新高考物理三轮冲刺专项训练压轴题07 带电粒子在磁场中的运动（2份打包，原卷版+解析版）

这是一份新高考物理三轮冲刺专项训练压轴题07 带电粒子在磁场中的运动（2份打包，原卷版+解析版），文件包含新高考物理三轮冲刺专项训练压轴题07带电粒子在磁场中的运动原卷版doc、新高考物理三轮冲刺专项训练压轴题07带电粒子在磁场中的运动解析版doc等2份试卷配套教学资源，其中试卷共80页， 欢迎下载使用。

1.本专题是磁场的典型题型之一，包括应用洛伦兹力的知识解决实际问题。高考中经常在选择题中命题，更是在在计算题中频繁出现。2024年高考对于洛伦兹力的考查仍然是热点。
2.通过本专题的复习，不仅利于完善学生的知识体系，也有利于培养学生的物理核心素养。
3.用到的相关知识有:左手定则,洛伦兹力与现代科技等。近几年的高考命题中一直都是以压轴题的形式存在，重点考查类型带电粒子在有界磁场中的运动，电磁场与现代科技等。
考向一：带电粒子在有界磁场中运动
带电粒子在有界磁场中运动的分析方法
1.圆心的确定
圆心位置的确定通常有以下两种基本方法：
(1)已知入射方向和出射方向时，可以过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的垂线，两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲所示，P为入射点，M为出射点)。
(2)已知入射方向和出射点的位置时，可以过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图乙所示，P为入射点，M为出射点)。
2.半径的确定
半径的计算一般利用几何知识解直角三角形。做题时一定要作好辅助线，由圆的半径和其他几何边构成直角三角形。由直角三角形的边角关系或勾股定理求解。
3.粒子在匀强磁场中运动时间的确定
(1)粒子在匀强磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动轨迹的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间t＝eq \f(α,360°)T(或t＝eq \f(α,2π)T)。
圆心角＝偏向角＝2倍弦切角。
(2)当v一定时，粒子在匀强磁场中运动的时间t＝eq \f(l,v)，l为带电粒子通过的弧长。
考向二：带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
解决带电粒子在磁场中运动的临界问题的关键，通常以题目中的“恰好”“最大”“至少”等为突破口，寻找临界点，确定临界状态，根据磁场边界和题设条件画好轨迹，建立几何关系求解。
(1)刚好穿出或刚好不能穿出磁场的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切。
(2)当以一定的速率垂直射入磁场时，运动的弧长越长、圆心角越大，则带电粒子在有界磁场中的运动时间越长。
(3)当比荷相同，速率v变化时，圆心角越大的，运动时间越长。
考向三：质谱仪
1.原理示意图
2.用途：分离和检测同位素；准确测离子的质量。
3.工作原理
(1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，qU＝eq \f(1,2)mv2。
(2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝eq \f(mv,qB)。
(3)偏转距离x＝2r，比荷eq \f(q,m)＝eq \f(8U,B2x2)，所以比荷不相等的离子会被分开，并按比荷的大小顺序排列，利用质谱仪我们还可以准确地测量出每种离子的质量m＝eq \f(qB2,8U)x2。
4.质谱仪区分同位素：由qU＝eq \f(1,2)mv2和qvB＝meq \f(v2,r)可求得r＝eq \f(1,B)eq \r(\f(2mU,q))。同位素电荷量q相同，质量不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，故能据此区分同位素。
考向四：回旋加速器
1.原理示意图
2.工作原理
(1)电场的特点及作用
特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在交变电场，交变电场的周期与粒子在磁场中运动的周期相同。
作用：带电粒子经过该区域时被加速。
(2)磁场的特点及作用
特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再次进入电场。
3.同步问题
交变电压的频率与粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率相等，交变电压的频率f＝eq \f(1,T)＝eq \f(qB,2πm)(当粒子的比荷或磁感应强度改变时，同时也要调节交变电压的频率)。
4.粒子的最大动能
粒子从D形盒边缘离开回旋加速器时动能最大，Ekm＝eq \f(1,2)mv2＝eq \f(q2B2R2,2m)，可知在q、m和B一定的情况下，回旋加速器的半径R越大，粒子的动能就越大(最大动能与加速电压无关)。
5.回旋加速的次数
粒子每加速一次动能就增加qU，故需要加速的次数n＝eq \f(Ekm,qU)，回旋的周期数为eq \f(n,2)。
6.粒子的运动时间
粒子的运动时间由加速次数n或回旋的周期数eq \f(n,2)决定，在磁场中的回旋时间t1＝eq \f(n,2)T；在电场中的加速时间t2＝eq \f(nd,\f(vn,2))或t2＝eq \r(\f(2nd,a))，其中a＝eq \f(qU,md)。在回旋加速器中运动的总时间t＝t1＋t2(因t1≫t2，故可认为粒子在盒内的运动时间近似等于t1)。
7.回旋轨迹半径
rn＝eq \f(mvn,qB)，nqU＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)，n为加速次数。
考向五：洛伦兹力的其他应用实例
1.速度选择器
(1)装置及要求
如图所示，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带正电粒子从左侧射入，不计粒子重力。
(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝eq \f(E,B)。
(3)速度选择器的特点
①v的大小等于E与B的比值，即v＝eq \f(E,B)。速度选择器只对选择的粒子的速度有要求，而对粒子的质量、电荷量大小及带电正、负无要求。
②当v>eq \f(E,B)时，粒子向F洛方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大。
③当v2.磁流体发电机
磁流体发电机的发电原理图如图甲所示，其平面图如图乙所示。
设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，极板间电压为U，根据F洛＝F电，有qvB＝qE＝eq \f(qU,d)，得U＝Bdv。
根据外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，知此磁流体发电机的电动势为E源＝U＝Bdv。
3.电磁流量计
如图甲、乙所示是电磁流量计的示意图。
设管的直径为D，磁感应强度为B，a、b两点间的电势差是由于导电液体中电荷受到洛伦兹力作用，在管壁的上、下两侧堆积产生的。到一定程度后，a、b两点间的电势差达到稳定值U，上、下两侧堆积的电荷不再增多，此时，洛伦兹力和电场力平衡，有qvB＝qE＝qeq \f(U,D)，所以v＝eq \f(U,DB)，又圆管的横截面积S＝eq \f(1,4)πD2，故流量Q＝Sv＝eq \f(πUD,4B)。
01 带电粒子在有界磁场中运动
1.如图所示，在xOy平面的第一象限内存在方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B的匀强磁场。一带电粒子从y轴上的M点射入磁场，速度方向与y轴正方向的夹角θ＝45°。粒子经过磁场偏转后在N点(图中未画出)垂直穿过x轴。已知OM＝a，粒子的电荷量为q，质量为m，重力不计。则( )
A.粒子带负电荷
B.粒子速度大小为eq \f(qBa,m)
C.粒子在磁场中运动的轨道半径为a
D.N与O点相距(eq \r(2)＋1)a
02 带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
2．真空中有一匀强磁场，磁场边界为两个半径分别为a和3a的同轴圆柱面，磁场的方向与圆柱轴线平行，其横截面如图所示。一速率为v的电子从圆心沿半径方向进入磁场。已知电子质量为m，电荷量为e，忽略重力。为使该电子的运动被限制在图中实线圆围成的区域内，磁场的磁感应强度最小为( )
A.eq \f(3mv,2ae) B.eq \f(mv,ae)
C.eq \f(3mv,4ae) D.eq \f(3mv,5ae)
03 带电粒子在有界磁场中运动的多解问题
3.如图所示，在xOy平面内，y≥0的区域有垂直于xOy平面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，一质量为m、带电荷量的绝对值为q的粒子从原点O沿与x轴正方向成60°角方向以v0射入，粒子的重力不计，求带电粒子在磁场中运动的时间和带电粒子离开磁场时的位置。
04 质谱仪
4.如图所示为质谱仪的工作原理图，在容器A中存在若干种电荷量相同而质量不同的带电粒子，它们可从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场(初速度可忽略)，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。若这些粒子中有两种电荷量均为q、质量分别为m1和m2的粒子(m1(1)分别求出这两种粒子进入磁场时的速度v1、v2的大小；
(2)求这两种粒子打到照相底片上的位置间的距离。
05 回旋加速器
5.回旋加速器是利用磁场和电场使带电粒子做回旋运动，经过多次加速，粒子最终从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特(MeV)。如图所示为回旋加速器的原理示意图，利用回旋加速器对eq \\al(2,1)H粒子进行加速，此时D形盒中磁场的磁感应强度大小为B，D形盒缝隙间电场变化周期为T，加速电压为U。忽略相对论效应和粒子在D形盒缝隙间的运动时间，下列说法正确的是( )
A.保持B、U和T不变，该回旋加速器可以加速质子
B.仅增大加速电压U，eq \\al(2,1)H粒子在回旋加速器中运动的总时间不变
C.仅增大加速电压U，eq \\al(2,1)H粒子获得的最大动能增大
D.回旋加速器既能加速带正电的粒子，又能加速带负电的粒子
06 洛伦兹力的其他应用实例
6. 如图为磁流体发电机示意图。平行金属板a、b间有一匀强磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量等量正、负离子)垂直于磁场的方向喷入磁场，a、b两板间便产生电压。若磁场的磁感应强度大小为B，每个离子的电荷量为q、速度为v，等效直流电源两极板a、b间距为d，两板间等离子体的等效电阻为r，负载电阻为R，则( )
A.图中a板是电源的正极
B.稳定时电源的电动势为Bdv
C.稳定时负载两端的电压为eq \f(R,R＋r)Bdv
D.若增加负载的阻值，发电机的输出功率一定减小
一、单选题
1．（2024·陕西安康·三模）如图所示为空心圆柱形磁场的截面图，O点为圆心，半径为R内圆与半径为3R外圆之间存在垂直纸面向里的匀强磁场，A为外圆上一点。一粒子源s可持续发射出大小均为v、质量为m，电荷量为q的粒子，不计粒子重力，以下说法正确的是（ ）
A．若粒子源放置在O点向各个方向均匀发射粒子，且所有粒子均不从外圆射出，则磁感应强度最小值为 SKIPIF 1 < 0
B．若粒子源放置在O点向各个方向均匀发射粒子，且所有粒子均不从外圆射出，则磁感应强度最小值为 SKIPIF 1 < 0
C．若粒子源放置A点且沿 SKIPIF 1 < 0 连线发射粒子，为使粒子不进入内圆，则磁感应强度的最小值为 SKIPIF 1 < 0
D．若粒子源放置A点且沿 SKIPIF 1 < 0 连线发射粒子，为使粒子不进入内圆，则磁感应强度的最小值为 SKIPIF 1 < 0
2．（23-24高三上·贵州贵阳·期末）如图所示，半径为R=1m的圆形区域内有一垂直纸面向里的匀强磁场，Р为磁场边界上的一点，大量相同的带正电的粒子，在纸面内沿各个方向以相同的速率从Р点射入磁场，这些粒子射出磁场时的位置均位于PQ圆弧上且Q点为最远点。已知PQ圆弧长等于磁场边界周长的四分之一，不计粒子重力和粒子间的相互作用，则该圆形磁场中有粒子经过的区域面积为（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 m2B． SKIPIF 1 < 0 m2C． SKIPIF 1 < 0 m2D． SKIPIF 1 < 0 m2
二、多选题
3．（2024·海南·模拟预测）如图，真空中有区域Ⅰ和Ⅱ，区域Ⅰ中存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向下（与纸面平行），磁场方向垂直纸面向里，腰长为L的等腰直角三角形 SKIPIF 1 < 0 区域（区域Ⅱ）内存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外。图中A、C、O三点在同一直线上， SKIPIF 1 < 0 与 SKIPIF 1 < 0 垂直，且与电场和磁场方向均垂直。A点处的粒子源持续将比荷一定但速率不同的粒子射入区域Ⅰ中，只有沿直线 SKIPIF 1 < 0 运动的粒子才能进入区域Ⅱ。若区域Ⅰ中电场强度大小为E、磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，区域Ⅱ中磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，则粒子从 SKIPIF 1 < 0 边靠近F的三等分点D射出，它们在区域Ⅱ中运动的时间为 SKIPIF 1 < 0 。若改变电场或磁场强弱，能进入区域Ⅱ中的粒子在区域Ⅱ中运动的时间为t，不计粒子的重力及粒子之间的相互作用，下列说法正确的是（ ）
A．从D点飞出的粒子速度大小为 SKIPIF 1 < 0
B．粒子的比荷为 SKIPIF 1 < 0
C．若仅将区域Ⅰ中电场强度大小变为2E，则 SKIPIF 1 < 0
D．若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则粒子从 SKIPIF 1 < 0 边出射，出射点距离O点 SKIPIF 1 < 0
4．（2024·湖南岳阳·二模）如图所示，空间中存在水平向右的匀强磁场，磁感应强度为B。某处S点有电子射出，电子的初速度大小均为v，初速度方向呈圆锥形，且均与磁场方向成 SKIPIF 1 < 0 角（ SKIPIF 1 < 0 ），S点右侧有一与磁场垂直的足够大的荧光屏，电子打在荧光屏上的位置会出现亮斑。若从左向右缓慢移动荧光屏，可以看到大小变化的圆形亮斑（最小为点状亮斑），不考虑其它因素的影响，下列说法正确的是（ ）
A．若圆形亮斑的最大半径为R，则电子的比荷为 SKIPIF 1 < 0
B．若圆形亮斑的最大半径为R，则电子的比荷为 SKIPIF 1 < 0
C．若荧光屏上出现点状亮斑时，S到屏的距离为d，则电子的比荷可能为 SKIPIF 1 < 0
D．若荧光屏上出现点状亮斑时，S到屏的距离为d，则电子的比荷可能为 SKIPIF 1 < 0
5．（2024·河北石家庄·二模）利用磁场控制带电粒子的运动，在现代科学实验和技术设备中有广泛的应用。如图所示，以O点为圆心、半径为R的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，圆形区域外有垂直纸面向外的匀强磁场，两磁场的磁感应强度大小均为B。有一质量为m、电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的粒子从P点沿半径射入圆形区域，粒子n次穿越圆形区域边界（不包括经过P点）后又回到P点，此过程中粒子与圆心O的连线转过角度为 SKIPIF 1 < 0 ，不计粒子重力，下列说法正确的是（ ）
A．n的最小值为2
B． SKIPIF 1 < 0 时，粒子速度大小为 SKIPIF 1 < 0
C． SKIPIF 1 < 0 时，粒子从P出发到回到P点的时间为 SKIPIF 1 < 0
D．粒子连续两次穿越圆形区域边界过程中，粒子与圆心的连线转过的角度为 SKIPIF 1 < 0
6．（2024·陕西西安·一模）如图，真空中区域Ⅰ中存在匀强电场和匀强磁场，等腰直角三角形 SKIPIF 1 < 0 区域（区域Ⅱ）内存在匀强磁场。图中 SKIPIF 1 < 0 三点在同一直线上， SKIPIF 1 < 0 与 SKIPIF 1 < 0 垂直，且与电场和磁场方向均垂直。A点处的粒子源持续将比荷一定但速率不同的粒子射入区域Ⅰ中，只有沿直线 SKIPIF 1 < 0 运动的粒子才能进入区域Ⅱ。若区域Ⅰ中电场强度大小为 SKIPIF 1 < 0 、磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，区域Ⅱ中磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，则粒子从 SKIPIF 1 < 0 的中点射出，它们在区域Ⅱ中运动的时间为 SKIPIF 1 < 0 。若改变电场或磁场强弱，能进入区域Ⅱ中的粒子在区域Ⅱ中运动的时间为 SKIPIF 1 < 0 ，不计粒子的重力及粒子之间的相互作用，下列说法正确的是（ ）
A．若仅将区域Ⅰ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
B．若仅将区域Ⅰ中电场强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
C．若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
D．若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
7．（2024·河南郑州·模拟预测）如图所示，边长为a的正方形MNPQ区域内有一方向垂直正方形平面向外的匀强磁场，NP边上有一点S， SKIPIF 1 < 0 。两个质量相同、带等量异种电荷的粒子均从S点平行于MN方向射入磁场。带正电粒子甲与带负电粒子乙重力均不计，不考虑甲、乙两粒子间的作用。下列说法正确的是（ ）
A．若两粒子在磁场中运动的时间相等，则乙与甲的初速度大小之比一定为1：3
B．若两粒子的初速度相同，则乙与甲在磁场中运动的时间之比可能为1：2
C．若其中一个粒子垂直PQ边射出磁场，则乙与甲在磁场中运动时间之比一定不大于2：1
D．若两粒子分别从M、Q两点射出磁场，则乙与甲的初速度大小之比恰好为2：1
8．（2024·贵州·模拟预测）如图所示，在该区域存在一个方向垂直于纸面向里、磁感应强度大小为B的圆形磁场区域（图中未画出），一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子从M点以水平向左的初速度射入磁场中，M点在磁场中，一段时间后从N点穿过竖直线MN，在N点时运动方向与MN成 SKIPIF 1 < 0 角，MN长度为3L，不计粒子重力，下列说法正确的是（ ）
A．从M到N过程中粒子所受洛伦兹力的冲量大小为 SKIPIF 1 < 0
B．粒子从M到N所用的时间为 SKIPIF 1 < 0
C．粒子在磁场中做圆周运动的半径为L
D．圆形匀强磁场区域的最小面积为 SKIPIF 1 < 0
9．（2024·四川成都·二模）如图所示，矩形磁场区域abcd内存在垂直纸面向外的匀强磁场，O1为b边中点位置，O2为O1a段中点位置；现同时从O1、O2处水平向右发射速度相同的M、N两粒子，M粒子恰好可以从b点飞出磁场，M、N两粒子的运动轨迹相交于Р点（图中未标出），且在P点处时M、N速度方向垂直。已知ad边长为ab边长的两倍，不计粒子重力及粒子间的相互作用。下列说法正确的是（ ）
A．M、N两粒子的比荷为3：4B．M、N两粒子的比荷为1：2
C．M、N两粒子不会同时到达Р点D．P点与边界ad和边界bc的距离相等
10．（23-24高三下·重庆沙坪坝·阶段练习）离子速度分析器截面图如图所示。半径为R的空心转筒P，可绕过O点、垂直xOy平面（纸面）的中心轴逆时针匀速转动（角速度大小可调），其上有一小孔S。整个转筒内部存在方向垂直纸面向里的匀强磁场，转筒下方有一与其共轴的半圆柱面探测板Q，板Q与y轴交于A点。离子源M能沿着x轴射出质量为m、电荷量为-q（q>0）、速度大小不同的离子，速度大小为 SKIPIF 1 < 0 的离子经磁场偏转后能击中A点。落在接地的筒壁或探测板上的离子被吸收且失去所带电荷，不计离子的重力和离子间的相互作用。则（ ）
A．磁感应强度的大小 SKIPIF 1 < 0
B．转筒的转动的角速度一定为 SKIPIF 1 < 0
C．若某离子能击中C点，∠SOC=60°，该离子在磁场中的运动时间为 SKIPIF 1 < 0
D．若转筒P的角速度 SKIPIF 1 < 0 ，则探测板Q上能探测到离子的点有5个
11．（23-24高三上·福建福州·期末）如图所示，等腰梯形 SKIPIF 1 < 0 区域内，存在垂直该平面向外的匀强磁场， SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 ，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，磁场外有一粒子源 SKIPIF 1 < 0 ，能沿同一方向发射速度大小不等的同种带电粒子，带电粒子的质量为 SKIPIF 1 < 0 ，电荷量为 SKIPIF 1 < 0 ，不计重力。现让粒子以垂直于 SKIPIF 1 < 0 的方向正对 SKIPIF 1 < 0 射入磁场区域，发现带电粒子恰好都从 SKIPIF 1 < 0 之间飞出磁场，则（ ）
A．粒子源发射的粒子均为带负电的粒子 B．粒子在磁场中运动的最短时间为 SKIPIF 1 < 0
C．带电粒子的发射速度取值范围为 SKIPIF 1 < 0
D．带电粒子的发射速度取值范围为 SKIPIF 1 < 0
12．（23-24高二上·山东烟台·期末）如图所示，真空中有区域Ⅰ和Ⅱ，区域Ⅰ中存在电场强度大小为E、方向平行于纸面水平向左的匀强电场和磁感应强度大小为B1、方向垂直于纸面向里的匀强磁场；等腰直角三角形CDF区域（区域Ⅱ）内存在磁感应强度大小为B2、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。图中S、C、M三点在同一直线上，SM与DF垂直，且与电场和磁场方向均垂直。S点处的粒子源持续将同种带电粒子以不同的速率沿直线SC射入区域Ⅰ中，只有沿直线SC运动的粒子才能进入区域Ⅱ，并从CF的中点射出，它们在区域Ⅱ中运动的时间为t0。若改变电场或磁场强弱，能进入区域Ⅱ中的粒子在区域Ⅱ中运动的时间为t，不计粒子的重力及粒子之间的相互作用，下列说法中正确的是（ ）
A．若仅将区域Ⅰ中电场强度大小变为2E，则t=t0
B．若仅将区域Ⅰ中磁感应强度大小变为2B1，则tC．若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
D．若仅将区域Ⅱ中磁感应强度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0
13．（2024·山西临汾·一模）在科学研究中，经常用施加适当的磁场来实现对带电粒子运动的控制。在如图所示的平面坐标系xOy内，以坐标原点O为 圆心、半径为R的圆形区域外存在范围足够大的匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面。一质量为m、带电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的粒子从 SKIPIF 1 < 0 沿y轴正方向射入磁场，当入射速度为 SKIPIF 1 < 0 时，粒子从 SKIPIF 1 < 0 处进入无场圆形区域并射向原点O，不计粒子的重力，则（ ）
A．粒子第一次离开磁场时的运动时间为 SKIPIF 1 < 0 B．粒子再次回到P点共需要2次通过原点O
C．若仅将入射速度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则粒子离开P点后可以再回到P点
D．若仅将入射速度大小变为 SKIPIF 1 < 0 ，则粒子离开P点后不可能再回到P点
三、解答题
14．（2024·浙江温州·二模）如图所示，直角坐标系中，有一平行于y轴长度为0.5L的线状离子源MN，M端在x轴上，坐标 SKIPIF 1 < 0 ，离子源发射的正离子初速度大小均为 SKIPIF 1 < 0 ，方向平行于x轴正方向，且发射的正离子沿MN均匀分布，每个离子质量为m，电荷量为q；在 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 区间内加一垂直于纸面向里，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 的圆形边界匀强磁场，能使离子源发射的全部正离子经过原点O，不计离子重力及离子间的相互作用。
（1）求磁感应强度 SKIPIF 1 < 0 的取值范围；
（2）若磁感应强度 SKIPIF 1 < 0 取最小值，在第一象限加垂直纸面向里、磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 的匀强磁场，在第二象限加垂直纸面向外、磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 的匀强磁场，已知 SKIPIF 1 < 0 。离子发射前，在y轴上放置长度为0.8L的探测板PQ，只有打到探测板左侧表面的离子才能被探测到。
①求全部正离子经过原点O时与y轴正方向夹角 SKIPIF 1 < 0 的范围；
②若探测板下端Q纵坐标 SKIPIF 1 < 0 ，求离子探测率 SKIPIF 1 < 0 （即探测板探测到的离子数占总离子数的比例）；
③若探测板位置在y轴上可变，Q端纵坐标满足 SKIPIF 1 < 0 ，求离子探测率 SKIPIF 1 < 0 与 SKIPIF 1 < 0 的关系。
15．（2024·北京丰台·一模）如图所示，空间中有宽度为d的匀强磁场区域，一束电子以垂直于磁感应强度B并垂直于磁场边界的速度射入磁场，穿出磁场时的速度方向与原入射方向的夹角θ＝60°。已知电子的质量为m，电荷量为e，不计重力。求：
（1）通过作图，确定电子做圆周运动时圆心的位置；
（2）电子进入磁场的速度大小v；
（3）电子穿越磁场的时间t；
（4）电子穿越磁场过程中洛伦兹力冲量的大小I。
16．（2024·北京门头沟·一模）2023年12月1日晚间，绚丽的极光现身北京市门头沟区。极光是由太阳抛射出的高能带电粒子受到地磁场作用，在地球南北极附近与大气碰撞产生的发光现象。从北极地区看赤道平面的地磁场，可简化为下图：O为地球球心，R为地球半径，将地磁场在半径为R到3R之间的圆环区域看成是匀强磁场，磁感应强度为B。假设高能粒子的质量为m，电荷量为 SKIPIF 1 < 0 。不计粒子重力及大气对粒子运动的影响，且不考虑相对论效应。
（1）若高能粒子从A点以速度 SKIPIF 1 < 0 沿切线进入磁场边界位置时，粒子恰好绕着磁场边界做圆周运动，求粒子的速度 SKIPIF 1 < 0 的大小。
（2）地球磁层是保护地球的一道天然屏障，它阻挡着高能粒子直接到达地球表面，从而保护了地球上的生态环境。
a．假设高能粒子从磁场边缘A点以速率v沿半径方向射入磁场时恰不能到达地球表面，求粒子的比荷 SKIPIF 1 < 0 ；
b．高能粒子实际上可在赤道平面内向各个方向均匀地射入磁场。若高能粒子仍以速率v射入地球磁场，求到达地球粒子数与进入地磁场粒子总数比值 SKIPIF 1 < 0 。（结果用反三角函数表示，例： SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0 ，θ为弧度）
17．（23-24高三下·四川内江·开学考试）如图所示，两平行极板水平放置，间距为d，两板间电压为U，其中上极板接电源正极（忽略边缘效应，电场视为匀强电场），两极板之间的区域同时有一方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，距极板不远处有一边长为d的正方形ABCD，AB、CD边分别与上下极板平齐。某时刻从与极板间距等宽的粒子源射出的平行带电粒子恰好沿直线通过平行板区域。不考虑粒子间的相互作用，不考虑带电粒子的重力。求：
（1）粒子运动的速度大小为多少？
（2）如果粒子全部打在C点，需在正方形中加相应的磁场，判断磁场的方向及磁场的最小面积。（无需写出面积最小的证明过程）
18．（2024·广东韶关·二模）如图所示，矩形区域Ⅰ和Ⅱ内分别存在方向垂直于纸面向外和向里的匀强磁场， SKIPIF 1 < 0 为磁场边界线，四条边界线相互平行，区域Ⅰ的磁感应强度大小为B，区域Ⅱ的磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，矩形区域的长度足够长，磁场宽度及 SKIPIF 1 < 0 与 SKIPIF 1 < 0 之间的距离相同。某种带正电的粒子从 SKIPIF 1 < 0 上的 SKIPIF 1 < 0 处以大小不同的速度，沿与 SKIPIF 1 < 0 成 SKIPIF 1 < 0 角进入磁场（不计粒子所受重力），当粒子的速度小于某一值时，粒子在区域Ⅰ内的运动时间均为 SKIPIF 1 < 0 ；当速度为 SKIPIF 1 < 0 时，粒子垂直 SKIPIF 1 < 0 进入无场区域，最终从 SKIPIF 1 < 0 上的A点射出，求：
（1）粒子的比荷 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）磁场区域Ⅰ的宽度L；
（3）出射点A偏离入射点 SKIPIF 1 < 0 竖直方向的距离y。
19．（2024·重庆·模拟预测）如题图所示，xOy平面被一条平行于x轴的直线MN分为匀强磁场区域和无磁场区域，磁场区域的磁感应强度方向垂直于纸面向外。比荷为 SKIPIF 1 < 0 的带正电粒子A，从坐标为 SKIPIF 1 < 0 的P点，以大小为v0、方向与x轴正方向成60°角的速度发射，能被位于 SKIPIF 1 < 0 的粒子收集器Q收集，已知该过程中粒子做匀速圆周运动的半径为a，不计粒子重力。
（1）求磁感应强度的大小。
（2）求直线MN到x轴的距离。
（3）若粒子A从x轴某位置以大小为2v0、方向与x轴的正方向成 SKIPIF 1 < 0 角的速度发射后，依然能被收集器Q收集，求该粒子发射位置的横坐标与θ的关系。
20．（23-24高三上·山西运城·期末）如图所示，足够长水平挡板位于x轴，其下表面为荧光屏，接收到电子后会发光，荧光屏的同一位置接收两个电子，称为“两次发光区域”。在第四象限足够大区域有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。在第三象限有垂直纸面向里、半径为L的圆形匀强磁场，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 ，边界与y轴相切于A点 SKIPIF 1 < 0 。一群电子从与x轴平行的虚线处垂直虚线射入圆形磁场后均从A点进入右侧磁场，这群电子在虚线处的 SKIPIF 1 < 0 坐标范围为 SKIPIF 1 < 0 。电子电量为e、质量为m，不计电子重力及电子间的相互作用。
（1）求电子的初速度大小 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）求落在荧光屏最右侧的电子进入圆形磁场时的x坐标；
（3）若入射电子在虚线处均匀分布，且各位置只有1个，求落在荧光屏上“两次发光区域”和“一次发光区域”的电子数之比。
21．（23-24高三下·山西晋中·开学考）如图甲所示，正方形区域ABCD内部有一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小 SKIPIF 1 < 0 ，M、N分别为AD、BC边中点。现在从M点，平行AB方向，以某一初速度 SKIPIF 1 < 0 射入一个质量为m、电荷量为q的负电粒子，发现该粒子刚好从B点离开磁场区域，已知磁场区域的边长 SKIPIF 1 < 0 ，该粒子的比荷 SKIPIF 1 < 0 ，不计粒子重力。
（1）求该粒子射入磁场时的速度大小 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）若取垂直纸面向里为磁场的正方向，磁感应强度按图乙的方式变化， SKIPIF 1 < 0 时刻，粒子同样从M点平行AB射入，发现粒子恰好能从N点离开，已知 SKIPIF 1 < 0 ，求该粒子射入磁场的速度 SKIPIF 1 < 0 可能的取值以及粒子运动的时间。
22．（2024·江苏扬州·二模）如图所示，在坐标系 SKIPIF 1 < 0 中， SKIPIF 1 < 0 轴上方存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为 SKIPIF 1 < 0 。质量为 SKIPIF 1 < 0 、电荷量为 SKIPIF 1 < 0 的带电粒子在纸面内从 SKIPIF 1 < 0 点与 SKIPIF 1 < 0 轴成 SKIPIF 1 < 0 方向射入磁场，已知 SKIPIF 1 < 0 点的纵坐标 SKIPIF 1 < 0 ，不计粒子重力。
（1）若粒子不离开磁场，求粒子速度的最大值 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）若粒子离开磁场，求粒子在磁场中运动时间 SKIPIF 1 < 0 的范围；
（3）若磁场为非匀强磁场，方向垂直纸面向里，磁感应强度大小随 SKIPIF 1 < 0 方向均匀增大，关系为 SKIPIF 1 < 0 。粒子以大小为 SKIPIF 1 < 0 的速度从 SKIPIF 1 < 0 点沿图示方向射入磁场，求粒子从 SKIPIF 1 < 0 点运动到离 SKIPIF 1 < 0 轴最远位置的过程中运动轨迹与 SKIPIF 1 < 0 轴围成的面积 SKIPIF 1 < 0 。
23．（2024·湖南长沙·一模）某粒子分析装置的部分简化结构如图所示，主要由粒子源、圆柱形磁场区和6面是荧光屏的长方体仪器OABC-DEFG构成，粒子打在屏上会被吸收。以长方体仪器的顶点O为坐标原点，建立三维坐标系O-xyz。长方体仪器的长AB、宽AO、高AD分别为2a、2a、a，长方体所在空间存在方向沿x轴正向的匀强磁场Ⅰ（图中未画出）。圆柱形区域的长为2a，底面圆半径为R，圆柱形位于长方体仪器的正上方，两者通过长方体正上方狭缝PQ连通，P为DE的中点，Q为GF的中点，圆柱形区域所在空间存在方向沿x轴正向的匀强磁场Ⅱ（图中未画出），在xz平面有一与圆柱体等高等长的长方形粒子源，能沿着y轴正方向发射速率均为v的正电粒子，所有进入圆柱体空间的粒子都恰能通过狭缝PQ再进入长方体仪器，恰好没有粒子打到BCFE面。已知带电粒子的比荷为k，不计粒子重力及粒子间相互作用，试求：
（1）匀强磁场Ⅰ磁感应强度 SKIPIF 1 < 0 的大小；
（2）打在顶面DEFG粒子数目 SKIPIF 1 < 0 和打在底面OABC的粒子数目 SKIPIF 1 < 0 之比；
（3）若仅将匀强磁场Ⅰ的方向调整为沿y轴正方向，大小不变，且其他条件不变，对于从Q点入射的粒子，能打到长方体仪器BCFE面上的粒子最长运动时间以及能打在BCFE面上的粒子数目 SKIPIF 1 < 0 与Q点入射的粒子总数N之比。（已知 SKIPIF 1 < 0 ，则 SKIPIF 1 < 0 的大小可表示为 SKIPIF 1 < 0 ）
24．（2024·山东青岛·一模）如图所示xOy平面内，过O点与x轴夹角为θ的分界线以上的区域Ⅰ内存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E，分界线与x轴正半轴所围区域Ⅱ内存在垂直于xOy平面向外的磁场 SKIPIF 1 < 0 ，剩余区域Ⅲ内存在垂直纸面的磁场 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 大小未知。在O点放置一粒子源，粒子源向固定方向发射质量为m、带电量为＋q的粒子，速度方向与分界线夹角为α，速度大小范围为 SKIPIF 1 < 0 ，且所有粒子都能以垂直分界线的速度到达分界线，不计粒子重力， SKIPIF 1 < 0 。
（1）求α的正切值；
（2）若 SKIPIF 1 < 0 为非匀强磁场，要使所有粒子经过磁场 SKIPIF 1 < 0 后均能垂直到达x轴，求区域Ⅱ中磁感应强度 SKIPIF 1 < 0 与r满足的关系式，r为磁场 SKIPIF 1 < 0 中粒子可到达位置与O点的距离；
（3）若 SKIPIF 1 < 0 为匀强磁场，且初速度为 SKIPIF 1 < 0 的粒子在磁场 SKIPIF 1 < 0 中做圆周运动的轨迹与x轴相切，随后返回电场中运动，求返回电场后粒子再次到达分界线时的位置到O点距离；
（4）接（3）问，返回电场中的粒子再次经过分界线后进入磁场 SKIPIF 1 < 0 ，粒子在 SKIPIF 1 < 0 中做圆周运动的轨迹圆心刚好位于y轴上，求磁场 SKIPIF 1 < 0 的大小和方向。
25．（2024·云南·一模）如图所示，矩形区域abcd平面内有垂直于平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，ab边长为4L，bc边长为L。在矩形中心O处有一粒子源，在平面内向各方向均匀发射出速度大小相等的带电粒子，粒子带电量均为+q，质量均为m。若初速度平行于ab边的粒子离开磁场时速度方向偏转了60°角，不计粒子之间的相互作用及粒子重力，取 SKIPIF 1 < 0 。求
（1）粒子在磁场中运动的速度大小；
（2）粒子在磁场中运动的最短时间和最长时间的比值；
（3）某时刻发射出的粒子中，当初速度方向平行于ab边的粒子离开磁场时，这些粒子中未离开磁场的粒子数与已经离开磁场的粒子数之比。
26．（2024·河北·一模）如图所示，在xOy平面内，除以原点O为圆心半径为L的圆形区域外，存在方向垂直坐标平面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场。点 SKIPIF 1 < 0 处有一粒子发射源，发射源能沿y轴正方向发射速度不同、质量为m、带电荷量为一q的粒子，所有粒子均能进入圆形区域，不计粒子受到的重力及粒子间的相互作用。
（1）求粒子的发射速度需要满足的条件；
（2）求恰好能经过坐标原点O的粒子的发射速度 SKIPIF 1 < 0 ；
（3）当粒子的发射速度多大时，粒子从发射到进入圆形区域的时间最短？最短时间为多少？
27．（2024·江苏宿迁·一模）如图所示，在光滑绝缘的水平桌面（足够大）内建立xOy坐标系，在第Ⅰ、Ⅳ象限中存在磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场。质量为m、电荷量为+q的带电小球（可视为质点）从坐标原点O沿与+x方向成45°以某一速度射入第Ⅳ象限，与静止在P点的带电尘埃（质量远小于小球质量）相碰并粘在一起，此后恰好未穿出磁场。P点坐标为（L，L），不计电荷间的相互作用。求：
（1）小球射入磁场的速度；
（2）尘埃的电荷量可能值；
（3）从碰后开始计时，小球经过x轴的时刻。
28．（23-24高三上·浙江杭州·期末）托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，如图1，它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电的时候托卡马克的内部产生的磁场可以把高温条件下高速运动的离子约束在小范围内。图2为该磁约束装置的简化模型，两个圆心均在O点，半径分别为R和3R的圆环将空间分成区域Ⅰ和Ⅱ，区域Ⅰ内无磁场，区域Ⅱ内有方向垂直于纸面向里、大小为B的匀强磁场。如图3所示区域Ⅰ中有一群电量为 SKIPIF 1 < 0 、质量为m的带电粒子沿各个方向运动，不计一切阻力与粒子重力。求：
（1）这群带电粒子都可以被约束在此装置内的最大速度 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）带电粒子从点O沿着区域Ⅰ的半径方向射入环形磁场，能约束在此装置的最大速度 SKIPIF 1 < 0 ；
（3）带电粒子从点O沿着区域Ⅰ的半径方向射入环形磁场到第一次返回圆形区域Ⅰ，在区域Ⅱ运动的最长时间；
（4）带电粒子从点O沿着x轴正方向射入环形磁场，每运动一段时间后，又能再一次沿x轴正方向通过O点，则粒子初动能 SKIPIF 1 < 0 为多大时，粒子运动的周期最短，并求最短周期 SKIPIF 1 < 0 。
29．（23-24高三下·江苏苏州·开学考试）如图所示，在平面直角坐标系xOy的第一、四象限有足够长的条状磁场区域І、П，宽度均为x0，区域І有垂直纸面向里的匀强磁场，区域П有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小分别为B1 、B2．有一带正电粒子电量为q，质量为m，从坐标原点O沿x轴正方向以初速度v0射入磁场区域，不计粒子的重力．求：
（1）粒子初速度v0为多少时，恰好可以穿过磁场区域І？
（2）粒子初速度v0为多少时，恰好可以穿过磁场区域П？
（3）若区域І磁感应强度大小沿x轴满足B=kx，粒子初速度v0为多少时，恰好可以穿过磁场区域І？
30．（23-24高三上·四川泸州·期末）如图，在三维立体空间内有一个长 SKIPIF 1 < 0 、宽 SKIPIF 1 < 0 的长方体区域，长方体对角平面 SKIPIF 1 < 0 左侧有竖直向上的匀强磁场，大小 SKIPIF 1 < 0 ，右侧有竖直向下的匀强磁场，大小 SKIPIF 1 < 0 ；一比荷 SKIPIF 1 < 0 的带负电粒子从 SKIPIF 1 < 0 轴上的 SKIPIF 1 < 0 点以初速度 SKIPIF 1 < 0 ，沿 SKIPIF 1 < 0 轴正方向射入匀强磁场中，不计粒子重力， SKIPIF 1 < 0 ，求∶
（1）粒子在磁场 SKIPIF 1 < 0 中的运动半径大小；
（2）粒子离开磁场的点距 SKIPIF 1 < 0 边的距离的大小；
（3）粒子在磁场 SKIPIF 1 < 0 和磁场 SKIPIF 1 < 0 中运动的时间之比。
31．（2024·江苏连云港·一模）如图甲所示，立方体空间的边长为L，侧面 SKIPIF 1 < 0 为荧光屏，能完全吸收打在屏上的带电粒子并发光，三维坐标系坐标原点O位于底面 SKIPIF 1 < 0 的中心， SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 。已知原点O有一粒子源，能向 SKIPIF 1 < 0 平面内各个方向均匀持续发射速率为 SKIPIF 1 < 0 、质量为m、电荷量为q的带正电粒子，不计粒子重力及粒子间的相互作用。
（1）若在立方体空间内存在方向平行于z轴的匀强磁场，沿y轴正方向射出的粒子恰好打在荧光屏上的H点，求该匀强磁场磁感应强度的大小 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）若磁场与（1）问中的相同，求粒子从原点O运动到荧光屏的最长时间 SKIPIF 1 < 0 和最短时间 SKIPIF 1 < 0 ；
（3）若在立方体空间内平行y轴加如图乙所示随时间t按余弦规律变化的磁场，同时平行z轴加如图丙所示随时间t按正弦规律变化的磁场，图中峰值 SKIPIF 1 < 0 ，粒子在磁场中运动时间远小于磁场变化周期，不计电磁感应现象影响。求沿x轴正方向射出的粒子打在荧光屏上落点的痕迹长度s。