重难点11 带电粒子在磁场中的运动- 2025年高考物理 热点 重点 难点 专练（西北四省专用）

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【情境解读】
【高分技巧】
一、洛伦兹力的大小计算、方向判断
1．洛伦兹力与静电力的比较
2．洛伦兹力作用下带电体的运动
带电体做变速直线运动时，随着速度大小的变化，洛伦兹力的大小也会发生变化，与接触面间的弹力随着变化(若接触面粗糙，摩擦力也跟着变化，从而加速度发生变化)，最后若弹力减小到0，带电体离开接触面．
二、洛伦兹力作用下的临界问题
1．动态放缩法
(1)适用条件：速度方向一定、大小不同
(2)特点：
①粒子源发射速度方向一定、大小不同的带电粒子进入匀强磁场时，这些带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径随速度大小的变化而变化。
②轨迹圆圆心共线
如图甲所示(图中只画出粒子带正电的情景)，速度v越大，轨迹半径也越大，可以发现这些带电粒子射入磁场后，它们运动轨迹的圆心在垂直初速度方向的直线CO上。
(3)界定方法
以入射点O为定点，圆心位于直线CO上，将半径放缩并作出轨迹，从而探索出临界条件。
2．定圆旋转法
(1)适用条件：速度大小一定、方向不同
(2)特点：
①粒子源发射速度大小一定、方向不同的带电粒子进入匀强磁场时，这些带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径相同，若粒子入射初速度为v0，由qv0B＝eq \f(mv02,R)得圆周运动半径R＝eq \f(mv0,qB)，半径R不变。
②轨迹圆圆心共圆
如图乙所示(图中只画出粒子带正电的情景)，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点O为圆心、半径R＝eq \f(mv0,qB)的圆(这个圆在下面的叙述中称为“轨迹圆心圆”)上。
(3)界定方法：
将半径为R＝eq \f(mv0,qB)的圆的圆心沿着“轨迹圆心圆”平移，从而探索出临界条件，这种方法称为“定圆旋转法”。
3．带电粒子的会聚
如图丙所示，大量的同种带正电的粒子，速度大小相同，平行入射到圆形磁场区域，如果轨迹圆半径与磁场圆半径相等(R＝r)，则所有的带电粒子将从磁场圆的最低点B点射出。
证明：四边形OAO′B为菱形，必是平行四边形，对边平行，OB必平行于AO′，可知从A点入射的带电粒子必然经过B点。
4．带电粒子的发散
如图丁所示，有界圆形磁场的磁感应强度为B，圆心为O，从P点有大量质量为m、电荷量为q的带正电粒子，以大小相等的速度v沿不同方向射入有界磁场，不计粒子的重力，如果粒子轨迹圆半径与有界圆形磁场半径相等，则所有粒子射出磁场的方向平行。
证明：所有粒子运动轨迹的圆心与有界圆形磁场圆心O、入射点、出射点的连线为菱形，也是平行四边形，O1A、O2B、O3C均平行于PO，即出射速度方向相同。
三、洛伦兹力作用下的多解问题
1．带电粒子在有界匀强磁场中运动的多解问题
带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，由于带电粒子电性不确定、磁场方向不确定、临界状态不确定、运动的往复性造成带电粒子在有界匀强磁场中运动的多解问题．
(1)找出多解的原因．
(2)画出粒子的可能轨迹，找出圆心、半径的可能情况．
2．带电粒子在磁场中运动的多解问题成因
（1）．磁场方向不确定；
（2）带电粒子电性不确定；
（3）速度不确定；
（4）运动的周期性。
（建议用时：40分钟）
【考向一：洛伦兹力的大小计算、方向判断】
1．（2024·陕西省商洛市·二模）（多选）如图所示，横截面为正方形abcd的有界匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一束电子以大小不同、方向垂直ad边界的速度从e点射入该磁场，不计电子受到的重力及其相互之间的作用力，对于从不同边界射出的电子，下列说法正确的是（ ）
A. 从d点离开的电子在磁场中运动的半径最大
B. 从ad边离开的电子在磁场中运动的时间都相等
C. 从bc边离开电子速度越大，偏转角度越大
D. 从cd边离开的电子速度越大，越靠近c点
2．（2024·青海省海南藏族自治州·二模）如图所示，空间存在范围足够大、垂直xOy平面向里的匀强磁场（图中未画出），一质量为m、带电荷量为-q的带电粒子从坐标原点O沿y轴正方向以速度v0射出，带电粒子恰好经过点，不计粒子受到的重力及空气阻力。则匀强磁场的磁感应强度大小为（ ）
A. B. C. D.
3．（2024·山西省名校联考·二模）（多选）如图所示的装置能分离各种比荷的带电粒子，三个初速度均为零的带电粒子1、2、3经电压为U的电场加速后，从顶点A沿AD方向进入一个边长为a的正六边形区域内，正六边形区域内存在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，已知粒子1刚好从顶点F射出，粒子2刚好从顶点E射出，粒子3刚好垂直ED从G点（未画出）射出，粒子重力不计，则下列说法正确的是（ ）
A. 粒子1、2、3的比荷之比为
B. G点到E点的距离为
C. 将磁感应强度减半，粒子1在磁场中的运动时间不变
D. 将磁感应强度减半，粒子2会从G点射出
4．（2024·山西省名校联考·一模）（多选）如图所示，空间有垂直于坐标系xOy平面向外的匀强磁场。时，带电粒子从点沿轴负方向射出；时刻，与静置于轴上点的靶粒子发生正碰，碰后a、b结合成粒子，时刻，第一次沿轴负方向通过轴上的点。已知，不考虑粒子间静电力的作用，忽略碰撞时间，则（ ）
A. 粒子带负电B. 和的电荷量之比为1：2
C. 和的速率之比为5：2D. 和的质量之比为1：4
5．（2024·山西省太原市·一模）（多选）如图所示，圆形区域内存在垂直纸面方向的匀强磁场，为圆心，和为圆的两条直径，。质量为、电荷量为的带电粒子1沿方向从A点射入。质量为、电荷量为的带电粒子2从点射入，两粒子入射速度相同且都从点飞离磁场，不考虑两带电粒子的重力及相互作用力。下列说法正确的是（ ）
A. 粒子1与粒子2的比荷之比为B. 粒子1与粒子2的出射方向夹角为
C. 粒子1与粒子2的运动半径之比为D. 粒子1与粒子2在磁场内运动的时间之比为
6．（2024·山西省太原市·三模）（多选）发现正电子的实验装置如下图所示，利用垂直放在匀强磁场中的云室来记录宇宙线粒子，在云室中加入一块厚的铅板，借以减慢粒子的速度。当宇宙线粒子通过云室内的磁场时，拍下粒子径迹的照片。若不考虑粒子的重力，下列选项正确的是（ ）
A. 图中的粒子是由铅板上方向下方运动的
B. 粒子穿过铅板后，其对应物质波的波长变小
C. 若照片为正电子径迹，磁场的方向垂直纸面向内
D. 在图中加入匀强电场，粒子穿出铅板前后均可沿直线运动
7．（2024·陕西省·二模）（多选）如图所示，水平虚线MN下侧存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B的大小可以改变，ST为接收屏，T点位于磁场的边界，。在S点有一粒子发射源，发射的粒子速度方向垂直MN，速度大小为，发射的粒子经过一段时间均能达到接收屏上，已知粒子的比荷为k，发射源到MN的距离为d，忽略粒子间的相互作用以及重力。则下列说法正确的是（ ）
A. 粒子带正电
B. B可能为
C. 当B最小时，粒子到接收屏的点到T点的间距为
D. 粒子从发射到被接收，粒子的运动时间均为
8．（2024·陕西省渭南市·一模）分别带正、负电荷的A、B两个粒子，以相等速率从匀强磁场的直线边界上的M、N点分别以60°和30°（与边界的夹角）入射方向射入磁场，又从M、N两点之间的P点射出，已知MP与PN长度之比为：2，如图所示。设边界上方的磁场范围足够大，不计两带电粒子相互作用，则A、B两粒子的比荷之比为（ ）
A. 2：1B. 3：2C. 2：3D. 1：2
9．（2024·陕西省教育联盟·一模）如图所示，在半径为R的圆形区域内有垂直于xOy平面向外的匀强磁场Ⅰ，磁感应强度大小为B，圆心的坐标为（，），在第三象限内和y轴之间，有沿y轴负方向的匀强电场，在第四象限内有垂直于坐标平面向外的匀强磁场Ⅱ，一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子从（，）点以一定的初速度沿x轴正向射入磁场Ⅰ，粒子在磁场Ⅰ中的速度方向偏转了60°角后进入磁场Ⅱ，经磁场Ⅱ偏转，沿与y轴正向成60°角的方向进入电场，此后，粒子在电场中的轨迹刚好与x轴相切，不计粒子重力，求：
（1）粒子从P点射入磁场时的初速度大小；
（2）磁场Ⅱ的磁感应强度大小；
（3）粒子出电场的位置到x轴的距离。
【考向二：洛伦兹力作用下的临界问题】
1．（2024·宁夏中卫市·一模）（多选）如图所示，磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直纸面向里，图中虚线为磁场的部分边界，其中段是半径为R的四分之一圆弧，、的延长线通过圆弧的圆心，长为R．一束质量为m、电荷量大小为q的粒子流，在纸面内以不同的速率从O点垂直射入磁场，已知所有粒子均从圆弧边界射出，其中M、N是圆弧边界上的两点。不计粒子的重力及它们之间的相互作用。则下列说法中正确的是（ ）
A. 粒子带负电
B. 从M点射出粒子的速率一定小于从N点射出粒子的速率
C. 从M点射出粒子在磁场中运动时间一定小于从N点射出粒子所用时间
D. 在磁场中运动时间最短的粒子用时为
2．（2024·青海省百所名校·二模）如图所示，在半径为R、圆心为O半圆形区域内存在垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场，带电荷量为、质量为m的粒子（不计所受重力）从O点沿纸面各个方向射入匀强磁场后，均从OC段射出磁场，下列说法正确的是（ ）

A. 粒子射入磁场时的最大速度为
B. 粒子射入磁场时的最大速度为
C. 粒子在磁场中运动的最长时间为
D. 粒子在磁场中运动的最长时间为
3．（2024·山西省晋城市·一模）大型强子对撞机是将质子加速后对撞的高能物理设备，如图甲所示，对撞机的主要结构由两个质子束发射器、两个半圆环轨道质子加速器和质子对撞区域组成。半圆环轨道中的电场线是与圆环共圆心的同心圆弧，且到圆心距离相同的位置电场强度大小相等，质子沿圆环轨道中心进入半圆环轨道后，在磁束缚装置作用下沿圆环中心加速运动，最终在对撞区域碰撞。已知质子质量m=1.6×10-27kg、电荷量e=1.6×10-19C，半圆环加速轨道中心处到圆心距离R=50m，该处电场强度的大小E=×105V/m。发射器发射出的质子初速度忽略不计。计算时取=10，不考虑质子质量的相对论效应。若某次实验时将右侧加速器和发射器往上平移d=0.2m，平移后对撞区域如图乙所示，质子进入对撞区域时的位置的水平距离D=0.4m，入射点分别为A点和B点，其他装置不变，为了使质子在对撞区域恰好相撞，可以在对撞区域内加一个垂直纸面向里的匀强磁场。不计质子受到的重力，取sin37°=0.6，cs37°=0.8，下列说法正确的是（ ）
A. 质子在所加磁场中运动的半径为0.5m
B. 所加匀强磁场的磁感应强度大小为8T
C. 两质子在对撞区域的磁场中各运动，s时相撞
D. 若所加匀强磁场为两个直径相同、垂直纸面向里的匀强磁场，则每个圆形磁场的最小面积为m2
4．（2024·山西省太原五中·一模）（多选）如图，直角三角形OAC区域内有垂直于纸面向外、磁感应强度大小未知的匀强磁场，∠A=30°、OC边长为L，在C点有放射源S，可以向磁场内各个方向发射速率为v0的同种带正电的粒子，粒子的比荷为K。S发射的粒子有可以穿过OA边界，OA含在边界以内，不计重力、及粒子之间的相互影响。则（ ）
A. 磁感应强度大小
B. 磁感应强度大小
C. OA上粒子出射区域长度为L
D. OA上粒子出射区域长度为
5．（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
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
C. 若粒子源放置A点且沿连线发射粒子，为使粒子不进入内圆，则磁感应强度的最小值为
D. 若粒子源放置A点且沿连线发射粒子，为使粒子不进入内圆，则磁感应强度的最小值为
6．（2024·陕西省汉中市·二模）（多选）如图所示，M、N是真空中宽为d的匀强磁场的左右边界（边界上有磁场），磁感应强度为B，方向垂直纸面向里。大量比荷为k的正离子从M边界上的P点以速率进入磁场，速度方向分布在的范围内，不计离子重力，也不计离子间的相互作用，磁场区域足够长。则（ ）
A. 从边界N飞出磁场离子，飞出点与P点距离小于或等于
B. 从边界N飞出磁场的离子中，在磁场中运动的最短时间为
C. 磁场中有离子经过的区域的面积为
D. 若将M、N边界间的距离变为3d，其它条件不变，则从P点沿不同方向射入磁场的离子有可能从M边界上同一点射出磁场
7．（2024·陕西省西安市长安区·二模）（多选）如图所示的直角三角形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场（图中未画出），磁感应强度的大小为B，边界Ⅰ、Ⅱ的长度分别为、L；大量均匀分布的带电粒子由边界Ⅰ的左侧沿平行边界Ⅱ的方向垂直射入磁场，粒子的速率均相等，已知从边界Ⅰ离开磁场的带电粒子占总数的，带电粒子的质量为m、所带电荷量为＋q，忽略带电粒子之间的相互作用以及粒子的重力。下列说法正确的是（ ）

A. 带电粒子射入磁场后沿顺时针方向做匀速圆周运动
B. 带电粒子在磁场中运动的最长时间为
C. 刚好从边界Ⅲ离开的带电粒子在磁场中运动的时间为
D. 带电粒子的初速度大小为
8．（2024·陕西省渭南市临渭区·二模）如图所示，在第二象限内有一抛物线的边界，其方程为，在抛物线的上方存在一竖直向下的匀强电场．在抛物线每个位置上连续发射质量为m，电荷量为的粒子，粒子均以大小为的初速度水平向右射入电场，所有粒子均能到达原点O，第四象限内有一边长为l，其中两条边分别与x轴，y轴重合的正方形边界，边界内存在垂直于纸面向外，磁感应强度大小为的匀强磁场，为与x轴平行的可上下移动的荧光屏，初始位置与磁场的下边界重合，不计粒子重力及粒子间的相互作用力，粒子打到荧光屏上即被吸收。
（1）求电场强度的大小E；
（2）求从处进入的粒子在磁场中运动的时间；
（3）若将荧光屏缓慢向上移动，求在向上移动的过程中屏上的最大发光长度。
9．（2024·陕西省·一模）如图甲所示为某科研团队设计的粒子偏转装置示意图，粒子源可以均匀连续的产生质量为m，电荷量为q的正粒子，其比荷，初速度可忽略不计。带电粒子经电压的加速电场加速后，贴近上板边缘，水平飞入两平行金属板中的偏转电场。两水平金属板间距为，板长为，板间加有图乙所示的周期性变化的电压，其最大电压也为U、最小电压为，周期远大于粒子在偏转电场中运动的时间（忽略粒子穿越偏转电场时电压的变化），下极板右端正下方紧挨金属板竖直放置长度为d的探测板。若带电粒子能由偏转电场飞出，则飞出后立即进入平行板右侧的垂直纸面向外的水平匀强磁场，最后经匀强磁场偏转后打在探测板上；若不能飞出偏转电场，则被金属板吸收并导走。不计带电粒子的重力和粒子间的相互作用力，求：
（1）从偏转电场出射粒子通过偏转电场的时间t；
（2）一个周期T内，从偏转电场出射的粒子数占粒子源全部发射粒子数的百分比；
（3）从偏转电场出射的粒子全部能够到达探测板时，磁感应强度B需要满足的条件。

【考向三：洛伦兹力作用下的多解问题】
1．（2024·宁夏银川一中·三模）（多选）如图所示，边长为L的等边三角形区域ACD内、外的匀强磁场的磁感应强度大小均为B、方向分别垂直纸面向里、向外。三角形顶点A处有一质子源，能沿的角平分线发射速度大小不等、方向相同的质子（质子重力不计、质子间的相互作用可忽略），所有质子均能通过D点，已知质子的比荷，则质子的速度可能为（ ）
A. B. C. D.
2．（2024·青海省协作联考·一模）（多选）如图甲所示，、为竖直放置且彼此平行的两块不带电平板，板间距离为，两板中央各有一个小孔、正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图乙所示，取垂直纸面向里的磁场方向为正方向。有一正离子（受到的重力不计）在时垂直于板从小孔射入磁场，且正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响。要使正离子从孔垂直于板射出磁场，正离子射入磁场时的速度大小的可能值为（ ）
A. B. C. D. 考点
三年考情分析
2025考向预测
洛伦兹力、洛伦兹力的方向
洛伦兹力公式
带电粒子在匀强磁场中的运动
仅在洛伦兹力作用下的运动（2023·全国乙卷，5）
（1）考点预测：洛伦兹力作用下的各种运动。
（2）考法预测：
洛伦兹力
静电力
产生条件
v≠0且v不与B平行
(说明：运动电荷在磁场中不一定受洛伦兹力作用)
电荷处在电场中
大小
F＝qvB(v⊥B)
F＝qE
力方向与场方向的关系
F⊥B(且F⊥v)
F∥E
做功情况
任何情况下都不做功
可能做功，也可能不做功