线边界型磁场中的运动当粒子源在磁场中，且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子时：
类型2 平行边界磁场
带电粒子在双直线边界型磁场中的运动
当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子时：
【例4】（多选）（2022·湖北·高考真题）在如图所示的平面内，分界线SP将宽度为L的矩形区域分成两部分，一部分充满方向垂直于纸面向外的匀强磁场，另一部分充满方向垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小均为B，SP与磁场左右边界垂直。离子源从S处射入速度大小不同的正离子，离子入射方向与磁场方向垂直且与SP成30°角。已知离子比荷为k，不计重力。若离子从Р点射出，设出射方向与入射方向的夹角为θ，则离子的入射速度和对应θ角的可能组合为（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 kBL，0°B． SKIPIF 1 < 0 kBL，0°C．kBL，60°D．2kBL，60°
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【变式训练4】（2022·河北·石家庄二中模拟预测）如图所示，厚度不计的光滑绝缘板 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 间距为 SKIPIF 1 < 0 ，板长为 SKIPIF 1 < 0 ，板间有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 。两板的上边界连线 SKIPIF 1 < 0 及其上方和下边界连线 SKIPIF 1 < 0 及其下方的空间都存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 。一个质量为 SKIPIF 1 < 0 的带电的粒子，电量为 SKIPIF 1 < 0 ，从 SKIPIF 1 < 0 的中点S与板成 SKIPIF 1 < 0 角垂直于磁场射入板间，在磁场作用下经 SKIPIF 1 < 0 点垂直于 SKIPIF 1 < 0 边界并恰好能无碰撞地射入上部磁场区域，轨迹如图所示，不计粒子重力。
（1）求粒子从S点射入板间的速度 SKIPIF 1 < 0 的大小；
（2）若该粒子射入上部磁场区后，又恰好能从 SKIPIF 1 < 0 点无碰撞地返回板间磁场，运动过程中与绝缘板相碰时无能量损失且遵循反射定律，经过一段时间后该粒子能再回到S点（回到S点的运动过程中与板只碰撞一次），求粒子从S点出发到再回到S点的时间；
（3）若其他条件均不变， SKIPIF 1 < 0 板不动，将 SKIPIF 1 < 0 板从原位置起向右平移，且保证 SKIPIF 1 < 0 区域内始终存在垂直纸面向里的匀强磁场 SKIPIF 1 < 0 ，若仍需让粒子回到S点（回到S点的运动过程中仍然与板只碰撞一次），则 SKIPIF 1 < 0 到 SKIPIF 1 < 0 的垂直距离 SKIPIF 1 < 0 应满足什么关系？（用 SKIPIF 1 < 0 来表示 SKIPIF 1 < 0 ）
【模型提炼】带电粒子在平行边界磁场中运动时的半径R与平行边界距离d之间的关系如图所示。
类型3 圆形边界磁场
带电粒子在圆形有界磁场区域中的运动
所加磁场为圆形有界区域，让带电粒子沿半径方向射入，带电粒子在磁场中的运动有下列特点：
速率小的带电粒子在磁场中的轨迹短，对应的圆心角大，运动的时间长．
不同速率的带电粒子在磁场中运动的时间t应满足：0