高中物理人教版 (新课标)选修36 带电粒子在匀强磁场中的运动练习题

课时分层作业(二十三)

(时间：40分钟　分值：100分)

[基础达标练]

一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)

1．如图是科学史上一张著名的实验照片，显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹。云室放置在匀强磁场中，磁场方向垂直照片向里。云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用。分析此径迹可知粒子(　　)

A．带正电，由下往上运动B．带正电，由上往下运动

C．带负电，由上往下运动 D．带负电，由下往上运动

A　[由图可以看出，上方的轨迹半径小，说明粒子的速度小，所以粒子是从下方往上方运动；再根据左手定则，可知粒子带正电，A正确。]

2．质子(p)和α粒子以相同的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径分别为Rp和Rα，周期分别为Tp和Tα。则下列选项正确的是(　　)

A．Rp∶Rα＝1∶2，Tp∶Tα＝1∶2

B．Rp∶Rα＝1∶1，Tp∶Tα＝1∶1

C．Rp∶Rα＝1∶1，Tp∶Tα＝1∶2

D．Rp∶Rα＝1∶2，Tp∶Tα＝1∶1

A　[由洛伦兹力提供向心力，则qvB＝m，R＝，由此得＝·＝·＝。由周期T＝得＝·＝＝。故选项A正确。]

3．(多选)在垂直纸面的匀强磁场区域里，一离子从原点O沿纸面向x轴正方向飞出，其运动轨迹可能是图中的(　　)

A　　　　　B　　　　　C　　　　　D

BC　[题中既没给出离子所带电性，又没给出匀强磁场的具体方向，因此可能有多个解。假设磁场方向垂直纸面向外，当离子带正电时，由左手定则可以判断离子刚飞入时所受洛伦兹力方向沿y轴负方向，离子运动轨迹是B；同理可以判断当离子带负电时，运动轨迹是C，无论哪种情况，离子的运动轨迹都是和x轴相切的，A、D错误。]

4．如图所示，有界匀强磁场边界线SP∥MN，速度不同的同种带电粒子从S点沿SP方向同时射入磁场，其中穿过a点的粒子速度v1与MN垂直，穿过b点的粒子，其速度方向与MN成60°角，设两粒子从S到a、b所需的时间分别为t1、t2，则t1∶t2为(　　)

A．1∶3  B．4∶3

C．1∶1  D．3∶2

D　[画出运动轨迹，过a点的粒子转过90°，过b点的粒子转过60°，故选项D正确。]

5．(多选)1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(　　)

A．离子由加速器的中心附近进入加速器

B．离子由加速器的边缘进入加速器

C．离子从磁场中获得能量

D．离子从电场中获得能量

AD　[离子从加速器的中间位置进入加速器，最后由加速器边缘飞出，所以A对，B错。加速器中所加的磁场是使离子做匀速圆周运动，所加的电场由交流电提供，它用以加速离子。交流电的周期与离子做圆周运动的周期相同。故C错，D对。]

6．如图所示，有一混合正离子束先后通过正交的匀强电场、匀强磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果正离子束在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径r相同，则它们一定具有相同的(　　)

A．速度  B．质量

C．电荷量  D．动能

A　[离子束在区域Ⅰ中不偏转，一定是qE＝qvB，v＝，A正确。进入区域Ⅱ后，做匀速圆周运动的半径相同，由r＝知，因v、B相同，只能是比荷相同，故B、C、D错误。]

二、非选择题(14分)

7．如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。带电荷量为＋q、质量为m的粒子，由静止开始从正极板出发，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动。忽略重力的影响，求：

(1)匀强电场场强E的大小；

(2)粒子从电场射出时速度v的大小；

(3)粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R。

[解析]　(1)匀强电场场强E＝。

(2)根据动能定理Uq＝mv2－0

解得v＝。

(3)根据洛伦兹力提供向心力得Bqv＝m

解得R＝＝。

[答案]　(1)　(2)　(3)

[能力提升练]

一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)

1．(多选)有两个匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ，Ⅰ中的磁感应强度是Ⅱ中的k倍。两个速率相同的电子分别在两磁场区域做圆周运动。与Ⅰ中运动的电子相比，Ⅱ中的电子(　　)

A. 运动轨迹的半径是Ⅰ中的k倍

B．加速度的大小是Ⅰ中的k倍

C．做圆周运动的周期是Ⅰ中的k倍

D．做圆周运动的角速度与Ⅰ中的相等

AC　[两速率相同的电子在两匀强磁场中做匀速圆周运动，且Ⅰ磁场磁感应强度B1是Ⅱ磁场磁感应强度B2的k倍。

A：由qvB＝得r＝∝，即Ⅱ中电子运动轨迹的半径是Ⅰ中的k倍，选项A正确。

B：由F合＝ma得a＝＝∝B，所以＝，选项B错误。

C：由T＝得T∝r，所以＝k，选项C正确。

D：由ω＝得＝＝，选项D错误。

正确选项为A、C。]

2．一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场，粒子的一段运动轨迹如图所示，运动轨迹上的每一小段都可近似看成圆弧，由于带电粒子使沿途空气电离，粒子的能量逐渐减少(带电荷量不变)，从图中情况可以确定(　　)

A．粒子从a运动到b，带正电

B．粒子从a运动到b，带负电

C．粒子从b运动到a，带正电

D．粒子从b运动到a，带负电

C　[带电粒子做圆周运动的半径r＝＝，随着Ek的减小，半径减小，故粒子从b运动到a；由左手定则知粒子带正电，故选C。]

3.半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子(不计重力)从A点以速度v0垂直于磁场方向射入磁场中，并从B点射出。∠AOB＝120°，如图所示，则该带电粒子在磁场中运动的时间为(　　)

A.   B.

C.   D.

D　[

如图所示，由∠AOB＝120°可知，弧AB所对圆心角θ＝60°，设带电粒子做匀速圆周运动的半径为R。由几何知识知R＝r，t＝＝＝＝，故D正确。]

4．如图所示是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内存在相互正交的匀强磁场和匀强电场。匀强磁场的磁感应强度为B，匀强电场的电场强度为E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是(　　)

A．质谱仪是分析同位素的重要工具

B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外

C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小

D　[因同位素原子的化学性质完全相同，无法用化学方法进行分析，故质谱仪就成为同位素分析的重要工具，选项A正确。在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向，结合左手定则可知选项B正确。再由qE＝qvB有v＝，选项C正确。在磁感应强度为B0的匀强磁场中R＝所以＝，选项D错误。]

二、非选择题(本题共2小题，共26分)

5．(12分)如图所示，空间存在一方向垂直于纸面、磁感应强度为B的正方形匀强磁场区域，一电荷量为－q的粒子(不计重力)从A点沿AB方向以速度v射入磁场，粒子从BC边上的E点离开磁场，且AE＝2BE＝2d。求：

(1)磁场的方向；

(2)带电粒子的质量及其在磁场区域的运动时间。

[解析]　(1)粒子沿弧AE运动，从带电粒子所受洛伦兹力的方向可判断出磁场的方向垂直纸面向里。

(2)如图所示，连接AE，作线段AE的中垂线，交AD的延长线于O点，O即为圆心，α为弦切角，因AE＝2BE＝2d，所以α＝30°。

θ为圆弧轨迹的圆心角，θ＝2α＝60°。△AOE为等边三角形，R＝2d，

由qvB＝m得，m＝

T＝＝，

所以粒子在磁场区域的运动时间t＝＝。

[答案]　(1)垂直纸面向里　(2)　

6．(14分)如图所示，圆形区域内有垂直于纸向里的匀强磁场，一个带电粒子以速度v从A点沿直径AOB方向射入磁场，经过t时间从C点射出磁场，OC与OB成60°角。现将带电粒子的速度变为，仍从A点沿原方向射入磁场，不计重力，则粒子在磁场中的运动时间是多少？

[解析]　根据作图法找出速度为v时的粒子轨迹圆圆心O′，由几何关系可得：磁场中的轨迹弧所对圆心角∠AO′C＝θ＝60°，设圆形磁场的半径为r，

粒子的轨道半径为R1，因此有：qvB＝m，tan＝，

轨迹圆半径R1＝r，

当粒子速度变为时，粒子的轨道半径为R2，因此有：

qB＝m，tan＝，其轨迹圆半径R2＝r，磁场中的轨迹弧所对圆心角：θ1＝120°，周期：T＝，粒子运动时间：t＝T，t2＝T，

解得t2＝2t。

[答案]　2t