专题22 带电粒子在复合场的运动-2025年高考物理热点知识讲练与题型归纳（全国通用）

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题型一 带电粒子在叠加场中无约束条件下的运动
1.带电粒子(带电体)在叠加场中无约束情况下的运动
(1)静电力、重力并存
静电力与重力的合力一般为恒力，带电体做匀速直线运动或匀变速直线(或曲线)运动，比较简单。
(2)磁场力、重力并存
①若重力和洛伦兹力平衡，则带电体做匀速直线运动。
②若重力和洛伦兹力不平衡，则带电体将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，故机械能守恒，由此可求解问题。
(3)静电力、磁场力并存(不计重力的微观粒子)
①若静电力和洛伦兹力平衡，则带电粒子做匀速直线运动。
②若静电力和洛伦兹力不平衡，则带电粒子将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用动能定理求解问题。
(4)静电力、磁场力、重力并存
①若三力平衡，一定做匀速直线运动。
②若重力与静电力平衡，一定做匀速圆周运动。
③若合力不为零且与速度方向不垂直，将做复杂的曲线运动，因洛伦兹力不做功，可用能量守恒定律或动能定理求解问题。
2.是否考虑重力的判断
①对于微观粒子，如电子、质子、离子等，若无特殊说明，一般不考虑重力；对于宏观带电小物体，如带电小球、尘埃、油滴、液滴等，若无特殊说明，一般需要考虑重力。
②题目中已明确说明是否需要考虑重力时则按说明分析。
③不能直接判断是否需要考虑重力的，在进行受力分析和运动分析时，由分析结果确定是否考虑重力。
（2024•四川模拟）如图所示，光滑水平绝缘桌面上放置一光滑绝缘玻璃管（两端开口，不计空气阻力），管中有一质量为m，电荷量为q的带正电小球，小球直径略小于管径，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B，若玻璃管以速度v0沿y轴负方向匀速运动（不考虑小球离开玻璃管情形），若以x和y分别表示小球在x轴和y轴方向上的分位移，以vx表示小球沿x轴方向的分速度，v表示小球的瞬时速度，用t表示小球的运动时间，下列描述小球运动情况的图像正确的是（ ）
A．B．C．D．
（多选）（2024春•哈尔滨期末）如图所示，空间有一垂直纸面向外的磁感应强度为0.5T的匀强磁场，一质量为0.2kg，且足够长的绝缘木板静止在光滑水平面上，在木板的左端无初速放置一质量为0.1kg，电荷量O的滑块，滑块与绝缘木板之间动摩擦因数为0.5，滑块受到的最大静摩擦力可认为等于滑动摩擦力。现对木板施加方向水平向左，大小为0.6N的恒力，g取10m/s2，则（ ）
A．若q＝﹣0.2C，木板和滑块一起做加速度减小的加速运动，最后做v＝10m/s匀速运动
B．若q＝+0.2C，滑块先匀加速到v＝6m/s，再做加速度减小的加速运动，最后做v＝10m/s匀速运动
C．若q＝﹣0.2C，木板和滑块一直以1m/s2的加速度做匀加速运动
D．若q＝+0.2C，木板先以2m/s2做匀加速运动，再做加速度增大的加速运动，最后做a＝3m/s2匀加速运动
（2024•东西湖区校级模拟）如图所示，有一范围足够大的水平匀强磁场，磁感应强度为B，一个质量为m、电荷量为+q的带电小圆环套在一根固定的绝缘竖直长杆上，环与杆间的动摩擦因数为μ。现使圆环以初速度v0向上运动，经时间t0圆环回到出发点，不计空气阻力，取竖直向上为正方向。下列描述该过程中圆环的速度v随时间t、摩擦力Ff随时间t、动能Ek随位移x、机械能E随位移x变化规律的图象中，不可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
（2024•南岗区校级三模）如图所示，一根足够长的粗糙绝缘细直杆MN，固定在竖直平面内，与水平面的夹角为37°，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场充满直杆所在的空间，杆与磁场方向垂直。质量为m的带负电小环（可视为质点）套在直杆上，与直杆之间有一个极小的空隙，小环与直杆之间动摩擦因数μ＝0.5，将小环从直杆MN上的P点由静止释放，下降高度为h之前速度已达到最大值。已知小环和直杆之间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，小环的电荷量为﹣q（q＞0），重力加速度大小为g，不计空气阻力，取sin37°＝0.6，下列说法中正确的是（ ）
A．小环释放后，一直做加速度减小的加速运动
B．小环释放后，小环的速度先增大后减小
C．小环释放后，加速度的最大值为0.6g，速度的最大值为2mgBq
D．小环下降高度h的过程中，因摩擦产生的热量为mgh-m3g2B2q2
题型二 带电粒子在叠加场中有约束条件下的运动
（2024春•万州区校级期中）如图质量为m、电荷量为q的带正电粒子（忽略粒子重力），以速度v0沿OO'方向垂直射入相互正交的竖直向下的匀强电场E和水平向里匀强磁场B，经过该一区域中的P点的速率为vp，此时侧移量为s，若v0=2EB下列说法中正确的是（ ）
A．带电粒子在P点的速率vP=2qEsm+v02
B．带电粒子的加速度大小恒为qEm
C．若s=mEqB2，粒子从射入该区域到P点所用时间至少πmqB
D．粒子在运动过程中洛伦兹力始终大于电场力
（2023秋•大连期末）如图所示，实线表示在竖直平面内的电场线，电场线与水平方向成α角，水平方向的匀强磁场与电场正交。有一带电液滴沿虚线AB斜向上做直线运动，AB与水平方向成β角，且α＞β，下列说法中正确的是（ ）
A．液滴一定做匀速直线运动
B．液滴一定带负电
C．电场力可能做负功
D．液滴有可能做匀变速直线运动
（2024•泉州二模）如图所示，速度选择器MN两极板间的距离为d，板间匀强磁场的磁感应强度大小为B，O为速度选择器中轴线上的粒子源，可沿OO′方向发射速度大小不同、带电荷量均为q（q＞0）、质量均为m的带电粒子，经速度选择器后，粒子先后经过真空中两平行边界的匀强磁场区域到达足够大荧光屏；匀强磁场的磁感应强度分别为B1、B2，对应边界的宽度分别为d1、d2。调节滑片P可改变速度选择器M、N两极板间的电压，使粒子沿OO′方向垂直磁场B1边界进入B1，经磁场B1偏转后进入B2，最后荧光屏恰好未发光，粒子重力不计，则MN两极板间的电压大小是（ ）
A．qBd(B1d1+B2d2)mB．q(B1d1+B2d2)mBd
C．qBd(B2d2-B1d1)mD．qBd(B1d1-B2d2)m
（2024春•鼓楼区校级期末）如图所示，在竖直面内的直角坐标系xOy中，在第二象限内存在沿x轴正方向的匀强电场和磁感应强度大小为B、方向垂直坐标平面向里的匀强磁场；在第一象限内存在方向竖直向上的匀强电场和磁感应强度大小也为B、方向垂直坐标平面向外的匀强磁场。一带正电的小球P从x轴上的A点以某一速度沿AK方向做直线运动，AK与x轴正方向的夹角θ＝60°，从K点进入第一象限后小球P恰好做匀速圆周运动，经过x轴时竖直向下击中紧贴x轴上方静止的带电小球Q，碰后两球结合为一个结合体M，之后M从y轴上的F点离开第四象限，第四象限存在匀强磁场，方向如图所示。已知重力加速度大小为g，小球P、Q带电荷量均为q、质量均为m，不计空气阻力。
（1）求第二象限与第一象限内电场的电场强度大小之比E2E1；
（2）求小球Q静止的位置距O点的距离；
（3）若结合体M进入第四象限时的速度为v，M在第四象限运动时的最大速度为2v，则当其速度为2v时，结合体M距x轴的距离是多少？
题型三 电场和磁场叠加的应用实例分析
1．速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计和霍尔元件一般以单个带电粒子为研究对象，在洛伦兹力和电场力平衡时做匀速直线运动达到稳定状态，从而求出相应的物理量，区别见下表．
类型1 速度选择器
（2024•昌平区二模）如图所示，水平放置的两平行金属板间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。一带电粒子（重力不计）从M点沿水平方向射入到两板之间，恰好沿直线从N点射出。电场强度为E，磁感应强度为B。下列说法正确的是（ ）
A．粒子一定带正电
B．粒子射入的速度大小v=BE
C．若只改变粒子射入速度的大小，其运动轨迹为曲线
D．若粒子从N点沿水平方向射入，其运动轨迹为直线
（2024•南开区校级模拟）如图为实验室筛选带电粒子的装置示意图。加速器金属板M、N竖直放置，两板中心开有小孔，板间电压为U0加速器右侧为一速度选择器，金属板E、F中有正交的匀强电场和匀强磁场，磁场垂直纸面向里，磁感应强度大小为B1，电场方向未画出。速度选择器右端有一个圆心为O，半径为R的绝缘圆筒，圆筒某一横截面在粒子运动所在的竖直面内，在该横截面内圆筒上有三个等间距的小孔A、B、C，圆筒内存在着垂直纸面向里的匀强磁场。现有一带电量为+q，质量为m的粒子（重力忽略不计），由静止经过加速器加速后恰能沿直线通过速度选择器，最终从A孔正对圆筒横截面圆心O射入圆筒。求：
（1）离开加速器的速度大小；
（2）速度选择器中电场强度的大小；
（3）若粒子进入绝缘圆筒后，直接从B点射出，则圆筒内的磁感应强度B2为多大；
（4）为了使粒子从B点射出后能从C点返回筒内，可在圆筒外PQ直线右侧加一垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B3，若粒子在运动中与圆筒壁碰撞，将以原速率反弹，求B3可能的大小。
类型2 磁流体发电机
（2024•香坊区校级四模）新冠肺炎疫情持续期间，医院需要用到血液流量计检查患者身体情况。某种电磁血液流量计的原理可简化为如图所示模型。血液内含有少量正、负离子，从直径为d的血管右侧流入，左侧流出，空间有垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场，M、N两点之间的电压稳定时测量值为U，流量Q等于单位时间通过横截面的液体的体积。下列说法正确的是（ ）
A．离子所受洛伦兹力方向一定竖直向下
B．M点的电势一定高于N点的电势
C．血液流量Q=πUd4B
D．电压稳定时，正、负离子不再受洛伦兹力
（2023秋•通州区期末）某同学受磁流体发电机的启发，设计了一种新型发电装置。如图所示，将发电装置、开关、导线与电阻组成一个电路，这种新型发电装置可看作直流电源。从微观角度看，在相距为d且足够长的M、N两金属板间加有垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，将一束带正电的离子流以速度v水平向右喷入M、N两板间，带正电的离子在洛伦兹力的作用下向某一极板偏转，由于静电感应在另一极板上感应出等量的负电荷。宏观上两板间产生电势差，可为阻值为R的电阻供电。已知每个离子的质量均为m，电荷量为+q，单位时间内沿垂直极板方向上单位长度喷射的正离子个数为n。M、N两板间距d＞2mvqB。忽略离子的重力及离子间的相互作用力。
（1）求该发电装置的电动势E；
（2）只闭合开关S1将外电路短路，求此时回路中的电流Im；
（3）只闭合开关S2，待电路中电流稳定后，若单位时间内打在极板上的离了数为N，试推导写出N与R的关系式。
类型3 电磁流量计
（2024•天心区校级模拟）电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。主要有直流式和感应式两种。如图所示直流式电磁流量计，外加磁感应强度为B的水平匀强磁场垂直于管轴，在竖直径向a、b处装有两个电极，用来测量含有大量正，负离子的液体通过磁场时所产生的电势差大小U。液体的流量Q可表示为Q=1k⋅UABd，其中d为管道直径，k为修正系数，用来修正导出公式时未计及的因素（如流量计管道内的流速并不均匀等）的影响。那么A应该为（ ）
A．恒定常数
B．管道的横截面积
C．液体的流速
D．液体中单位时间内流过某一横截面的电荷量
（2023秋•海淀区期末）核电站正常工作时，使液态金属钠在核反应堆内外循环流动，可把核裂变释放的能量传输出去，用于发电。某校综合实践小组设计了一个项目：通过安培力驱动输送液态钠的装置。图1所示是输送液态钠的绝缘管道，液态钠的电阻率为ρ（不计温度、压力对电阻率的影响），正方形管道截面的边长为a，在输送管道上有驱动模块和测量模块。驱动模块：在管道上长为L的部分施加垂直于管道、磁感应强度为B1的匀强磁场，在管道的上下两侧分别安装电极，并通以大小为I的电流。测量模块：在管道的上下两端安装电极M、N，M、N两极连接由电压表（图中未画出）改装的流量计（单位时间通过管道横截面的液体体积叫做流量），施加垂直于管道、磁感应强度为B2的匀强磁场。当装置工作时，液态钠充满管道并沿管道匀速流动。
（1）关于测量模块
①比较M和N端电势的高低。
②推导流量Q和M、N两端电压U的关系式。
（2）关于驱动模块
①求由安培力产生的压强p。
②当流量计示数为Q时，求驱动模块需要输入的电功率P入。
（3）关于反馈控制模块
如图2所示，在驱动模块和测量模块之间还有反馈控制模块，当测得的流量异常时，反馈模块会通过调整驱动模块实现矫正。已知液态钠在流动过程中所受阻力与其流动方向相反，大小正比于流动的速率，比例系数为k。当流量计示数大于正常值时，请分析说明在驱动模块结构确定的情况下可采取哪些措施。
类型4 霍尔元件
（2024•东西湖区校级模拟）霍尔元件广泛应用于生产生活中，有的电动自行车上控制速度的转动把手就应用了霍尔元件，这种转动把手称为“霍尔转把”。“霍尔转把”内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图。开启电动自行车的电源时，在霍尔器件的上下面之间就有一个恒定电流I，如图。将“霍尔转把”旋转，永久磁铁也跟着转动，施加在霍尔器件上的磁场就发生变化，霍尔器件就能输出变化的电势差U。这个电势差是控制车速的，电势差与车速的关系如图。以下叙述正确的是（ ）
A．若霍尔元件的自由电荷是自由电子，则C端的电势高于D端的电势
B．若改变霍尔器件上下面之间的恒定电流I的方向，将影响车速控制
C．其他条件不变，仅增大恒定电流I，可使电动自行车更容易获得最大速度
D．按第一张图顺时针均匀转动把手，车速增加得越来越快
（2024春•徐汇区校级期中）我国“天和号”核心舱配备了四台全国产化的LHT﹣100霍尔推进器，虽然单台推力只有80毫牛，但在关键性能上已经反超国际空间站。霍尔推进器工作时，将气体推进剂电离成电子和离子，这些离子在电场的作用下被加速后以极高的速度喷出，在相反的方向上对航天器产生了推力。
（1）单位质量的推进剂所产生的冲量叫“比冲量”，也叫“比推力”，是衡量推进器效率的重要参数。在国际单位制中，其单位用基本单位可表示为 。
（2）霍尔推进器工作时需要用磁场将带电粒子约束在一定区域内，产生霍尔效应。“霍尔效应”可用图示模型进行理解：将长方形金属导体置于匀强磁场中，磁场B与电流I的方向如图所示且垂直，导体中的自由电子在洛伦兹力的作用下发生漂移，在导体的一侧聚集积累，从而在相对的两个表面之间出现电势差，即“霍尔电压”。图中的 两个表面间会产生霍尔电压，电势较高的是 表面（均选填“上、下、左、右、前、后”）。若匀强磁场的磁感应强度为B，电流强度为I，电子电量为e，电子沿电流方向的平均定向移动速率为v，导体长、宽、高分别为a、b、c，则最大“霍尔电压”为 。
（3）笔记本电脑在合上及打开时，屏幕会自己熄灭及亮屏，这是因为其内部含有磁铁和霍尔传感器。霍尔传感器类似于如图装置，当合上屏幕时，屏幕上的磁铁极会面向下并产生近似磁感应强度B＝0.5T的匀强磁场，A、B为两个竖直放置且相距d＝0.05mm的平行极板（足够长），并都连接在电脑内的电压传感器，一侧不断有电子（重力不计）以速度v＝0.1m/s平行且从两极板中央射入，当电压传感器监测到电压为 V时，电脑屏幕熄屏。
考点
考情
命题方向
考点1带电粒子在电磁复合场中的运动
2023高考江苏卷
2022·全国理综甲卷
2022年高考广东物理
1.带电粒子在电磁复合场中的运动的考查大多以科技为情景，可能为选择题，也可能为计算题。
2.带电粒子在电磁与重力的复合场中的运动包括：电场和重力复合场，磁场和重力复合场：电场、磁场和重力复合场。考查方式可能为选择题，也可能为计算题。
考点2带电小
球在电磁与重
力的复合场中
的运动
2023年全国新课程卷
2023年北京卷
2022高考广东卷
考点3质谱仪
和回旋加速器
2024年高考甘肃卷
2023年高考福建卷
2021年高考广东卷
装置
原理图
规律
速度选择器
若qv0B＝Eq，即v0＝eq \f(E,B)，粒子做匀速直线运动
磁流体发电机
等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极板电压为U时稳定，qeq \f(U,d)＝qv0B，U＝v0Bd
电磁流量计
qeq \f(U,D)＝qvB，所以v＝eq \f(U,DB)，所以Q＝vS＝eq \f(πDU,4B)
霍尔元件
当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差