1、专题8带电粒子在电场和磁场中的运动解读1(2015江苏单科15一台质谱仪的工作原理如图1所示，电荷量均为q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上已知放置底片的区域MNL，且OML.某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧区域QN仍能正常检测到离子在适当调节加速电压后，原本打在MQ的离子即可在QN检测到图1(1求原本打在MN中点P的离子质量m；(2为使原本打在P的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围；(3为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整，求需要调节
2、U的最少次数(取lg 20.301，lg 30.477，lg 50.6992(2014全国大纲25如图2所示，在第一象限存在匀强磁场，磁感应强度方向垂直于纸面(xy平面向外；在第四象限存在匀强电场，方向沿x轴负方向在y轴正半轴上某点以与x轴正向平行、大小为v0的速度发射出一带正电荷的粒子，该粒子在(d,0点沿垂直于x轴的方向进入电场不计粒子重力若该粒子离开电场时速度方向与y轴负方向的夹角为，求：图2(1电场强度大小与磁感应强度大小的比值；(2该粒子在电场中运动的时间1题型特点(1带电粒子在复合场中的运动是力电综合的重点和高考的热点，常见的考查形式有组合场(电场、磁场、重力场依次出现、叠加场(空
3、间同一区域同时存在两种以上的场、周期性变化的场等，近几年高考试题中，涉及本专题内容的频率极高，特别是计算题，题目难度大，涉及面广(2试题多把电场和磁场的性质、运动学规律、牛顿运动定律、圆周运动规律、功能关系揉合在一起，主要考查考生的空间想象力、分析综合能力以及运用数学知识解决物理问题的能力以及考查考生综合分析和解决复杂问题的能力2解决带电粒子在组合场中运动的一般思路和方法：(1明确组合场是由哪些场组合成的(2判断粒子经过组合场时的受力和运动情况，并画出相应的运动轨迹简图(3带电粒子经过电场时利用动能定理和类平抛运动知识分析(4带电粒子经过磁场区域时通常用圆周运动知识结合几何知识来处理考题一带电
4、粒子在组合场中的运动1(2015临沂二模如图3所示，在直角坐标系xOy的第二象限存在沿y轴正方向的匀强电场，电场强度的大小为E1，在y轴的左侧存在垂直于纸面的匀强磁场现有一质量为m，带电荷量为q的带电粒子从第二象限的A点(3L，L以初速度v0沿x轴正方向射入后刚好做匀速直线运动，不计带电粒子的重力图3(1求匀强磁场的大小和方向；(2撤去第二象限的匀强磁场，同时调节电场强度的大小为E2，使带电粒子刚好从B点(L,0进入第三象限，求电场强度E2的大小；(3带电粒子从B点穿出后，从y轴上的C点进入第四象限，若E12E2，求C点离坐标原点O的距离2(2015山西四校第三次联考如图4所示，在直角坐标系x
5、Oy平面内，虚线MN平行于y轴，N点坐标(L,0，MN与y轴之间有沿y轴正方向的匀强电场，在第四象限的某区域有方向垂直于坐标平面的矩形有界匀强磁场(图中未画出现有一质量为m、电荷量为e的电子，从虚线MN上的P点，以平行于x轴正方向的初速度v0射入电场，并从y轴上A点(0,0.5L射出电场，射出时速度方向与y轴负方向成30角，进入第四象限，经过矩形磁场区域，电子过Q点(L，L，不计电子重力，求：图4(1匀强电场的电场强度E的大小；(2匀强磁场的磁感应强度B的大小和电子在磁场中运动的时间t；(3矩形有界匀强磁场区域的最小面积Smin.分析带电粒子在组合场中运动问题的方法(1要清楚场的性质、方向、强
6、弱、范围等(2带电粒子依次通过不同场区时，由受力情况确定粒子在不同区域的运动情况(3正确地画出粒子的运动轨迹图(4根据区域和运动规律的不同，将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段，对不同的阶段选取不同的规律处理(5要明确带电粒子通过不同场区的交界处时速度大小和方向关系，上一个区域的末速度往往是下一个区域的初速度考题二带电粒子在叠加场中的运动3(多选(2015南充三诊如图5所示，直角坐标系xOy位于竖直平面内第、象限内有垂直于坐标面向外的匀强磁场，第象限同时存在方向平行于y轴的匀强电场(图中未画出，一带电小球从x轴上的A点由静止释放，恰好从P点垂直于y轴进入第象限，然后做圆周运动，从Q点垂直于x轴
7、进入第象限，Q点距O点的距离为d，重力加速度为g.根据以上信息，能求出的物理量有(图5A圆周运动的速度大小B电场强度的大小和方向C小球在第象限运动的时间D磁感应强度大小4(2015安徽模拟如图6所示，在竖直平面内建立直角坐标系xOy，其第一象限存在着正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度的方向水平向右，磁感应强度的方向垂直纸面向里一带电荷量为q，质量为m的微粒从原点出发沿与x轴正方向的夹角为45的初速度进入复合场中，正好做直线运动，当微粒运动到A(l，l时，电场方向突然变为竖直向上(不计电场变化的时间，粒子继续运动一段时间后，正好垂直于y轴穿出复合场(不计一切阻力，求：图6(1电场强度E大小；(2
8、磁感应强度B的大小；(3粒子在复合场中的运动时间带电粒子在叠加场中运动问题的处理方法(1弄清叠加场的组成特点(2正确分析带电粒子的受力及运动特点(3画出粒子的运动轨迹，灵活选择不同的运动规律若只有两个场且正交例如，电场与磁场中满足qEqvB或重力场与磁场中满足mgqvB或重力场与电场中满足mgqE，都表现为匀速直线运动或静止，根据受力平衡列方程求解三场共存时，合力为零，受力平衡，粒子做匀速直线运动其中洛伦兹力FqvB的方向与速度v垂直三场共存时，粒子在复合场中做匀速圆周运动mg与qE相平衡，有mgqE，由此可计算粒子比荷，判定粒子电性粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，应用受力平衡和牛顿运动定
9、律结合圆周运动规律求解，有qvBmr2mmrma.当带电粒子做复杂的曲线运动或有约束的变速直线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解考题三带电粒子在交变电磁场中运动的问题5(2015泰州二模如图7甲所示，在xOy竖直平面内存在竖直方向的匀强电场，在第一象限内有一与x轴相切于点(2R,0、半径为R的圆形区域，该区域内存在垂直于xOy面的匀强磁场，电场与磁场随时间变化如图乙、丙所示，设电场强度竖直向下为正方向，磁场垂直纸面向里为正方向，电场、磁场同步周期性变化(每个周期内正反向时间相同一带正电的小球A沿y轴方向下落，t0时刻A落至点(0,3R，此时，另一带负电的小球B从圆形区域最高点(2R,2R
10、处开始在磁场内紧靠磁场边界做匀速圆周运动；当A球再下落R时，B球旋转半圈到达点(2R,0；当A球到达原点O时，B球又旋转半圈回到最高点；然后A球开始匀速运动两球的质量均为m，电荷量大小均为q.(不计空气阻力及两小球之间的作用力，重力加速度为g求：图7(1匀强电场的场强E的大小；(2小球B做匀速圆周运动的周期T及匀强磁场的磁感应强度B的大小；(3电场、磁场变化第一个周期末A、B两球间的距离6(2015绥化二模如图8甲所示，两个平行正对的水平金属板X、X极板长L0.2 m，板间距离d0.2 m，在金属板右端竖直边界MN的右侧有一区域足够大的匀强磁场，磁感应强度B5103 T，方向垂直纸面向里现将X
11、极板接地，X极板上电势随时间变化规律如图乙所示现有带正电的粒子流以v0105 m/s的速度沿水平中线OO连续射入电场中，粒子的比荷108 C/kg，重力可忽略不计，在每个粒子通过电场的极短时间内，电场可视为匀强电场(设两板外无电场求：图8(1带电粒子射出电场时的最大速率；(2粒子在磁场中运动的最长时间和最短时间之比；(3分别从O点和距O点下方0.05 m处射入磁场的两个粒子，在MN上射出磁场时两出射点之间的距离解决带电粒子在交变电磁场中运动问题“三步走”考题四磁与现代科技的应用7(2015长春三质检如图9所示，宽度为d、厚度为h的导体放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过该导体时
12、，在导体的上、下表面之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应实验表明：当磁场不太强时，电势差U、电流I和磁感应强度B的关系为：UK，式中的比例系数K称为霍尔系数设载流子的电荷量为q，下列说法正确的是(图9A载流子所受静电力的大小FqB导体上表面的电势一定大于下表面的电势C霍尔系数为K，其中n为导体单位长度上的电荷数D载流子所受洛伦兹力的大小F洛，其中n为导体单位体积内的电荷数8(多选(2015日照模拟英国物理学家阿斯顿因首次制成质谱仪，并用此对同位素进行了研究，因此荣获了1922年的诺贝尔化学奖若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图10所示，则下列说法中正确的是(图10A该束带电
13、粒子带正电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大D在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小9(2015浙江理综25使用回旋加速器的实验需要把离子束从加速器中引出，离子束引出的方法有磁屏蔽通道法和静电偏转法等质量为m，速度为v的离子在回旋加速器内旋转，旋转轨道是半径为r的圆，圆心在O点，图11轨道在垂直纸面向外的匀强磁场中，磁感应强度为B.为引出离子束，使用磁屏蔽通道法设计引出器引出器原理如图所示，一对圆弧形金属板组成弧形引出通道，通道的圆心位于O点(O点图中未画出引出离子时，令引出通道内磁场的磁感应强度降低，从而使离子从P点进入通道，沿通道中心线从Q点射出已知O
14、Q长度为L，OQ与OP的夹角为.图11(1求离子的电荷量q并判断其正负；(2离子从P点进入，Q点射出，通道内匀强磁场的磁感应强度应降为B，求B；(3换用静电偏转法引出离子束，维持通道内的原有磁感应强度B不变，在内外金属板间加直流电压，两板间产生径向电场，忽略边缘效应为使离子仍从P点进入，Q点射出，求通道内引出轨迹处电场强度E的方向和大小几种常见的电磁场应用实例(1质谱仪：用途：测量带电粒子的质量和分析同位素原理：由粒子源S发出的速度几乎为零的粒子经过加速电场U加速后，以速度v 进入偏转磁场中做匀速圆周运动，运动半径为r ，粒子经过半个圆周运动后打到照相底片D上，通过测量D与入口间的距离d，进而
15、求出粒子的比荷或粒子的质量m.(2速度选择器：带电粒子束射入正交的匀强电场和匀强磁场组成的区域中，满足平衡条件qEqvB的带电粒子可以沿直线通过速度选择器速度选择器只对粒子的速度大小和方向做出选择，而对粒子的电性、电荷量不能进行选择(3回旋加速器：用途：加速带电粒子原理：带电粒子在电场中加速，在磁场中偏转，交变电压的周期与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期相同粒子获得的最大动能E，其中rn表示D形盒的最大半径专题综合练1(2015全国大联考二如图12所示，平面直角坐标系第一象限存在竖直向上的匀强电场，距离原点O为3a处有一个竖直放置的荧光屏，荧光屏与x轴相交于Q点，且纵贯第四象限一个顶角等于
16、30的直角三角形区域内存在垂直平面向里的匀强磁场，三角形区域的一条直角边ML与y轴重合，且被x轴垂直平分已知ML的长度为6a，磁感应强度为B，电子束以相同的速度v0从LO区间垂直y轴和磁场方向射入直角三角形区域从y2a射入磁场的电子运动轨迹恰好经过原点O，假设第一象限的电场强度大小为EBv0，试求：图12(1电子的比荷；(2电子束从y轴上射入电场的纵坐标范围；(3从磁场中垂直于y轴射入电场的电子打到荧光屏上距Q点的最远距离2(2015绵阳4月模拟如图13甲所示，有一磁感应强度大小为B、垂直纸面向外的匀强磁场，磁场边界OP与水平方向夹角为45，紧靠磁场右上边界放置长为L、间距为d的平行金属板M、
17、N，磁场边界上的O点与N板在同一水平面上，O1、O2为电场左右边界中点在两板间存在如图乙所示的交变电场(取竖直向下为正方向某时刻从O点竖直向上以不同初速度同时发射两个相同的质量为m、电荷量为q的粒子a和b.结果粒子a恰好从O1点水平进入板间电场运动，由电场中的O2点射出；粒子b恰好从M板左端边缘水平进入电场不计粒子重力和粒子间相互作用，电场周期T未知求：图13(1粒子a、b从磁场边界射出时的速度va、vb；(2粒子a从O点进入磁场到O2点射出电场运动的总时间t.3(2015盐城二模如图14所示的xOy坐标系中，y轴右侧空间存在范围足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于xOy平面向里P
18、点的坐标为(2L,0，Q1、Q2两点的坐标分别为(0，L，(0，L坐标为(L,0处的C点固定一平行于y轴放置的长为L的绝缘弹性挡板，C为挡板中点，带电粒子与弹性绝缘挡板碰撞前后，沿y方向分速度不变，沿x方向分速度反向，大小不变带负电的粒子质量为m，电荷量为q，不计粒子所受重力若粒子从P点射出沿PQ1方向进入磁场，经磁场运动后，求：图14(1从Q1直接到达Q2处的粒子初速度大小；(2从Q1直接到达O点，粒子第一次经过x轴的交点坐标；(3只与挡板碰撞两次并能回到P点的粒子初速度大小答案精析专题8带电粒子在电场和磁场中的运动真题示例1(1(2U(33次解析(1离子在电场中加速： qU0mv2在磁场中
19、做匀速圆周运动：qvBm解得r 打在MN中点P的离子运动半径为r0L，代入解得m(2由(1知，U离子打在Q点时rL，U离子打在N点时rL，U，则电压的范围U(3由(1可知，r由题意知，第1次调节电压到U1，使原本Q点的离子打在N点此时，原本半径为r1的打在Q1的离子打在Q上解得r12L第2次调节电压到U2，原本打在Q1的离子打在N点，原本半径为r2的打在Q2的离子打在Q上，则：，解得r23L同理，第n次调节电压，有rnn1L检测完整，有rn解得n12.8最少次数为3次2(1v0tan2(2解析(1如图，粒子进入磁场后做匀速圆周运动设磁感应强度的大小为B，粒子质量与所带电荷量分别为m和q，圆周运
20、动的半径为R0.由洛伦兹力公式及牛顿第二定律得qv0Bm由题给条件和几何关系可知R0d设电场强度大小为E，粒子进入电场后沿x轴负方向的加速度大小为ax，在电场中运动的时间为t，离开电场时沿x轴负方向的速度大小为vx.由牛顿第二定律及运动学公式得Eqmaxvxaxttd由于粒子在电场中做类平抛运动(如图，有tan 联立式得v0tan2(2联立式得t.考题一带电粒子在组合场中的运动1(1磁场方向垂直纸面向外(2(3(1L解析(1带电粒子做匀速直线运动，其所受合力为零，由于粒子带负电荷，带电粒子受到的电场力方向沿y轴负方向，所以带电粒子受到的洛伦兹力方向沿y轴正方向，根据左手定则判断磁场方向垂直纸面
21、向外根据带电粒子受的洛伦兹力等于电场力，即：qv0BqE1解得：B(2撤去磁场后，带电粒子仅受电场力作用做类平抛运动根据牛顿第二定律：qE2max轴方向：2Lv0ty轴方向：Lat2联立解得：E2(3带电粒子穿过B点时竖直速度：v1at由解得：v1v0则通过B点时的速度vv0与x轴正方向的夹角为，则sin 即45带电粒子在第三象限做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力qvB由E12E2由(1知B由解得：RLCO(1L2(1(2(3解析(1设电子在电场中运动的加速度为a，时间为t，离开电场时，沿y轴方向的速度大小为v，则Lv0tavyat，vy联立解得：E(2设轨迹与x轴的交点为D，OD距离为xD，
22、则xD0.5Ltan 30L所以，DQ平行于y轴，电子在磁场中做匀速圆周运动的轨道的圆心在DQ上，电子运动轨迹如图所示设电子离开电场时速度为v，在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为r，则evBmv由几何关系有rL即r联立以上各式解得B电子转过的圆心角为120.则得tT(或T，解得t(3以切点F、Q的连线长为矩形的一条边，与电子的运动轨迹相切的另一边作为其FQ的对边，有界匀强磁场区域面积为最小Sminr解得Smin考题二带电粒子在叠加场中的运动3AC带电小球在第象限内运动时只有重力做功，机械能守恒，设带电小球到达P点的速度为v.根据机械能守恒定律得：mgdmv2，v，即带电小球做圆周运动的速度大小
23、为，所以可以求出带电小球做圆周运动的速度大小，故A正确；带电小球在第象限内做圆周运动，重力与电场力平衡，则有mgqE，E，由于带电小球的比荷未知，不能求出电场强度E的大小根据带电小球第象限内运动情况，由左手定则判断知该带电小球带负电，带电小球在第象限内受到的电场力向上，则电场强度方向向下，故B错误；小球在第象限运动的时间t，可知能求出小球在第象限运动的时间t，故C正确；小球在第象限内运动的半径为d，由d知，由于带电小球的比荷未知，不能求出磁感应强度大小，故D错误4(1(2(3(1解析(1微粒到达A(l，l之前做匀速直线运动，对微粒受力分析如图甲：所以，Eqmg，得：E(2由平衡条件得：qvBm
24、g电场方向变化后，微粒所受重力与电场力平衡，微粒在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，轨迹如图乙：qvBm由几何知识可得：rlv联立解得：B(3微粒做匀速运动时间：t1做圆周运动时间：t2在复合场中运动时间：tt1t2(1考题三带电粒子在交变电磁场中运动的问题5(1(2(3R解析(1小球B做匀速圆周运动，则Eqmg解得：E(2设小球B做圆周运动的周期为T对A小球：Eqmgma得a2gRa(2解得T 对B小球：Bqvmv解得：B(3分析得：电(磁场变化周期是B球圆周运动周期的2倍对小球A：在原点的速度为vAa在原点下的位移为：yAvATyA5R2T末，小球A的坐标为(0，5R对小球B：球B的线速度vB
25、水平位移为xbvBT2R竖直位移为ybaT22R2T末，小球B的坐标为(22R,0则2T末，AB两球的距离为ABR6(1105 m/s(221(30.05 m解析(1带电粒子在偏转电场中做类平抛运动：水平：t2106 s竖直：yat2，其中a，U1 V当U V时进入电场中的粒子将打到极板上，即在电压等于 V时刻进入的粒子具有最大速度所以由动能定理得：qmvmv，解得vt105 m/s(2计算可得，粒子射入磁场时的速度与水平方向的夹角为30，从下极板边缘射出的粒子轨迹如图甲中a所示，磁场中轨迹所对应的圆心角为240，时间最长；从上极板边缘射出的粒子轨迹如图中b所示，磁场中轨迹所对应的圆心角为12
26、0，时间最短，因为两粒子的周期T相同，所以粒子在磁场中运动的最长时间和最短时间之比为21.(3如图乙，从O点射入磁场的粒子速度为v0，它在磁场中的出射点与入射点间距为d12R1由R1，得：d1从距O点下方0.05 m处射入磁场的粒子速度与水平方向夹角，则它的速度为v2，它在磁场中的出射点与入射点间距为d22R2cos ，由R2得d2即两个粒子向上偏移的距离相等所以：两粒子射出磁场的出射点间距仍为进入磁场时的间距，即0.05 m考题四磁与现代科技的应用7D静电力大小应为Fq，A项错误；载流子的电性是不确定的，因此B项错误；n为导体单位体积内的电荷数，C项错误；载流子所受洛伦兹力的大小F洛qvB，
27、其中v，可得F洛，D项正确8AD根据粒子在磁场中的运动轨迹，由左手定则可知，粒子带正电，选项A正确；粒子在正交场中，受向上的洛伦兹力，故电场力向下，即速度选择器的P1极板带正电，选项B错误；根据R可知，在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量与电荷量的比值越大，或者比荷越小，选项C错误，D正确9(1正电荷(2(3沿径向向外Bv解析(1离子做圆周运动Bv，根据左手定则可判断离子带正电荷(2离子进入通道前、后的轨迹如图所示OP，O，OOP引出轨迹为圆弧，BvP由余弦定理得P22(P22(Pcos 解得P故B(3电场强度方向沿径向向外引出轨迹为圆弧BvE解得EBv专题综合练1(1(20y2a(3a解析(
28、1由题意可知电子在磁场中的轨迹半径为，由圆周运动规律得：v0B，解得电子的比荷：(2电子能进入电场中，且离O点上方最远，电子在磁场中运动圆轨迹恰好与边MN相切，电子运动轨迹的圆心为O点，如图所示OM2OOOMOMa，即粒子从D点离开磁场进入电场时，离O点上方最远距离为：ODym2a，所以电子束从y轴射入电场的范围为0y2a；(3假设电子没有射出电场就打到荧光屏上，有3av0t，yt2解得：ya2a，所以电子应射出电场后打到荧光屏上电子在电场中做类平抛运动，设电子在电场的运动时间t，竖直方向位移为y，水平位移为x，水平：xv0t，竖直：yt2，代入数据解得：x设电子最终打在光屏的最远点距Q点为H
29、，电子射出电场时与x轴的夹角为有：tan ，H(3axtan (3当3，即ya时，H有最大值，由于a2a，所以Hmaxa2(1(2解析(1根据题意，粒子a、b在磁场中受洛伦兹力作用做匀速圆周运动，圆心分别为Oa、Ob，作出其运动轨迹如图所示，粒子a从A点射出磁场由几何关系有：ra，rbd由牛顿第二定律有：qvBm联立解得：vavb(2设粒子a在磁场中运动时间为t1，从A点到O2点的运动时间为t2，则：t1，Ta，t2，tt1t2联解得：t3(1(2(L,0(3解析(1由题意画出粒子运动轨迹如图甲所示，设PQ1与x轴方向夹角为，粒子在磁场中做圆周运动的半径大小为R1，由几何关系得：R1cos L，其中：cos 粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有：qv1Bm，解得：v1.(2由
