高考物理高考物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧(超强)及练习题(含答案)
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高考物理高考物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧(超强)及练习题(含答案)
一、带电粒子在磁场中的运动专项训练
1.如图所示,虚线MN 沿竖直方向,其左侧区域内有匀强电场(图中未画出)和方向垂直纸面向里,磁感应强度为B 的匀强磁场,虚线MN 的右侧区域有方向水平向右的匀强电场.水平线段AP 与MN 相交于O 点.在A 点有一质量为m ,电量为+q 的带电质点,以大小为v 0的速度在左侧区域垂直磁场方向射入,恰好在左侧区域内做匀速圆周运动,已知A 与O 点间的距离为
03mv qB ,虚线MN 右侧电场强度为3mg
q
,重力加速度为g .求:
(1)MN 左侧区域内电场强度的大小和方向;
(2)带电质点在A 点的入射方向与AO 间的夹角为多大时,质点在磁场中刚好运动到O 点,并画出带电质点在磁场中运动的轨迹;
(3)带电质点从O 点进入虚线MN 右侧区域后运动到P 点时速度的大小v p .
【答案】(1)
mg
q
,方向竖直向上;(2);(3013v .
【解析】 【详解】
(1)质点在左侧区域受重力、电场力和洛伦兹力作用,根据质点做匀速圆周运动可得:重力和电场力等大反向,洛伦兹力做向心力;所以,电场力qE =mg ,方向竖直向上; 所以MN 左侧区域内电场强度mg
E q
左=
,方向竖直向上; (2)质点在左侧区域做匀速圆周运动,洛伦兹力做向心力,故有:20
0mv Bv q R
=,
所以轨道半径0
mv R qB
=
; 质点经过A 、O 两点,故质点在左侧区域做匀速圆周运动的圆心在AO 的垂直平分线上,且质点从A 运动到O 的过程O 点为最右侧;所以,粒子从A 到O 的运动轨迹为劣弧; 又有0
33AO mv d R =
=;根据几何关系可得:带电质点在A 点的入射方向与AO 间的夹
角1260AO
d arcsin R
θ==︒
; 根据左手定则可得:质点做逆时针圆周运动,故带电质点在磁场中运动的轨迹如图所示:
;
(3)根据质点在左侧做匀速圆周运动,由几何关系可得:质点在O 点的竖直分速度
003
60y v v sin v =︒=
,水平分速度001602x v v cos v =︒=;
质点从O 运动到P 的过程受重力和电场力作用,故水平、竖直方向都做匀变速运动; 质点运动到P 点,故竖直位移为零,所以运动时间0
23y v v t g
=
=
; 所以质点在P 点的竖直分速度03
2
yP y v v v ==, 水平分速度00031
7322
xP x v qE v v t v g v m g =+
=+⋅=; 所以带电质点从O 点进入虚线MN 右侧区域后运动到P 点时速度
22
013P yP xP v v v v =+=;
2.在如图所示的平面直角坐标系中,存在一个半径R =0.2m 的圆形匀强磁场区域,磁感应强度B =1.0T ,方向垂直纸面向外,该磁场区域的右边缘与y 坐标轴相切于原点O 点。y 轴右侧存在一个匀强电场,方向沿y 轴正方向,电场区域宽度l =0.1m 。现从坐标为(﹣0.2m ,﹣0.2m )的P 点发射出质量m =2.0×10﹣9kg 、带电荷量q =5.0×10﹣5C 的带正电粒子,沿y 轴正方向射入匀强磁场,速度大小v 0=5.0×103m/s (粒子重力不计)。 (1)带电粒子从坐标为(0.1m ,0.05m )的点射出电场,求该电场强度;
(2)为了使该带电粒子能从坐标为(0.1m ,﹣0.05m )的点回到电场,可在紧邻电场的右侧区域内加匀强磁场,试求所加匀强磁场的磁感应强度大小和方向。
【答案】(1)1.0×104N/C (2)4T ,方向垂直纸面向外 【解析】 【详解】
解:(1)带正电粒子在磁场中做匀速圆周运动,根据洛伦兹力提供向心力有:
20
0v qv B m r
=
可得:r =0.20m =R
根据几何关系可以知道,带电粒子恰从O 点沿x 轴进入电场,带电粒子做类平抛运动,设粒子到达电场边缘时,竖直方向的位移为y 根据类平抛规律可得:2012
l v t y at ==
, 根据牛顿第二定律可得:Eq ma = 联立可得:41.010E =⨯N/C
(2)粒子飞离电场时,沿电场方向速度:30
5.010y qE l
v at m v ===⨯g m/s=0v 粒子射出电场时速度:02=v v
根据几何关系可知,粒子在B '区域磁场中做圆周运动半径:2r y '=
根据洛伦兹力提供向心力可得: 2
v qvB m r '='
联立可得所加匀强磁场的磁感应强度大小:4mv
B qr
'=
='T 根据左手定则可知所加磁场方向垂直纸面向外。
3.“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
2
L
()o ϕ>,内圆弧面CD 的电势为φ,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