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(通用版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第九章 第57課時(shí) 帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(題型研究課)講義(含解析)

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(通用版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第九章 第57課時(shí) 帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(題型研究課)講義(含解析)

(通用版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第九章 第57課時(shí) 帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(題型研究課)講義(含解析)   1.兩種方法定圓心 (1)已知入射方向和出射方向時(shí),可通過(guò)入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作垂直于入射方向和出射方向的直線(xiàn),兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心。如圖甲所示,圖中P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn)。 (2)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí),可以通過(guò)入射點(diǎn)作入射方向的垂線(xiàn),連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn),作其中垂線(xiàn),這兩條垂線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心。如圖乙所示,P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn)。 2.幾何知識(shí)求半徑 (1)直線(xiàn)邊界(進(jìn)出磁場(chǎng)具有對(duì)稱(chēng)性,如圖所示)。 (2)平行邊界(存在臨界條件,如圖所示)。 (3)圓形邊界(沿徑向射入必沿徑向射出,如圖所示)。 考法1 直線(xiàn)邊界的磁場(chǎng)  [例1] (多選)如圖所示,MN是磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的邊界。一質(zhì)量為m、電荷量為q、不計(jì)重力的帶電粒子在紙面內(nèi)從O點(diǎn)射入磁場(chǎng)。若粒子速度為v0,最遠(yuǎn)可落在邊界上的A點(diǎn)。下列說(shuō)法中正確的有(  ) A.若粒子落在A點(diǎn)的左側(cè),其速度一定小于v0 B.若粒子落在A點(diǎn)的右側(cè),其速度一定大于v0 C.若粒子落在A點(diǎn)左右兩側(cè)相距為d的范圍內(nèi),其速度不可能小于v0- D.若粒子落在A點(diǎn)左右兩側(cè)相距為d的范圍內(nèi),其速度不可能大于v0+ [解析] 因粒子由O點(diǎn)以速度v0射入磁場(chǎng)時(shí),最遠(yuǎn)落在A點(diǎn),又粒子在O點(diǎn)垂直于邊界射入磁場(chǎng)時(shí),在邊界上的落點(diǎn)最遠(yuǎn),即=,所以粒子若落在A點(diǎn)的右側(cè),速度應(yīng)大于v0,B正確;當(dāng)粒子落在A點(diǎn)的左側(cè)時(shí),由于不一定是垂直于邊界入射,所以速度可能等于、大于或小于v0,A錯(cuò)誤;當(dāng)粒子射到A點(diǎn)左側(cè)相距為d的點(diǎn)時(shí),最小速度為vmin,則=,又因=,即vmin=v0-,所以粒子落在A點(diǎn)左右兩側(cè)相距為d的范圍內(nèi),其速度不可能小于vmin=v0-,C正確;當(dāng)粒子射到A點(diǎn)右側(cè)相距為d的點(diǎn)時(shí),最小速度為v1,則=,又因=,即v1=v0+,D錯(cuò)誤。 [答案] BC 考法2 平行邊界的磁場(chǎng)  [例2] (多選)如圖所示,寬d=4 cm 的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng),縱向范圍足夠大,磁場(chǎng)方向垂直紙面向里。現(xiàn)有一群正粒子從O點(diǎn)以相同的速率沿紙面不同方向進(jìn)入磁場(chǎng),若粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑為r=10 cm,則(  ) A.右邊界:-8 cm<y<8 cm有粒子射出 B.右邊界:0<y<8 cm有粒子射出 C.左邊界:y>8 cm有粒子射出 D.左邊界:0<y<16 cm有粒子射出 [解析] 根據(jù)左手定則,正粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中將沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),由軌跡半徑r=10 cm畫(huà)出粒子的兩種臨界運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖所示,則OO1=O1A=OO2=O2C=O2E=10 cm,由幾何知識(shí)求得AB=BC=8 cm,OE=16 cm,因此A、D正確。 [答案] AD 考法3 圓形邊界的磁場(chǎng)  [例3] (2019·四川四市二診)如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子(不計(jì)重力),從靜止經(jīng)電場(chǎng)加速后從圓形空間邊緣上的A點(diǎn)沿半徑方向垂直射入磁場(chǎng),在C點(diǎn)射出。已知∠AOC=120°,粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t0,則加速電場(chǎng)的電壓是(  ) A.         B. C. D. [解析] 根據(jù)幾何知識(shí)可知,粒子軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角為α=180°-120°=60°=,軌跡半徑為R=rtan 60°=r,由t0=·及qU=mv2,得U=,A正確。 [答案] A 考法4 正方形邊界的磁場(chǎng)  [例4] (多選)如圖所示,有一個(gè)正方形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域abcd,e是ad的中點(diǎn),f是cd的中點(diǎn),如果在a點(diǎn)沿對(duì)角線(xiàn)方向以速度v射入一帶負(fù)電的帶電粒子,恰好從e點(diǎn)射出,則(  ) A.如果粒子的速度增大為原來(lái)的二倍,將從d點(diǎn)射出 B.如果粒子的速度增大為原來(lái)的三倍,將從f點(diǎn)射出 C.如果粒子的速度不變,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大為原來(lái)的二倍,粒子將從d點(diǎn)射出 D.只改變粒子的速度,使其分別從e、d、f點(diǎn)射出時(shí),從f點(diǎn)射出所用的時(shí)間最短 [解析] 由r=可知,如果粒子的速度增大為原來(lái)的二倍,粒子在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡半徑增大到原來(lái)的二倍,粒子將從d點(diǎn)射出,選項(xiàng)A正確;如果粒子的速度增大為原來(lái)的三倍,假設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域足夠大,粒子會(huì)通過(guò)ad延長(zhǎng)線(xiàn)上的g點(diǎn),且dg=ae,可知粒子將從d、f之間的某確定點(diǎn)射出,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;如果粒子的速度不變,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來(lái)的二倍,粒子將從ae的中點(diǎn)射出,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;粒子從e、d點(diǎn)射出時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度相等,所用時(shí)間相等,從f點(diǎn)射出時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度最小,所用的時(shí)間最短,選項(xiàng)D正確。 [答案] AD 考法5 三角形邊界的磁場(chǎng)  [例5] (2019·福州模擬)如圖所示,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的邊界為直角三角形abc,一束帶正電的相同粒子以不同的速度v沿bc方向從b點(diǎn)射入磁場(chǎng),不計(jì)粒子的重力。關(guān)于粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況,下列說(shuō)法正確的是(  ) A.入射速度越大的粒子,在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng) B.入射速度越大的粒子,在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡越長(zhǎng) C.從ab邊出射的粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相等 D.從ac邊出射的粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相等 [解析] 帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),軌跡半徑r=,速度越大,半徑越大,從ac邊出射的粒子,速度越大,運(yùn)動(dòng)軌跡越短,對(duì)應(yīng)的圓心角θ越小,根據(jù)t=T和T=可知,粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短,選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤;從ab邊出射的粒子速度的偏向角都相同,而粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡所對(duì)的圓心角等于速度的偏向角,由t=T可知,粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等,選項(xiàng)C正確。 [答案] C 考法6 其他形狀邊界的磁場(chǎng)  [例6] (2016·四川高考)如圖所示,正六邊形abcdef區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一帶正電的粒子從f點(diǎn)沿fd方向射入磁場(chǎng)區(qū)域,當(dāng)速度大小為vb時(shí),從b點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng),在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為tb,當(dāng)速度大小為vc時(shí),從c點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng),在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為tc,不計(jì)粒子重力。則(  ) A.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=2∶1 B.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=1∶2 C.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=2∶1 D.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=1∶2 [解析] 如圖所示,設(shè)正六邊形的邊長(zhǎng)為l,當(dāng)帶電粒子的速度大小為vb時(shí),其圓心在a點(diǎn),軌跡半徑r1=l,轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角θ1=π,當(dāng)帶電粒子的速度大小為vc時(shí),其圓心在O點(diǎn)(即fa、cb延長(zhǎng)線(xiàn)的交點(diǎn)),故軌跡半徑r2=2l,轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角θ2=,根據(jù)qvB=m得v=,故==。由T=得T=,所以?xún)闪W釉诖艌?chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等,又t=T,所以==。故選項(xiàng)A正確,B、C、D錯(cuò)誤。 [答案] A (1)帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),一般要先根據(jù)不同的磁場(chǎng)邊界畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡,然后利用幾何知識(shí)計(jì)算軌跡半徑。 (2)根據(jù)r=、T=,已知m、v、q、B可計(jì)算半徑、周期;已知半徑、周期也可計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度、比荷、電荷量等。 (3)計(jì)算粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,需要知道周期和圓心角,常根據(jù)t=·T計(jì)算?! ? 命題點(diǎn)二 臨界極值問(wèn)題 1.臨界條件的挖掘 (1)剛好穿出磁場(chǎng)邊界的條件是帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與邊界相切。 (2)當(dāng)速率v一定時(shí),弧長(zhǎng)(或弦長(zhǎng))越長(zhǎng),圓心角越大(前提條件是劣弧),則帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)。 (3)當(dāng)速率v變化時(shí),軌跡圓心角越大,運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。 (4)當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡圓半徑大于圓形磁場(chǎng)半徑時(shí),則以磁場(chǎng)直徑的兩端點(diǎn)為入射點(diǎn)和出射點(diǎn)的軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角最大。 2.不同邊界磁場(chǎng)中臨界條件的分析 (1)平行邊界:常見(jiàn)的臨界情景和幾何關(guān)系如圖所示。 (2)矩形邊界:如圖所示,可能會(huì)涉及與邊界相切、相交等臨界問(wèn)題。 (3)三角形邊界:如圖所示是正△ABC區(qū)域內(nèi)某正粒子垂直于AB進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子臨界軌跡示意圖。粒子能從AB間射出的臨界軌跡如圖甲所示,粒子能從AC間射出的臨界軌跡如圖乙所示。 [典例] (多選)如圖所示,在一個(gè)等腰直角三角形ACD區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子(不計(jì)重力),沿紙面從AC邊的中點(diǎn)O垂直于AC邊射入該勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,若該三角形的兩直角邊長(zhǎng)均為2l,則下列關(guān)于粒子運(yùn)動(dòng)的說(shuō)法中正確的是(  ) A.若該粒子的入射速度為v=,則粒子一定從CD邊射出磁場(chǎng),且距點(diǎn)C的距離為l B.若要使粒子從CD邊射出,則該粒子從O點(diǎn)入射的最大速度應(yīng)為v= C.若要使粒子從AC邊射出,則該粒子從O點(diǎn)入射的最大速度應(yīng)為v= D.該粒子以不同大小的速度入射時(shí),在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間為 [解析] 若粒子的入射速度為v=,根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心力可知Bqv=m,解得r=l;根據(jù)幾何關(guān)系可知,粒子一定從CD邊上距C點(diǎn)為l的位置離開(kāi)磁場(chǎng),故A正確;根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心力可知,v=,因此半徑越大,速度越大。根據(jù)幾何關(guān)系可知,若要使粒子從CD邊射出,粒子軌跡與AD邊相切時(shí)半徑最大,由幾何關(guān)系可知,最大半徑滿(mǎn)足(rm+l)2=rm2+rm2,解得rm=(+1)l,則若要使粒子從CD邊射出,該粒子從O點(diǎn)入射的最大速度應(yīng)為v=,故B錯(cuò)誤;若要使粒子從AC邊射出,則該粒子從O點(diǎn)入射的最大軌跡半徑為l,因此最大速度應(yīng)為v=,故C正確;粒子運(yùn)行周期為,根據(jù)幾何關(guān)系可知,粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的最大圓心角為180°,故在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間為,故D正確。 [答案] ACD [集訓(xùn)沖關(guān)] 1.如圖所示,半徑為R的半圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(未畫(huà)出)。一質(zhì)量為m、電荷量為-q且不計(jì)重力的粒子,以速度v沿與半徑AO夾角θ=30° 的方向從A點(diǎn)垂直磁場(chǎng)射入,最后粒子從圓弧MAN上射出,則磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不可能為(  ) A.          B. C. D. 解析:選B 由題意知,臨界條件為粒子運(yùn)動(dòng)軌跡恰好與MN相切,粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,根據(jù)幾何知識(shí)可得∠AO′B=120°,∠OAB=∠BAO′=30°,故=,r=,解得r=R,又知r=,解得B=,為使粒子從圓弧MAN上射出,則r≤R,即B≥,故B不可能。 2.如圖所示,在圓心為O的圓形區(qū)域內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。邊界上的一粒子源A,向磁場(chǎng)區(qū)域發(fā)射出質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子,其速度大小均為v,方向垂直于磁場(chǎng)且分布在AO右側(cè)α角的范圍內(nèi)(α為銳角)。已知磁場(chǎng)區(qū)域的半徑為,其左側(cè)有與AO平行的接收屏,不計(jì)帶電粒子所受重力和相互作用力,求: (1)沿AO方向入射的粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與入射方向的夾角; (2)接收屏上能接收到帶電粒子區(qū)域的寬度。 解析:(1)根據(jù)左手定則,可知粒子在磁場(chǎng)中沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰣A周運(yùn)動(dòng),設(shè)其半徑為R, 有qBv=,得R=, 可知帶電粒子運(yùn)動(dòng)半徑與磁場(chǎng)區(qū)域半徑相等。 沿AO方向射入磁場(chǎng)的粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與入射方向之間的夾角為,如圖所示。 (2)設(shè)粒子入射方向與AO的夾角為θ,粒子離開(kāi)磁場(chǎng)的位置為A′,粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心為O′。 根據(jù)題意可知四邊形AOA′O′四條邊長(zhǎng)度均為,是菱形,有O′A′∥OA,故粒子出射方向必然垂直于OA所在直線(xiàn),然后做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)垂直擊中接收屏,如圖所示。 設(shè)與AO成θ角射入磁場(chǎng)的粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的位置A′與A點(diǎn)的豎直距離為d,有 d=R+Rcos= 設(shè)d的最大值和最小值分別為d1和d2,有 d1=,d2= 故接收屏上能接收到帶電粒子區(qū)域的寬度為 Δd=d1-d2=。 答案:(1) (2) 命題點(diǎn)三 勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的多解問(wèn)題 造成帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)多解的原因很多,列舉以下幾種情形: 1.帶電粒子電性不確定形成多解 受洛倫茲力作用的帶電粒子,由于電性不同,當(dāng)速度相同時(shí),正、負(fù)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡不同,形成多解。 如圖甲所示,帶電粒子以速率v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),若帶正電,其軌跡為a;若帶負(fù)電,其軌跡為b。 2.磁場(chǎng)方向不確定形成多解 有些題目只知磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,而不知其方向,此時(shí)必須要考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不確定而形成的多解。 如圖乙所示,帶正電粒子以速率v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),若B垂直紙面向里,其軌跡為a;若B垂直紙面向外,其軌跡為b。 3.臨界狀態(tài)不唯一形成多解 帶電粒子在洛倫茲力作用下飛越有界磁場(chǎng)時(shí),由于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧狀,因此,它可能穿過(guò)去,也可能轉(zhuǎn)過(guò)180°從入射界面這邊反向飛出,從而形成多解,如圖丙所示。 4.運(yùn)動(dòng)的往復(fù)性形成多解 帶電粒子在部分是電場(chǎng),部分是磁場(chǎng)的空間運(yùn)動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)往往具有往復(fù)性,從而形成多解,如圖丁所示。 [例1] 如圖所示,在半徑為R的圓周內(nèi)外兩區(qū)域分別存在與圓周平面垂直、方向相反的勻強(qiáng)磁場(chǎng),其中內(nèi)部區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,外部區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小未知。M、N、P、Q是兩條互相垂直的直徑與圓周邊界的交點(diǎn),現(xiàn)有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子(不計(jì)重力),從M點(diǎn)沿MN方向射入圓周內(nèi)部區(qū)域。 (1)若粒子從M點(diǎn)沿MN方向射入圓周內(nèi)部區(qū)域后,從P點(diǎn)射出圓周區(qū)域,求粒子所帶電荷的電性及射入速度v0的大?。? (2)若該粒子從P點(diǎn)射出后,從N點(diǎn)返回圓周內(nèi)部區(qū)域,求圓周外部區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小及該粒子由M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)所用的時(shí)間; (3)若圓周內(nèi)外的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,要使粒子從M點(diǎn)指向圓心方向射入,經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)繞圓周邊界一周后回到M點(diǎn),求粒子運(yùn)動(dòng)的速度v應(yīng)滿(mǎn)足的條件。 [解析]  (1)根據(jù)粒子偏轉(zhuǎn)方向,利用左手定則可以判斷粒子帶正電荷。 如圖甲所示,由幾何關(guān)系易知,粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑與圓周邊界的半徑相等,即r=R 在圓周內(nèi)部磁場(chǎng)區(qū)域里有 qv0B=m 解得v0=。 (2)如圖乙所示,粒子從P點(diǎn)射出后,從N點(diǎn)返回圓周內(nèi)部區(qū)域 由幾何知識(shí)可得,粒子在圓周外部區(qū)域運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑r1=R 設(shè)圓周外部區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1,粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力提供向心力,有qv0B1=m 解得B1=B 由粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=可知,粒子在圓周內(nèi)部和圓周外部做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等 即T外=T內(nèi)= 粒子從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)的時(shí)間為t=T內(nèi)+T外 解得t=。 (3)如圖丙所示,粒子每次偏轉(zhuǎn)中射入圓周內(nèi)部區(qū)域的速度方向和射出速度方向與圓周邊界有兩交點(diǎn),設(shè)兩交點(diǎn)與圓心連線(xiàn)的夾角為θ 由幾何關(guān)系可知,粒子在圓周內(nèi)部區(qū)域的軌跡半徑r2=Rtan 粒子運(yùn)動(dòng)時(shí),洛倫茲力提供向心力,有qvB=m 若經(jīng)偏轉(zhuǎn)繞圓周邊界一周回到M點(diǎn),由幾何關(guān)系易知,粒子最少在圓周邊界內(nèi)外偏轉(zhuǎn)3次,有nθ=2π(n=3,4,5,6,…) 解得粒子的運(yùn)動(dòng)速度為 v=(n=3,4,5,6,…)。 [答案] (1)正電荷  (2)B  (3)v=(n=3,4,5,6,…) [例2] (2019·衡陽(yáng)聯(lián)考)“太空粒子探測(cè)器”是由加速裝置、偏轉(zhuǎn)裝置和收集裝置三部分組成的,其原理可簡(jiǎn)化為如圖所示示意圖。輻射狀的加速電場(chǎng)區(qū)域邊界為兩個(gè)同心圓,圓心為O,外圓的半徑R1=2 m,電勢(shì)φ1=50 V,內(nèi)圓的半徑R2=1 m,電勢(shì)φ2=0,內(nèi)圓里有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=5×10-3 T、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),收集薄板MN與內(nèi)圓的一條直徑重合,收集薄板兩端M、N與內(nèi)圓間各存在一狹縫。假設(shè)太空中漂浮著質(zhì)量m=1.0×10-10 kg、電荷量q=4×10-4 C的帶正電粒子,它們能均勻地吸附到外圓面上,并被加速電場(chǎng)從靜止開(kāi)始加速,進(jìn)入磁場(chǎng)后,發(fā)生偏轉(zhuǎn),最后打在收集薄板MN上并被吸收(收集薄板兩側(cè)均能吸收粒子),不考慮粒子相互間的碰撞和作用。 (1)求粒子剛到達(dá)內(nèi)圓時(shí)速度的大??; (2)以收集薄板MN所在的直線(xiàn)為x軸建立如圖所示的平面直角坐標(biāo)系,分析外圓哪些位置的粒子將在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中做周期性運(yùn)動(dòng),指出該位置并求出這些粒子運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)在磁場(chǎng)中所用時(shí)間。 [解析] (1)粒子在電場(chǎng)中被加速時(shí),由動(dòng)能定理可知 qU=mv2-0 U=φ1-φ2 解得v=2×104 m/s。 (2)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后,在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),有 qvB= 解得r=1 m 因?yàn)閞=R2,所以由幾何關(guān)系可知,從收集薄板MN左端貼著其上表面進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)圓周后,射出磁場(chǎng),進(jìn)入電場(chǎng),在電場(chǎng)中先減速至外圓處后反向加速,并返回磁場(chǎng),如此反復(fù)地做周期性運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。 由圖易知,粒子運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)在磁場(chǎng)中所用時(shí)間為 T== 解得T=π×10-4 s 在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中做周期性運(yùn)動(dòng)的粒子在外圓上的四個(gè)位置坐標(biāo)分別為(0,2 m),(2 m,0),(0,-2 m),(-2 m,0)。 [答案] (1)2×104 m/s (2)(0,2 m),(2 m, 0),(0, -2 m),(-2 m, 0) π×10-4 s [集訓(xùn)沖關(guān)] 1.(多選)如圖所示,xOy平面的一、二、三象限內(nèi)存在垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng),ON為處于y軸負(fù)方向的彈性絕緣薄擋板,長(zhǎng)度為 9 m,M點(diǎn)為x軸正方向上一點(diǎn),OM間距為3 m。現(xiàn)有一個(gè)比荷大小為=1.0 C/kg可視為質(zhì)點(diǎn)帶正電的小球(重力不計(jì)),從擋板下端N處以不同的速度沿x軸負(fù)方向射入磁場(chǎng),若與擋板相碰就以原速率彈回,且碰撞時(shí)間不計(jì),碰撞時(shí)電荷量不變,小球最后都能經(jīng)過(guò)M點(diǎn),則小球射入的速度大小可能是(  ) A.3 m/s        B.3.75 m/s C.4 m/s D.5 m/s 解析:選ABD 因?yàn)樾∏蛏淙氪艌?chǎng)后再通過(guò)y軸時(shí)的速度方向一定是沿x軸正方向,故帶電小球做圓周運(yùn)動(dòng)軌跡半徑最小值Rmin=lOM=3 m,即Rmin=,解得vmin=3 m/s;經(jīng)驗(yàn)證,帶電小球能以3 m/s 速度進(jìn)入磁場(chǎng),與ON碰撞一次,再經(jīng)四分之三圓周經(jīng)過(guò)M點(diǎn),如圖甲所示,A項(xiàng)正確;當(dāng)帶電小球與ON不碰撞,直接經(jīng)過(guò)M點(diǎn),如圖乙所示,小球沿x軸負(fù)方向射入磁場(chǎng),則軌跡圓心一定在y軸上,由幾何關(guān)系知,此時(shí)軌跡半徑最大值滿(mǎn)足Rmax2=lOM2+(lON-Rmax)2,解得Rmax=5 m,又Rmax=,解得vmax=5 m/s,D項(xiàng)正確;當(dāng)小球速度大于3 m/s、小于5 m/s時(shí),軌跡如圖丙所示,由過(guò)圓直徑的內(nèi)接三角形幾何條件可得=,解得軌跡半徑R=3.75 m(另一解R=3 m舍去),由半徑公式R=,得v=3.75 m/s,B項(xiàng)正確;由上述分析易知C項(xiàng)錯(cuò)誤。 2.某裝置用磁場(chǎng)控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng),工作原理如圖所示。裝置的長(zhǎng)為L(zhǎng),上下兩個(gè)相同的矩形區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向與紙面垂直且相反,兩磁場(chǎng)的間距為d。裝置右端有一收集板,M、N、P為板上的三點(diǎn),M位于軸線(xiàn)OO′上,N、P分別位于下方磁場(chǎng)的上、下邊界上。在紙面內(nèi),質(zhì)量為m、電荷量為-q的粒子以某一速度從裝置左端的中點(diǎn)射入,方向與軸線(xiàn)成30°角,經(jīng)過(guò)上方的磁場(chǎng)區(qū)域一次,恰好到達(dá)P點(diǎn)。改變粒子入射速度的大小,可以控制粒子到達(dá)收集板上的位置。不計(jì)粒子的重力。 (1)求磁場(chǎng)區(qū)域的寬度h; (2)欲使粒子到達(dá)收集板的位置從P點(diǎn)移到N點(diǎn),求粒子入射速度的最小變化量Δv; (3)欲使粒子到達(dá)M點(diǎn),求粒子入射速度大小的可能值。 解析:(1)設(shè)粒子在磁場(chǎng)中的軌跡半徑為r 根據(jù)題意及幾何關(guān)系可得L=3rsin 30°+3dcos 30° 且h=r(1-cos 30°) 解得h=。 (2)設(shè)改變?nèi)肷渌俣群罅W釉诖艌?chǎng)中的軌跡半徑為r′ m=qvB m=qv′B 由題意知3rsin 30°=4r′sin 30° 解得Δv=v-v′=。 (3)設(shè)粒子經(jīng)過(guò)上方磁場(chǎng)與經(jīng)過(guò)下方磁場(chǎng)的次數(shù)之和為n,則n≥2 由題意知L=2ndcos 30°+2nrnsin 30° 且qvnB=m 解得vn=。 答案:(1) (2) (3)

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本文((通用版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第九章 第57課時(shí) 帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(題型研究課)講義(含解析))為本站會(huì)員(xt****7)主動(dòng)上傳,裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶(hù)上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)上載內(nèi)容本身不做任何修改或編輯。 若此文所含內(nèi)容侵犯了您的版權(quán)或隱私,請(qǐng)立即通知裝配圖網(wǎng)(點(diǎn)擊聯(lián)系客服),我們立即給予刪除!

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