人教版 高三 专题一轮复习 专题三 第10讲 带电粒子在组合场、复合场中的运动

一、单选题

1. 难度：简单

如图，在坐标系的第一和第二象限内存在磁感应强度大小分别为和B、方向均垂直于纸面向外的匀强磁场。一质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子垂直于x轴射入第二象限，随后垂直于y轴进入第一象限，最后经过x轴离开第一象限。粒子在磁场中运动的时间为

A.  B.  C.  D.

2. 难度：中等

如图所示，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上(与纸面平行)，磁场方向垂直于纸面向里，三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等，质量分别为m_a、m_b、m_c，已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动，下列选项正确的是(　　)

A.m_am_bm_c B.m_bm_am_c

C.m_cm_am_b D.m_cm_bm_a

3. 难度：中等

笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件．当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作：当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态．如图所示，一块宽为、长为的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为．当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压，以此控制屏幕的熄灭．则元件的（    ）

A.前表面的电势比后表面的低

B.前、后表面间的电压与无关

C.前、后表面间的电压与成正比

D.自由电子受到的洛伦兹力大小为

二、解答题

4. 难度：困难

如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v₁，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l．不计重力影响和离子间的相互作用．求：

（1）磁场的磁感应强度大小；

（2）甲、乙两种离子的比荷之比．

5. 难度：中等

如图，在直角三角形OPN区域内存在匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一带正电的粒子从静止开始经电压U加速后，沿平行于x轴的方向射入磁场；一段时间后，该粒子在OP边上某点以垂直于x轴的方向射出．已知O点为坐标原点，N点在y轴上，OP与x轴的夹角为30°，粒子进入磁场的入射点与离开磁场的出射点之间的距离为d，不计重力．求

（1）带电粒子的比荷；

（2）带电粒子从射入磁场到运动至x轴的时间．

6. 难度：困难

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．一个氕核和一个氘核先后从y轴上y＝h点以相同的动能射出，速度方向沿x轴正方向．已知进入磁场时，速度方向与x轴正方向的夹角为，并从坐标原点O处第一次射出磁场. 氕核的质量为m，电荷量为q. 氘核的质量为2m，电荷量为q，不计重力．求：

(1)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)第一次进入磁场到第一次离开磁场的运动时间．

7. 难度：困难

一足够长的条状区域内存在匀强电场和匀强磁场，其在xOy平面内的截面如图所示：中间是磁场区域，其边界与y轴垂直，宽度为l，磁感应强度的大小为B，方向垂直于xOy平面；磁场的上、下两侧为电场区域，宽度均为l´，电场强度的大小均为E，方向均沿x轴正方向；M、N为条状区域边界上的两点，它们的连线与y轴平行，一带正电的粒子以某一速度从M点沿y轴正方向射入电场，经过一段时间后恰好以从M点入射的速度从N点沿y轴正方向射出，不计重力．

（1）定性画出该粒子在电磁场中运动的轨迹；

（2）求该粒子从M点入射时速度的大小；

（3）若该粒子进入磁场时的速度方向恰好与x轴正方向的夹角为，求该粒子的比荷及其从M点运动到N点的时间．

8. 难度：中等

如图所示，在水平线ab下方有一匀强电场，电场强度为E，方向竖直向下，ab的上方存在匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向里，磁场中有一内、外半径分别为R、的半圆环形区域，外圆与ab的交点分别为M、N．一质量为m、电荷量为q的带负电粒子在电场中P点静止释放，由M进入磁场，从N射出，不计粒子重力．

（1）求粒子从P到M所用的时间t；

（2）若粒子从与P同一水平线上的Q点水平射出，同样能由M进入磁场，从N射出，粒子从M到N的过程中，始终在环形区域中运动，且所用的时间最少，求粒子在Q时速度的大小．

9. 难度：困难

如图所示，真空中四个相同的矩形匀强磁场区域，高为4d，宽为d，中间两个磁场区域间隔为2d，中轴线与磁场区域两侧相交于O、O′点，各区域磁感应强度大小相等．某粒子质量为m、电荷量为+q，从O沿轴线射入磁场．当入射速度为v₀时，粒子从O上方处射出磁场．取sin53°=0.8，cos53°=0.6．

（1）求磁感应强度大小B；

（2）入射速度为5v₀时，求粒子从O运动到O′的时间t；

（3）入射速度仍为5v₀，通过沿轴线OO′平移中间两个磁场（磁场不重叠），可使粒子从O运动到O′的时间增加Δt，求Δt的最大值．

10. 难度：中等

如图，离子源A产生的初速度为零、带电量均为e、质量不同的正离子被电压为U₀的加速电场加速后匀速通过准直管，垂直射入匀强偏转电场，偏转后通过极板HM上的小孔S离开电场，经过一段匀速直线运动，垂直于边界MN进入磁感应强度为B的匀强磁场．已知HO＝d，HS＝2d，＝90°．（忽略粒子所受重力）

（1）求偏转电场场强E₀的大小以及HM与MN的夹角φ；

（2）求质量为m的离子在磁场中做圆周运动的半径；

（3）若质量为4m的离子垂直打在NQ的中点S₁处，质量为16m的离子打在S₂处．求S₁和S₂之间的距离以及能打在NQ上的正离子的质量范围．

三、多选题

11. 难度：困难

如图所示，边长为L的正方形虚线框内充满着垂直于纸面的匀强磁场，虚线AC及其上方的框内磁场方向向里，虚线AC下方的框内磁场方向向外，磁感应强度大小均为B。现有两个比荷相同的带电粒子a、b，分别以v₁、v₂的速度沿图示方向垂直磁场方向射入磁场，并分别从B、C两点离开磁场，设a、b两粒子在磁场中运动的时间分别为t₁、t₂。则下列说法中正确的是

A. 粒子a一定带正电，粒子b一定带负电

B. v₁︰v₂可能等于1︰2

C. v₁︰v₂一定等于1︰1

D. t₁：t₂可能等于3︰2

四、解答题

12. 难度：简单

华裔科学家丁肇中负责的AMS项目，是通过“太空粒子探测器”探测高能宇宙射线粒子，寻找反物质。某学习小组设想了一个探测装置，截面图如图所示。其中辐射状加速电场的内、外边界为两个同心圆，圆心为O，外圆电势为零，内圆电势φ=-45V，内圆半径R=1.0m。在内圆内有磁感应强度大小B=9×10^-5 T、方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁场内有一圆形接收器，圆心也在O点。假设射线粒子中有正电子，先被吸附在外圆上（初速度为零），经电场加速后进入磁场，并被接收器接收。已知正电子质量m=9×10^-31kg，电荷量q=1.6×10^-19C，不考虑粒子间的相互作用。

（1）求正电子在磁场中运动的速率v和半径r；

（2）若正电子恰好能被接收器接收，求接收器的半径R'。

 

13. 难度：简单

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，方向水平向左；垂直纸面向里磁场的磁感应强度为B₁，垂直纸面向外磁场的磁感应强度为B₂．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的带正电粒子在第飞1层磁场左侧边界以初速度v₀射入，方向与边界夹角为θ，设粒子始终在电场、磁场中运动，除B₁、B₂、E以外其他物理量已知，不计粒子重力及运动时的电磁辐射。（cos53°=0.6，sin53°=0.8）

（1）若θ=53°，要求拉子不进人电场，求B₁至少为多大？

（2）若B₁、E均已知，求粒子从第n层磁场右侧边界穿出时速度的大小；

（3）若θ=53°，且B₁=，要求粒子不穿出第1层的电场，求E至少多大？

14. 难度：困难

如图(a)所示，整个空间存在竖直向上的匀强电场（平行于纸面），在同一水平线上的两位置，以相同速率同时喷出质量均为m的油滴a和b，带电量为+q的a水平向右，不带电的b竖直向上．b上升高度为h时，到达最高点，此时a恰好与它相碰，瞬间结合成油滴p．忽略空气阻力，重力加速度为g．求

(1)油滴b竖直上升的时间及两油滴喷出位置的距离；

(2)匀强电场的场强及油滴a、b结合为p后瞬间的速度；

(3)若油滴p形成时恰位于某矩形区域边界，取此时为时刻，同时在该矩形区域加一个垂直于纸面的周期性变化的匀强磁场，磁场变化规律如图(b)所示，磁场变化周期为T₀（垂直纸面向外为正），已知P始终在矩形区域内运动，求矩形区域的最小面积．（忽略磁场突变的影响）

五、单选题

15. 难度：中等

如图所示，空间存在垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场和水平向左、场强为E的匀强电场。有一质量为m，电荷量大小为q的微粒垂直于磁场且以与水平方向成45°角的速度v做直线运动，重力加速度为g。则下列说法正确的是

A. 微粒可能做匀加速直线运动 B. 微粒可能只受两个力作用

C. 匀强磁场的磁感应强度B= D. 匀强电场的电场强度E=

16. 难度：困难

如图所示，空间中存在一水平方向的匀强电场和一水平方向的匀强磁场，且电场方向和磁场方向相互垂直。在电磁场正交的空间中有一足够长的固定粗糙绝缘杆，与电场正方向成60°角且处于竖直平面内。一质量为m、电荷量为＋q（q0）的小球套在绝缘杆上，给小球一沿杆向下的初速度v₀，小球恰好做匀速运动，电荷量保持不变。已知磁感应强度大小为B，电场强度大小为E＝，则以下说法中不正确的是（  ）

A.小球的初速度v₀＝

B.若小球的初速度为，小球将做加速度不断增大的减速运动，最后停止

C.若小球的初速度为，小球将做加速度不断增大的减速运动，最后停止

D.若小球的初速度为，则运动中克服摩擦力做功为

17. 难度：中等

2018年，我省加大环保督查力度，打响碧水蓝天保卫战．督查暗访组在某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极，匀强磁场方向竖直向下．污水(含有大量的正负离子)充满管口从左向右流经该测量管时，a、c两端的电压为U，显示仪器显示污水流量Q(单位时间内排出的污水体积)．则

A.a侧电势比c侧电势低

B.污水中离子浓度越高，显示仪器的示数越大

C.污水流量Q与U成正比，与L、D无关

D.匀强磁场的磁感应强度B=

18. 难度：中等

如图表示磁流体发电机的原理：将一束等离子体以速度v喷射入磁感应强度为B的磁场中速度方向水平向里且垂直磁场，在磁场中有两块金属板A、B，板间距离为d，金属板上会聚集电荷，产生电压，不计等离子体重力和电阻，以下说法正确的是　　

A. 流过R的电流方向为从上向下

B. R上电压最终会稳定且等于Bdv

C. 其他条件不变，只增大磁感应强度，AB间电势差减小

D. 其他条件不变，只增大射入速度，AB间电势差减小

六、解答题

19. 难度：困难

回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m，电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U₀.周期T＝ .一束该种粒子在t＝0～时间内从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零．现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用．求：

(1)出射粒子的动能E_m；

(2)粒子从飘入狭缝至动能达到E_m所需的总时间t₀；

(3)要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件．

20. 难度：困难

如图a所示，匀强磁场垂直于xOy平面，磁感应强度B₁按图b所示规律变化（垂直于纸面向外为正）．t=0时，一比荷为C/kg的带正电粒子从原点沿y轴正方向射入，速度大小，不计粒子重力．

⑴求带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径．

⑵求时带电粒子的坐标．

⑶保持b中磁场不变，再加一垂直于xOy平面向外的恒定匀强磁场B₂，其磁感应强度为0.3T，在t=0时，粒子仍以原来的速度从原点射入，求粒子回到坐标原点的时刻．

七、单选题

21. 难度：中等

信息时代，霍尔元件被广泛应用。如图所示，宽度为h、厚度为d的金属霍尔元件，单位体积内自由电子数为n，电子电量为e。将它放在与之垂直的磁感应强度大小为B＝B₀sinωt的匀强磁场中。当恒定电流I通过霍尔元件时，在它的前后两个侧面之间会产生交流电压，这样就实现了将直流输入转化为交流输出。在元件的前后两个侧面接入交流电压表(图中未画出)，则电压表示数为

A.  B.  C.  D.

22. 难度：困难

如图所示，质量为m、带电荷量为+q的三个相同带电小球a、b、c，从同一高度以初速度v₀水平抛出，小球a只在重力作用下运动，小球b在重力和洛伦兹力作用下运动，小球c在重力和电场力作用下运动，它们落地的时间分别为t_a、t_b、t_c，落地时重力的瞬时功率分别为P_a、P_b、P_c，则以下判断中正确的是（     ）

A. t_a=t_b=t_c B. t_a=t_c<t_b C. P_b<P_a<P_c D. P_a=P_b>P_c

23. 难度：中等

质谱仪可测定同位素的组成。，现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后，沿着与磁场边界垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示。测试时规定加速电压大小为U₀，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小△U．为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则△U不得超过（　　）

A.  B.  C.  D.

八、多选题

24. 难度：简单

地面附近空间中存在着水平方向的匀强电场和匀强磁场，已知磁场方向垂直于纸面向里．一个带电油滴沿着一条与竖直方向成角的直线MN运动．由此可以判断（）

A.如果油滴带正电，它是从M点运动到N点

B.如果油滴带正电，它是从N点运动到M点

C.如果水平电场方向向右，油滴是从M点运动到N点

D.如果水平电场方向向右，油滴是从N点运动到M点

25. 难度：困难

如图所示，竖直放置的两平行金属板，长为L，板间距离为d，接在电压为U的直流电源上，在两板间加一磁感应强度为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场，一质量为m，电荷量为q的带正电油滴，从距金属板上端高为h处由静止开始自由下落，并经两板上端连线的中点P进入板间。油滴在P点所受的电场力与洛伦兹力大小恰好相等，且最后恰好从金属板的下边缘离开。空气阻力不计，重力加速度为g，则下列说法正确的是（   ）

A.油滴刚进入两板间时的加速度大小为g

B.油滴开始下落的高度h＝

C.油滴从左侧金属板的下边缘离开

D.油滴离开时的速度大小为

26. 难度：困难

如图所示，一根固定的绝缘竖直长杆位于范围足够大且相互正交的匀强电场和匀强磁场中，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的带正电小圆环套在杆上，环与杆间的动摩擦因数为μ_o现使圆环以初速度v_o向下运动，经时间t_o，圆环回到出发点．若圆环回到出发点之前已经开始做匀速直线运动，不计空气阻力，重力加速度为g．则下列说法中正确的是（   ）

A.环经过时间刚好到达最低点

B.环的最大加速度为a_m=g+

C.环在t₀时间内损失的机械能为m(v₀²-)

D.环下降过程和上升过程系统因摩擦产生的内能相等

27. 难度：中等

如图所示，在第二象限内有水平向右的匀强电场，在第一、四象限内分别存在如图所示的匀强磁场，磁感应强度大小相等. 在该平面有一个质量为、带正电的粒子(不计重力)以垂直于轴的初速度，从轴上的点进入匀强电场，恰好与轴成角射出电场，再经过一段时间恰好垂直于轴进入下面的磁场. 已知之间的距离为，则（   ）

A.磁感应强度

B.电场强度

C.自进入磁场至在磁场中第二次经过轴所用时间为

D.自进入磁场至在磁场中第二次经过轴所用时间为

28. 难度：困难

如图所示，在直角坐标系xOy中x0空间内充满方向垂直纸面向里的匀强磁场（其他区域无磁场），磁感应强度为B，x0空间内充满方向水平向右的匀强电场（其他区域无电场），电场强度为E，在y轴上关于O点对称的C、D两点间距为L。带电粒子P（不计重力）从C点以速率v沿x轴正方向射入磁场，并能从D点射出磁场；与粒子P不相同的粒子Q从C点以不同的速度v′同时沿纸面平行x轴射入磁场，并恰好从D点第一次穿过y轴进入电场，且粒子P、Q同时过D点，则下列说法正确的是（   ）

A.粒子P带正电

B.在粒子Q从C点运动到D点的过程中，粒子P在磁场中运动的时间一定为

C.在粒子Q从C点运动到D点的过程中，粒子P在磁场中运动的路程可能为

D.粒子P与Q的比荷之比可能为2＋

九、解答题

29. 难度：困难

如图所示，三块挡板围成截面边长L＝1.2m的等边三角形区域，C、P、Q分别是MN、AM和AN中点处的小孔，三个小孔处于同一竖直面内，MN水平，MN上方是竖直向下的匀强电场，场强E=4×10^-4N /C．三角形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B₁；AMN以外区域有垂直纸面向外， 磁感应强度大小为B₂＝3B₁的匀强磁场．现将一比荷q/m=10⁸C/kg的帯正电的粒子，从O点由静止释放，粒子从MN小孔C进入内部匀强磁场，经内部磁场偏转后直接垂直AN经过Q点进入外部磁场．已知粒子最终回到了O点，OC相距2m．设粒子与挡板碰撞过程中没有动能损失，且电荷量不变，不计粒子重力，不计挡板厚度，取π＝3．求：

（1）磁感应强度B₁的大小；

（2）粒子从O点出发，到再次回到O点经历的时间；

（3）若仅改变B₂的大小，当B₂满足什么条件时，粒子可以垂直于MA经孔P回到O点（若粒子经过A点立即被吸收）．

30. 难度：困难

在高度为H的竖直区域内分布着互相垂直的匀强电场和匀强磁场，电场方向水平向左；磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里。在该区域上方的某点A，将质量为m、电荷量为＋q的小球，以某一初速度水平抛出，小球恰好在该区域作直线运动。已知重力加速度为g。

(1)求小球平抛的初速度v₀；

(2)若电场强度大小为E，求A点距该区域上边界的高度h；

(3)若令该小球所带电荷量为－q，以相同的初速度将其水平抛出，小球离开该区域时，速度方向竖直向下，求小球穿越该区域的时间。

31. 难度：困难

如图甲所示，在xOy平面内有足够大的匀强电场E，在y轴左侧平面内有足够大的磁场，磁感应强度B₁随时间t变化的规律如图乙所示，选定磁场垂直纸面向里为正方向。在y轴右侧平面内还有方向垂直纸面向外的恒定的匀强磁场，分布在一个半径为r=0.3m的圆形区域(图中未画出)且圆的左侧与y轴相切，磁感应强度B₂=0.8T，t=0时刻，一质量m=8×10^－4kg、电荷量q=+2×10^－4C的微粒从x轴上x_p=－0.8m处的P点以速度v=0.12m/s向x轴正方向入射。已知该带电微粒在电磁场区域做匀速圆周运动。(g取10m/s²)

(1)求电场强度。

(2)若磁场15πs后消失，求微粒在第二象限运动过程中离x轴的最大距离；

(3)若微粒穿过y轴右侧圆形磁场时速度方向的偏转角最大，求此圆形磁场的圆心坐标(x，y)。

32. 难度：困难

如图所示，在xoy竖直平面内，长L的绝缘轻绳一端固定在第一象限的P点,另一端栓有一质量为m、带电荷量为+q的小球,OP距离也为L且与x轴的夹角为60∘.在x轴上方有水平向左的匀强电场,场强大小为,在x轴下方有竖直向上的匀强电场,场强大小为mg/q,过O和P两点的虚线右侧存在方向垂直xOy平面向外、磁感应强度为B的匀强磁场．小球置于y轴上的C点时,绳恰好伸直且与y轴夹角为30∘，小球由静止释放后将沿CD方向做直线运动，到达D点时绳恰好绷紧，小球沿绳方向的分速度立即变为零，并以垂直于绳方向的分速度摆下，到达O点时将绳断开．不计空气阻力．求：

(1)小球刚释放瞬间的加速度大小a；

(2)小球到达O点时的速度大小v；

(3)小球从O点开始到最终离开x轴的时间t.

33. 难度：困难

科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的反物质.例如：正电子就是电子的反粒子，它跟电子相比较，质量相等、电量相等但电性相反.如图是反物质探测卫星的探测器截面示意图.MN上方区域的平行长金属板AB间电压大小可调，平行长金属板AB间距为d，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里.MN下方区域I、II为两相邻的方向相反的匀强磁场区，宽度均为3d，磁感应强度均为B，ef是两磁场区的分界线，PQ是粒子收集板，可以记录粒子打在收集板的位置.通过调节平行金属板AB间电压，经过较长时间探测器能接收到沿平行金属板射入的各种带电粒子.已知电子、正电子的比荷是b，不考虑相对论效应、粒子间的相互作用及电磁场的边缘效应.

（1）要使速度为v的正电子匀速通过平行长金属极板AB，求此时金属板AB间所加电压U；

（2）通过调节电压U可以改变正电子通过匀强磁场区域I和II的运动时间，求沿平行长金属板方向进入MN下方磁场区的正电子在匀强磁场区域I和II运动的最长时间t_m；

（3）假如有一定速度范围的大量电子、正电子沿平行长金属板方向匀速进入MN下方磁场区，它们既能被收集板接收又不重叠，求金属板AB间所加电压U的范围.