最新高考物理带电粒子在电场中的运动提高训练

最新高考物理带电粒子在电场中的运动提高训练

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，xOy平面处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外．点3,03PL处有一粒子源，可向各个方向发射速率不同、电荷量为q、质量为m的带负电粒子．不考虑粒子的重力．

（1）若粒子1经过第一、二、三象限后，恰好沿x轴正向通过点Q（0，-L），求其速率v1；

（2）若撤去第一象限的磁场，在其中加沿y轴正向的匀强电场，粒子2经过第一、二、三象限后，也以速率v1沿x轴正向通过点Q，求匀强电场的电场强度E以及粒子2的发射速率v2；

（3）若在xOy平面内加沿y轴正向的匀强电场Eo，粒子3以速率v3沿y轴正向发射，求在运动过程中其最小速率v.

某同学查阅资料后，得到一种处理相关问题的思路：

带电粒子在正交的匀强磁场和匀强电场中运动，若所受洛伦兹力与电场力不平衡而做复杂的曲线运动时，可将带电粒子的初速度进行分解，将带电粒子的运动等效为沿某一方向的匀速直线运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动． 请尝试用该思路求解．

【答案】（1）23BLqm（2）2219BLqm（3）22030BEEvB

【解析】

【详解】

（1）粒子1在一、二、三做匀速圆周运动，则2111vqvBmr

由几何憨可知：2221133rLrL 得到：123BLqvm

（2）粒子2在第一象限中类斜劈运动，有：133Lvt，212qEhtm

在第二、三象限中原圆周运动，由几何关系：12Lhr，得到289qLBEm

又22212vvEh，得到：22219BLqvm

（3）如图所示，将3v分解成水平向右和v和斜向的v，则0qvBqE，即0EvB

而'223vvv

所以，运动过程中粒子的最小速率为vvv

即：22003EEvvBB

2．如图，一带电荷量q=+0.05C、质量M=lkg的绝缘平板置于光滑的水平面上，板上靠右端放一可视为质点、质量m=lkg的不带电小物块，平板与物块间的动摩擦因数μ=0.75．距平板左端L=0.8m处有一固定弹性挡板，挡板与平板等高，平板撞上挡板后会原速率反弹。整个空间存在电场强度E=100N/C的水平向左的匀强电场。现将物块与平板一起由静止释放，已知重力加速度g=10m/s2，平板所带电荷量保持不变，整个过程中物块未离开平板。求：

（1）平板第二次与挡板即将碰撞时的速率；

（2）平板的最小长度；

（3）从释放平板到两者最终停止运动，挡板对平板的总冲量。

【答案】（1）平板第二次与挡板即将碰撞时的速率为1.0m/s;（2）平板的最小长度为0.53m;（3）从释放平板到两者最终停止运动，挡板对平板的总冲量为8.0N•s

【解析】

【详解】

（1）两者相对静止，在电场力作用下一起向左加速，

有a=qEm=2.5m/s2＜μg

故平板M与物块m一起匀加速，根据动能定理可得：qEL=12（M+m）v21

解得v=2.0m/s 平板反弹后，物块加速度大小a1=mgm=7.5m/s2，向左做匀减速运动

平板加速度大小a2=qEmgm=12.5m/s2，

平板向右做匀减速运动，设经历时间t1木板与木块达到共同速度v1′，向右为正方向。

-v1+a1t1=v1-a2t1

解得t1=0.2s，v1'=0.5m/s，方向向左。

此时平板左端距挡板的距离：x=v1t122112at=0.15m

此后两者一起向左匀加速，设第二次碰撞时速度为v，则由动能定理

12（M+m）v2212（M+m）21'v=qEx1

解得v2=1.0m/s

（2）最后平板、小物块静止（左端与挡板接触），此时小物块恰好滑到平板最左端，这时的平板长度最短。

设平板长为l，全程根据能量守恒可得：qEL=μmgl

解得：l=815=0.53m

（3）设平板第n-1次与第n次碰撞反弹速度分别为vn-1，和vn；平板第n-1次反弹后：设经历时间tn-1，平板与物块达到共同速度vn-1′

平板vn-1′=vn-1-a2tn-1

位移大小21112112nnnnxvtat

物块vn-1′=-vn-1+a1tn-1

由以上三式解得：11'4nnvv，1110nnvt，211380nnvx

此后两者一起向左匀加速，由动能定理

qExn-1=22111(')22nnMmvMmv

解得：112nnvv

从开始运动到平板和物块恰停止，挡板对平板的总冲量：

I=2Mv1+2Mv2+2Mv3+2Mv4+……

解得：I=8.0N•s

3．如图，以竖直向上为y轴正方向建立直角坐标系；该真空中存在方向沿x轴正向、场强为E的匀强电场和方向垂直xoy平面向外、磁感应强度为B的匀强磁场；原点O处的离子源连续不断地发射速度大小和方向一定、质量为m、电荷量为-q（q>0）的粒子束，粒子恰能在xoy平面内做直线运动，重力加速度为g,不计粒子间的相互作用； （1）求粒子运动到距x轴为h所用的时间；

（2）若在粒子束运动过程中，突然将电场变为竖直向下、场强大小变为'mgEq，求从O点射出的所有粒子第一次打在x轴上的坐标范围（不考虑电场变化产生的影响）；

（3）若保持EB初始状态不变，仅将粒子束的初速度变为原来的2倍，求运动过程中，粒子速度大小等于初速度λ倍（0

【答案】（1）BhtE (2)2222225mgmgxqBqB （3）22211528mgyxqB

【解析】

（1）粒子恰能在xoy平面内做直线运动，则粒子在垂直速度方向上所受合外力一定为零，又有电场力和重力为恒力，其在垂直速度方向上的分量不变，而要保证该方向上合外力为零，则洛伦兹力大小不变，因为洛伦兹力FBqv洛，所以受到大小不变，即粒子做匀速直线运动，重力、电场力和磁场力三个力的合力为零，

设重力与电场力合力与-y轴夹角为θ，粒子受力如图所示，222BqvqEmg，2252qEmgmgvBqqB

则v在y方向上分量大小sin2yqEEmgvvvBqvBqB

因为粒子做匀速直线运动，根据运动的分解可得，粒子运动到距x轴为h处所用的时间2yhBhqhBtvEmg；

（2）若在粒子束运动过程中，突然将电场变为竖直向下，电场强度大小变为'mgEq，则电场力''FqEmg电，电场力方向竖直向上；

所以粒子所受合外力就是洛伦兹力，则有，洛伦兹力充当向心力，即2vqvBmr，2222mqEmgmvRBqBq

如图所示，由几何关系可知，当粒子在O点就改变电场时，第一次打在x轴上的横坐标最小，2221222222222sin2mqEmgqEmEmgxRBqBqqBqEmg

当改变电场时粒子所在处于粒子第一次打在x轴上的位置之间的距离为2R时，第一次打在x轴上的横坐标最大，2222222222222222[]25sinmqEmgmqEmgRmgBqxqEBqEqBqEmg

所以从O点射出的所有粒子第一次打在x轴上的坐标范围为12xxx，即2222225mgmgxqBqB

（3）粒子束的初速度变为原来的2倍，则粒子不能做匀速直线运动，粒子必发生偏转，而洛伦兹力不做功，电场力和重力对粒子所做的总功必不为零；

那么设离子运动到位置坐标（x，y）满足速率'vv，则根据动能定理有

2211222qExmgymvmv，3222231528mgqExmgymvqB，

所以22211528mgyxqB

点睛：此题考查带电粒子在复合场中的运动问题；关键是分析受力情况及运动情况，画出受力图及轨迹图；注意当求物体运动问题时，改变条件后的问题求解需要对条件改变引起的运动变化进行分析，从变化的地方开始进行求解．

4．如图所示,在平面直角坐标系xOy平面内,直角三角形abc的直角边ab长为6d，与y轴重合,∠bac=30°,中位线OM与x轴重合,三角形内有垂直纸面向里的匀强磁场．在笫一象限内,有方向沿y轴正向的匀强电场,场强大小E与匀强磁场磁感应强度B的大小间满足E=v0B．在x=3d的N点处,垂直于x轴放置一平面荧光屏.电子束以相同的初速度v0从y轴上－3d≤y≤0的范围内垂直于y轴向左射入磁场,其中从y轴上y=－2d处射入的电子,经磁场偏转后,恰好经过O点．电子质量为m,电量为e,电子间的相互作用及重力不计．求

(1)匀强磁杨的磁感应强度B

(2)电子束从y轴正半轴上射入电场时的纵坐标y的范围;

(3)荧光屏上发光点距N点的最远距离L

【答案】（1）0mved； （2）02yd；（3）94d；

【解析】

(1)设电子在磁场中做圆周运动的半径为r；

由几何关系可得r=d

电子在磁场中做匀速圆周运动洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得：200vevBmr

解得：0mvBed

(2)当电子在磁场中运动的圆轨迹与ac边相切时，电子从+ y轴射入电场的位置距O点最远，如图甲所示.

设此时的圆心位置为O，有：sin30rOa

3OOdOa

解得OOd

即从O点进入磁场的电子射出磁场时的位置距O点最远

所以22myrd 电子束从y轴正半轴上射入电场时的纵坐标y的范围为02yd

设电子从02yd范围内某一位置射入电场时的纵坐标为y，从ON间射出电场时的位置横坐标为x，速度方向与x轴间夹角为θ，在电场中运动的时间为t，电子打到荧光屏上产生的发光点距N点的距离为L，如图乙所示：

根据运动学公式有：0xvt

212eEytm

yeEvtm

0tanyvv

tan3Ldx

解得：(32)2Ldyy

即98yd时，L有最大值

解得：94Ld

当322dyy

【点睛】本题属于带电粒子在组合场中的运动，粒子在磁场中做匀速圆周运动，要求能正确的画出运动轨迹，并根据几何关系确定某些物理量之间的关系；粒子在电场中的偏转经常用化曲为直的方法，求极值的问题一定要先找出临界的轨迹，注重数学方法在物理中的应用．

5．如图所示，虚线OL与y轴的夹角θ=450，在OL上侧有平行于OL向下的匀强电场，在OL下侧有垂直纸面向外的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q（q＞0）的粒子以速率v0从y轴上的M（OM=d）点垂直于y轴射入匀强电场，该粒子恰好能够垂直于OL进入匀强磁场，不计粒子重力。