最新物理高考物理带电粒子在电场中的运动练习题

最新物理高考物理带电粒子在电场中的运动练习题一、高考物理精讲专题带电粒子在电场中的运动1．如图所示，在平面直角坐标系xOy 的第二、第三象限内有一垂直纸面向里、磁感应强度为B 的匀强磁场区域△ABC ，A 点坐标为（0，3a ），C 点坐标为（0，﹣3a ），B 点坐标为(23a -，-3a ）．在直角坐标系xOy 的第一象限内，加上方向沿y 轴正方向、场强大小为E=Bv 0的匀强电场，在x=3a 处垂直于x 轴放置一平面荧光屏，其与x 轴的交点为Q ．粒子束以相同的速度v 0由O 、C 间的各位置垂直y 轴射入，已知从y 轴上y =﹣2a 的点射入磁场的粒子在磁场中的轨迹恰好经过O 点．忽略粒子间的相互作用，不计粒子的重力． （1）求粒子的比荷；（2）求粒子束射入电场的纵坐标范围；（3）从什么位置射入磁场的粒子打到荧光屏上距Q 点最远？求出最远距离．【答案】(1)0v Ba(2)0≤y≤2a (3)78y a =，94a【解析】 【详解】(1)由题意可知， 粒子在磁场中的轨迹半径为r ＝a 由牛顿第二定律得Bqv 0＝m 2v r故粒子的比荷v q m Ba= (2)能进入电场中且离O 点上方最远的粒子在磁场中的运动轨迹恰好与AB 边相切，设粒子运动轨迹的圆心为O ′点，如图所示．由几何关系知O ′A ＝r ·ABBC＝2a 则OO ′＝OA －O ′A ＝a即粒子离开磁场进入电场时，离O 点上方最远距离为OD ＝y m ＝2a所以粒子束从y 轴射入电场的范围为0≤y ≤2a (3)假设粒子没有射出电场就打到荧光屏上，有3a ＝v 0·t 02019222qE y t a a m ==>， 所以，粒子应射出电场后打到荧光屏上粒子在电场中做类平抛运动，设粒子在电场中的运动时间为t ，竖直方向位移为y ，水平方向位移为x ，则 水平方向有x ＝v 0·t竖直方向有212qE y t m=代入数据得x设粒子最终打在荧光屏上的点距Q 点为H ，粒子射出电场时与x 轴的夹角为θ，则00tan y x qE x v m v v v θ⋅===有H ＝(3a －x )·tan θ＝当=y ＝98a 时，H 有最大值 由于98a <2a ，所以H 的最大值H max ＝94a ，粒子射入磁场的位置为y ＝98a －2a ＝－78a2．如图所示，竖直平面内有一固定绝缘轨道ABCDP ，由半径r=0.5m 的圆弧轨道CDP 和与之相切于C 点的水平轨道ABC 组成，圆弧轨道的直径DP 与竖直半径OC 间的夹角θ=37°，A 、B 两点间的距离d=0.2m ．质量m 1=0.05kg 的不带电绝缘滑块静止在A 点，质量m 2=0.1kg 、电荷量q=1×10-5C 的带正电小球静止在B 点，小球的右侧空间存在水平向右的匀强电场．现用大小F=4.5N 、方向水平向右的恒力推滑块，滑块到达月点前瞬间撤去该恒力，滑块与小球发生弹性正碰，碰后小球沿轨道运动，到达P 点时恰好和轨道无挤压且所受合力指向圆心．小球和滑块均视为质点，碰撞过程中小球的电荷量不变，不计一切摩擦．取g=10m ／s 2，sin37°=0.6，cos37°=0.8．(1)求撤去该恒力瞬间滑块的速度大小v 以及匀强电场的电场强度大小E ； (2)求小球到达P 点时的速度大小v P 和B 、C 两点间的距离x ． 【答案】(1) 6m /s ；7.5×104N /C (2) 2.5m /s ；0.85m 【解析】 【详解】(1)对滑块从A 点运动到B 点的过程，根据动能定理有：2112Fd m v = 解得：v =6m /s小球到达P 点时，受力如图所示:则有：qE =m 2g tan θ, 解得：E =7.5×104N /C(2)小球所受重力与电场力的合力大小为：2cos m gG 等θ=小球到达P 点时，由牛顿第二定律有：2P v G r=等解得：v P =2.5m /s滑块与小球发生弹性正碰，设碰后滑块、小球的速度大小分别为v 1、v 2， 则有：m 1v =m 1v 1+m 2v 222211122111222m v m v m v =+ 解得：v 1=-2m /s(“-”表示v 1的方向水平向左)，v 2=4m /s 对小球碰后运动到P 点的过程，根据动能定理有：()()22222211sin cos 22P qE x r m g r r m v m v θθ--+=- 解得：x =0.85m3．两平行的带电金属板水平放置，板间电场可视为匀强电场．带电量相等粒子a ，b 分别以相同初速度水平射入匀强电场，粒子a 飞离电场时水平方向分位移与竖直方向分位移大小相等，粒子b 飞离电场时水平方向速度与竖直方向速度大小相等．忽略粒子间相互作用力及重力影响，求粒子a 、b 质量之比． 【答案】1：2 【解析】 【详解】假设极板长度为l ，粒子a 的质量为m a ，离开电场时竖直位移为y ，粒子b 的质量为m b ，离开电场时竖直分速度为v y ，两粒子初速度均为v 0，在极板间运动时间均为t 对粒子a ：l ＝v 0t …① y ＝12a 1t 2…② 1aqEa m =…③ y ＝l …④①②③④联立解得：202a qEl m v = 对粒子b ：v y ＝a 2t …⑤ v y ＝v 0…⑥2bqEa m =…⑦ ①⑤⑥⑦联立解得：20b qEl m v =则12a b m m =．4．如图所示,有一比荷qm=2×1010C/kg 的带电粒子,由静止从Q 板 经电场加速后,从M 板的狭缝垂直直线边界a 进入磁感应强度为B =1.2×10-2T 的有界矩形匀强磁场区域后恰好未飞出直线边界b ,匀强磁场方向垂直平面向里,a 、b 间距d =2×10-2m(忽略粒子重力与空气阻力)求：(1)带电粒子射入磁场区域时速度v ； (2)Q 、M 两板间的电势差U QM 。

【答案】（1）64.810/v m s =⨯；（2）304⎛⎫ ⎪⎝⎭，· 【解析】 【详解】（1）粒子从静止开始经加速电场加速后速度为v ，由动能定理：212qU mv =粒子进入磁场后，洛仑磁力提供向心力：2v qBv m R= 粒子垂直a 边界进入有届磁场区域且恰好未飞出右平行届b ，由几何知识得：R d =代入数值，联立解得：64.810/v m s =⨯；-25.7610U V =⨯（2）据粒子在磁场中的轨迹，由左手定则知：该粒子带负电，但在加速电场中从Q 到M加速，说明M 点比Q 点电势高，故304⎛⎫⎪⎝⎭，5．如图1所示，光滑绝缘斜面的倾角θ=30°，整个空间处在电场中，取沿斜面向上的方向为电场的正方向，电场随时间的变化规律如图2所示．一个质量m=0.2kg ，电量q=1×10－5C 的带正电的滑块被挡板P 挡住，在t=0时刻，撤去挡板P ．重力加速度g=10m/s 2，求：(1)0~4s 内滑块的最大速度为多少? (2)0~4s 内电场力做了多少功? 【答案】（1）20m/s （2）40J 【解析】【分析】对滑块受力分析，由牛顿运动定律计算加速度计算各速度． 【详解】【解】(l)在0~2 s 内，滑块的受力分析如图甲所示，电场力F=qE11sin F mg ma θ-=解得2110/a m s =在2 ---4 s 内，滑块受力分析如图乙所示22sin F mg ma θ+=解得2210/a m s =因此物体在0～2 s 内，以2110/a m s =的加速度加速， 在2～4 s 内，2210/a m s =的加速度减速，即在2s 时，速度最大由1v a t =得，max 20/v m s =(2)物体在0～2s 内与在2～4s 内通过的位移相等．通过的位移max202v x t m == 在0~2 s 内，电场力做正功1160W F x J == - 在2～4 s 内，电场力做负功2220W F x J ==- 电场力做功W=40 J6．如图所示，一质量为m 、电荷量为的带正电粒子从O 点以初速度v 0水平射出。

若该带电粒子运动的区域内有一方向竖直向下的匀强电场，则粒子恰好能通过该区域中的A 点；若撤去电场，加一垂直纸面向外的匀强磁场，仍将该粒子从O 点以初速度v 0水平射出，则粒子恰好能经A 点到达该区域中的B 点。

已知OA 之间的距离为d ，B 点在O 点的正下方，∠BOA=60°，粒子重力不计。

求：(1)磁场磁感应强度的大小B ；(2)粒子在电场时运动中到达A 点速度的大小v 。

【答案】(1) 0mv B qd = (2) 073v 【解析】 【详解】（1）如图所示，撤去电场加上磁场后，粒子恰好能经A 点到达B 点，由此可知，OB 为该粒子做圆周运动的直径，则粒子在磁场中做圆周运动的半径为：2OB R d ==由于200v qBv m R=得：0mv B qd=（2）粒子在匀强电场中做类平抛运动，设粒子从O 点运动到A 点所需要的时间为t ，则：0sin 60d v t =o21cos 602qE d t m=o 由动能定理有：22011cos6022qEd mv mv =-o联解得：073v v =7．如图所示，在一光滑绝缘水平面上，静止放着两个可视为质点的小球，两小球质量均为m ，相距l ，其中A 球带正电，所带电荷量为q ，小球B 不带电．若在A 球开始向右侧区域加一水平向右的匀强电场，场强为E ，A 球受到电场力的作用向右运动与B 球碰撞．设每次碰撞为弹性碰撞，碰撞前后两球交换速度，且碰撞过程无电荷转移．求：（1）小球A 在电场中的加速度大小和第一次与B 碰撞前的速度；（2）若两小球恰在第二次碰撞时离开电场，求电场在电场线方向上的宽度； （3）若两小球恰在第三次碰撞时离开电场，求电场在电场线方向上的宽度及小球A 从进入电场到离开电场的过程中电势能的变化量． 【答案】(1) a=qE/m 2Eqlm；13Eql 【解析】 【详解】（1）根据牛顿运动定律：qE=ma ，则a=qE/m设第一次碰撞时小球A 的速度为v ：根据动能定理：212Eql mv = 解得：2Eqlv m=（2）第一次碰撞前后小球A 的速度为v A1和v A1′，小球B 碰撞前后的速度为v B1和v B1′所以v A1=v v B1=0 v A1′=0 v B1′=vA 球运动的距离为l 第一次碰撞后，小球A 做初速度为零的匀加速直线运动，小球B 做速度为v 的匀速直线运动．设第二次碰撞前后A 球的速度为v A2和v A2′小球B 碰撞前后的速度为v B2和v B2′第一次碰撞后至第二次碰撞前：vt= (0+v A2)t/2 所以：v A2=2v ；碰后v A2′= v而B 球碰前为v ，碰后为2v ．从第一次碰撞后到第二次碰撞前的过程中，A 球运动的距离为l 2．()22120? 2Eql m v =- 24l l = 电场宽度为：L=l+4l=5l（3）二次碰撞后，A 球做初速度为v 的匀加速直线运动，B 球以速度2v 匀速直线运动．设A 球第三次碰前后的速度为v A3和 v A3′，小球B 碰撞前后的速度为v B3和v B3′ 所以：3223232A A v v t vt v v +==从第二次碰撞到第三次碰撞过程中，A球运动的距离为l3：qEl3= 1 2m ()23v-12m2vl3=8l所以：电场的宽度：L=l1+l2+l3=13lA球减少的电势能△ε=Eq×13l=13Eql8．如图所示，在xOy平面的第一象限有一匀强磁场，方向垂直于纸面向外；在第四象限有一匀强电场，方向平行于y轴向下．一电子以速度v0从y轴上的P点垂直于y轴向右飞入电场，经过x轴上M点进入磁场区域，又恰能从y轴上的Q点垂直于y轴向左飞出磁场已知P点坐标为(0，－L)，M点的坐标为(233L，0)．求(1)电子飞出磁场时的速度大小v(2)电子在磁场中运动的时间t【答案】（1）02v v=；（2）249Ltvπ=【解析】【详解】（1）轨迹如图所示，设电子从电场进入磁场时速度方向与x轴夹角为θ，（1）在电场中x0123Lv t=，y轴方向12yvL t=：，tan3yvvθ==得60θ=o，02cosvv vθ==（2）在磁场中，2343Lr L==磁场中的偏转角度为23απ=22439rLtv vππ==9．如图所示，在y>0的区域内有沿y轴正方向的匀强电场，在y<0的区域内有垂直坐标平面向里的匀强磁场，一电子(质量为m、电量为e)从y轴上A点以沿x轴正方向的初速度v 0开始运动，当电子第一次穿越x轴时，恰好到达C点，当电子第二次穿越x轴时，恰好到达坐标原点；当电子第三次穿越x轴时，恰好到达D点，C 、D两点均未在图中标出．已知A、C点到坐标原点的距离分别为d、2d.不计电子的重力．求(1)电场强度E的大小．(2)磁感应强度B的大小．(3)电子从A运动到D经历的时间t.【答案】（1）；（2）；（3）．【解析】试题分析：（1）电子在电场中做类平抛运动设电子从A到C的时间为t11分1分1分求出 E =1分（2）设电子进入磁场时速度为v，v与x轴的夹角为θ，则θ = 45° 1分电子进入磁场后做匀速圆周运动，洛仑兹力提供向心力1分由图可知1分得1分（3）由抛物线的对称关系，电子在电场中运动的时间为 3t1=1分电子在磁场中运动的时间 t2 =2分电子从A运动到D的时间 t=3t1+ t2=1分考点：带电粒子在电场中做类平抛运动匀速圆周运动牛顿第二定律10．如图所示，一根光滑绝缘细杆与水平面成α＝30°角倾斜固定．细杆的一部分处在场强方向水平向右的匀强电场中，场强E＝23×104N/C．在细杆上套有一个带负电的小球，带电量为q＝1×10﹣5C、质量为m＝3×10﹣2kg．现使小球从细杆的顶端A由静止开始沿杆滑下，并从B点进入电场，小球在电场中滑至最远处的C点．已知AB间距离x1＝0.4m，g＝10m/s2．求：（1）小球通过B点时的速度大小V B；（2）小球进入电场后滑行的最大距离x2；（3）试画出小球从A点运动到C点过程中的v﹣t图象．【答案】（1）2m/s （2）0.4m （3）【解析】（1）对小球，AB 过程，根据牛顿第二定律可得1sin mg ma α=，初速度为零，由位移速度公式可得2112B v a x =，联立解得2m/s B v =；（2）对小球，BC 过程，根据牛顿第二定律：2cos sin qE mg ma αα-=，初速度为B v ，末速度为零，故根据位移速度公式可得2222B v a x =，联立解得20.4m x =（3）小球在AB 段做初速度为零，末速度为2m/s 的匀加速直线运动，经历时间为110.4B v t s a ==，在BC 段做初速度为2m/s ，末速度为零的匀减速直线运动，经历的时间为220.4B v t s a ==，即在0.8s 末速度为零，v-t 图像如图所示：11．如图所示，带电荷量为+4×10－8C 的滑块在电场强度大小为2×104N ／C 、方向水平向右的匀强电场中，沿光滑绝缘水平面由M 点运动到N 点．已知M 、N 间的距离为0．1 m ．求：（1）滑块所受电场力的大小；（2）M 、N 两点间的电势差；（3）电场力所做的功．【答案】（1）8×10-4N （2）2×103V （3）8×10-5J【解析】【分析】（1）在匀强电场中，根据F=qE 直接计算电场力的大小；（2）根据U=Ed 计算M 、N 两点间的电势差；（3）根据W=qU 计算电场力所做的功．【详解】（1）滑块所受的电场力为：F=qE=4×10一8×2×104N=8×10-4N（2）M 、N 两点间的电势差为：U MN=Ed=2×104×0.1V=2×103V（3）电场力所做的功为：W MN=qU MN=4×10-8×2×103J=8×10-5J【点睛】本题是对电场的基本公式的考查，掌握住公式的使用条件，F=qE，U=Ed在匀强电场中才可以使用，W=qU任何电场都可以使用．12．如图所示，粗糙的斜槽轨道与半径R=0.5m的光滑半圆形轨道BC连接，B为半圆轨道的最底点，C为最高点．一个质量m=0.5kg的带电体，从高为H=3m的A处由静止开始滑下，当滑到B处时速度v B=4m/s，此时在整个空间加上一个与纸面平行的匀强电场，带电体所受电场力在竖直向上的分力大小与重力相等．带电体沿着圆形轨道运动，脱离C处后运动的加速度是a=23m/s2，经过一段时间后运动到斜槽轨道某处时速度的大小是v=2m/s ．已知重力加速度g=10m/s2，带电体运动过程中电量不变，经过B点时能量损失不计，忽略空气的阻力．求：（1）带电体从B到C的过程中电场力所做的功W（2）带电体运动到C时对轨道的压力F（3）带电体与斜槽轨道之间的动摩擦因数μ【答案】(1)5J(2)16N(3) 113 45【解析】【分析】【详解】（1）设带电体受到电场力的水平分量为F x，竖直分量为F y，带电体由B到C的运动过程中，水平分力做功为零，竖直分力做功等于重力做功．即：W＝F y•2R＝mg•2R＝5J（2）带电体从B到C运动的过程中，重力和电场力的竖直分力相等，电场力的水平分力不做功，所以v C＝v B＝4m/s在C点，由牛顿第二定律得：2yv F mg F mR +-=又mg＝F y联立解得：F＝16N（3）带电体脱离轨道后在水平方向上做匀减速直线运动，由速度位移公式得：222C v v ax -=代入数据得：x =设斜面与水平面的夹角为α，则2tan 3R x α== 解得：α＝30°带电体从A 到B 的运动过程中，由动能定理的：mgH ﹣μmgcos αsin H α=212B mv代入数据解得：μ=。