专题03以太空粒子探测器为背景的高考热点问题-高考物理电学难点精讲

一、解答题

1. 难度：困难

“太空粒子探测器”是安装在国际空间站上的一种粒子物理试验设备，用于探测宇宙中的奇异物质．该设备的原理可简化如下：如图所示，辐射状的加速电场区域边界为两个同心平行半圆弧面MN和M′N′，圆心为O，弧面MN与弧面M′N′间的电势差设为U，在加速电场的右边有一宽度为L的足够长的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，磁场的右边界放有一足够长的荧光屏PQ．假设太空中漂浮着质量为m，电荷量为q的带正电粒子，它们能均匀地吸附到MN圆弧面上，并被加速电场从静止开始加速，不计粒子间的相互作用和其它星球对粒子引力的影响．

（1）若测得粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为，试求出U；

（2）若取，试求出粒子从O点到达荧光屏PQ的最短时间；

（3）若测得粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为，试求荧光屏PQ上发光的长度．

2. 难度：中等

“太空粒子探测器”是由加速、偏转和收集三部分组成.其原理可简化如下：如图所示，辐射状的加速电场区域边界为两个同心平行半圆弧面，圆心为M，外圆弧面AB与内圆弧面CD的电势差为U.图中偏转磁场分布在以P为圆心，半径为3R的圆周内，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外；内有半径为R的圆盘（圆心在P处）作为收集粒子的装置，粒子碰到圆盘边缘即被吸收.假设太空中漂浮着质量为m，电量为q的带正电粒子，它们能均匀地吸附到AB圆弧面上，并被加速电场从静止开始加速，从M点以某一速率向右侧各个方向射入偏转磁场，不计粒子间的相互作用和其他星球对粒子引力的影响。

（1）粒子到达M点的速率?

（2）若电势差U=，则粒子从M点到达圆盘的最短时间是多少?

（3）接第（2）问，试求到达圆盘的粒子数与到达M点的粒子总数比值η。（结果用反三角函数表示，例：sinθ=k，则θ=arcsink，θ为弧度）

3. 难度：困难

“太空粒子探测器”是由加速、偏转和收集三部分组成，其原理可简化如下：如图1所示，辐射状的加速电场区域边界为两个同心平行半圆弧面，圆心为O，外圆弧面AB的电势为，内圆弧面CD的电势为，足够长的收集板MN平行边界ACDB，ACDB与MN板的距离为L．假设太空中漂浮着质量为m，电量为q的带正电粒子，它们能均匀地吸附到AB圆弧面上，并被加速电场从静止开始加速，不计粒子间的相互作用和其它星球对粒子的影响，不考虑过边界ACDB的粒子再次返回．

（1）求粒子到达O点时速度的大小；

（2）如图2所示，在PQ（与ACDB重合且足够长）和收集板MN之间区域加一个匀强磁场，方向垂直纸面向内，则发现均匀吸附到AB圆弧面的粒子经O点进入磁场后最多有能打到MN板上，求所加磁感应强度的大小；

（3）如图3所示，在PQ（与ACDB重合且足够长）和收集板MN之间区域加一个垂直MN的匀强电场，电场强度的方向如图所示，大小，若从AB圆弧面收集到的某粒子经O点进入电场后到达收集板MN离O点最远，求该粒子到达O点的速度的方向和它在PQ与MN间运动的时间．

4. 难度：中等

“太空粒子探测器”是由加速装置、偏转装置和收集装置三部分组成，其原理可简化如下：如图所示，辐射状的加速电场区域边界为两个同心圆，圆心为O，外圆的半径R₁=1m，电势φ₁=25V，内圆的半径R₂=0.5m，电势φ₂=0。内圆内有磁感应强度大小B=1×10^-2T、方向垂直纸面向里的匀强磁场，收集板MN与内圆的一条直径重合．假设太空中漂浮着质量m=1×10^-10kg、电荷量q=2×10^-4C的带正电粒子，它们能均匀地吸附到外圆面上，并被加速电场从静止开始加速，进入磁场后，发生偏转，最后打在收集板MN上并被吸收（收集板两侧均能吸收粒子），不考虑粒子的碰撞和粒子间的相互作用。

（1）求粒子到达内圆时速度的大小；

（2）分析外圆上哪些位置的粒子进入磁场后在磁场中运动的总时间最长，并求该最长时间；

（3）分析收集板MN上哪些位置能接收到粒子，并求能接收到粒子的那部分收集板的总长度。

5. 难度：中等

太空粒子探测器是由加速、偏转和收集三部分组成,其原理可简化如下:如图甲所示,辐射状的加速电场区域边界为两个同心平行半圆弧面,圆心为O,外圆弧面AB的半径为L,电势为φ₁,内圆弧面CD的半径为,电势为φ₂．足够长的收集板MN平行于边界ACDB,O到MN板的距离OP为L．假设太空中漂浮着质量为m、电荷量为q的带正电粒子,它们能均匀地吸附到AB圆弧面上,并被加速电场从静止开始加速,不计粒子间的相互作用和其他星球对粒子引力的影响．

(1)求粒子到达O点时速度的大小;

(2)如图乙所示,在边界ACDB和收集板MN之间加一个半圆形匀强磁场,圆心为O,半径为L,磁场方向垂直纸面向内,则发现从AB圆弧面收集到的粒子有2/3能打到MN板上(不考虑过边界ACDB的粒子再次返回),求所加磁场磁感应强度B₀的大小;

(3)随着所加磁场大小的变化,试定量分析收集板MN上的收集效率η与磁感应强度B的关系．

二、多选题

6. 难度：简单

在直角坐标系xOy平面内有一磁场边界圆，半径为R，圆心在坐标原点O，圆内充满垂直该平面的匀强磁场，紧靠圆的右侧固定放置与y轴平行的弹性挡板，如图所示。一个不计重力的带电粒子以速度v₀从A点沿负y方向进入圆内，刚好能垂直打在挡板B点上，若该粒子在A点速度v₀向右偏离y轴60°角进入圆内，粒子与档板相碰时间极短且无动能损失，则该粒子（　　）

A.在B点上方与挡板第二次相碰

B.经过时间第二次射出边界圆

C.第二次与挡板相碰时速度方向与挡板成60°角

D.经过时间第二次与挡板相碰

三、解答题

7. 难度：中等

如图所示，在半径为的圆形区域内有水平向里的匀强磁场，磁感应强度B，圆形区域右侧有一竖直感光板，从圆弧顶点P以速率的带正电粒子平行于纸面进入磁场，已知粒子的质量为m，电量为q，粒子重力不计．

（1）若粒子对准圆心射入，求它在磁场中运动的时间；

（2）若粒子对准圆心射入，且速率为，求它打到感光板上时速度的垂直分量.

8. 难度：中等

如图，在圆心为O的圆形区域内存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场．边界上的一粒子源A，向磁场区域发射出质量为m、带电量为q（q>0）的粒子，其速度大小均为v，方向垂直于磁场且分布在AO右侧α角的范围内（α为锐角）．磁场区域内的半径为 ，其左侧有与AO平行的接收屏，不计带电粒子所受重力和相互作用力．求：

（1）沿AO方向入射的粒子离开磁场时的方向与入射方向的夹角；

（2）接收屏上能接收到带电粒子区域的宽度．

9. 难度：困难

某装置用磁场控制带电粒子的运动，工作原理如图所示．装置的长为 L，上下两个相同的矩形区域内存在匀强磁场，磁感应强度大小均为B、方向与纸面垂直且相反，两磁场的间距为d．装置右端有一收集板，M、N、P为板上的三点，M位于轴线OO′上，N、P分别位于下方磁场的上、下边界上．在纸面内，质量为m、电荷量为－q的粒子以某一速度从装置左端的中点射入，方向与轴线成30°角，经过上方的磁场区域一次，恰好到达P点．改变粒子入射速度的大小，可以控制粒子到达收集板上的位置．不计粒子的重力．

（1）求磁场区域的宽度h；

（2）欲使粒子到达收集板的位置从P点移到N点，求粒子入射速度的最小变化量Δv；

（3）欲使粒子到达M点，求粒子入射速度大小的可能值．

10. 难度：中等

如图所示，x轴上方存在垂直纸面向外的匀强磁场，坐标原点处有一正离子源，单位时间在xOy平面内发射n₀个速率为υ的离子，分布在y轴两侧各为θ的范围内．在x轴上放置长度为L的离子收集板，其右端点距坐标原点的距离为2L，当磁感应强度为B₀时，沿y轴正方向入射的离子，恰好打在收集板的右端点．整个装置处于真空中，不计重力，不考虑离子间的碰撞，忽略离子间的相互作用．

（1）求离子的比荷；

（2）若发射的离子被收集板全部收集，求θ的最大值；

（3）假设离子到达x轴时沿x轴均匀分布．当θ=37⁰，磁感应强度在B₀ ≤B≤ 3B₀的区间取不同值时，求单位时间内收集板收集到的离子数n与磁感应强度B之间的关系（不计离子在磁场中运动的时间）

11. 难度：中等

如图所示，在xOy平面内，以为圆心、R为半径的圆形区域内有垂直平面向里的匀强磁场，x轴下方有一直线ab，ab与x轴相距为d，x轴与直线ab间区域有平行于y轴的匀强电场E，在ab的下方有一平行于x轴的感光板MN，ab与MN间区域有垂直于纸平面向外的匀强磁场，在的区域内，质量为m的电子从圆形区域左侧的任何位置沿x轴正方向以速度射入圆形区域，经过磁场B₁偏转后都经过O点，然后进入x轴下方，已知x轴与直线ab间匀强电场场强大小，ab与MN间磁场磁感应强度，不计电子重力．

(1)求圆形区域内磁场磁感应强度B₁的大小?

(2)若要求从所有不同位置出发的电子都能打在感光板MN上，MN与ab板间的最小距离是多大?

(3)若要求从所有不同位置出发的电子都能打在感光板MN上，MN与ab板间的最大距离是多大?当MN与ab板间的距离最大时，电子从O点到MN板，运动时间最长是多少?