人教版 (新课标)选修36 带电粒子在匀强磁场中的运动课时练习

这是一份人教版 (新课标)选修36 带电粒子在匀强磁场中的运动课时练习，共12页。

A．0 B.eq \f(1,2)mveq \\al(2,0) C.eq \f(m3g2,2q2B2) D.eq \f(1,2)m(veq \\al(2,0)－eq \f(m2g2,q2B2))
2．（多选）在半导体离子注入工艺中，初速度可忽略的磷离子P＋和P3＋，经电压为U的电场加速后，垂直进入磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里、有一定宽度的匀强磁场区域，如图5所示．已知离子P＋在磁场中转过θ＝30°后从磁场右边界射出．在电场和磁场中运动时，离子P＋和P3＋( )
A．在电场中的加速度之比为1∶1
B．在磁场中运动的半径之比为eq \r(3)∶1
C．在磁场中转过的角度之比为1∶2
D．离开电场区域时的动能之比为1∶3
3、图所示，两导体板水平放置，两板间的电势差为U，带电粒子以某一初速度v0沿平行于两板的方向从两板正中间射入，穿过两板后又垂直于磁场方向射入边界线竖直的匀强磁场，则粒子射入磁场和射出磁场的M、N两点间的距离d随着U和v0的变化而变化情况为( )
A．d随v0的增大而增大，d与U无关
B．d随v0的增大而增大，d随U的增大而增大
C．d随U的增大而增大，d与v0无关
D．d随v0的增大而增大，d随U的增大而减小
4.如图所示，在x轴下方的第Ⅲ、Ⅳ象限中，存在垂直于xOy平面方向的匀强磁场，磁感应强度B1＝2B2＝2B，带电粒子a、b分别从x轴上的P、Q两点(图中没有标出)以垂直于x轴方向的速度同时进入匀强磁场B1、B2中，两粒子恰在第一次通过y轴时发生正碰，碰撞前带电粒子a的速度方向与y轴正方向成60°角，若两带电粒子的比荷分别为k1、k2，进入磁场时的速度大小分别为v1、v2，不计粒子重力和两粒子间相互作用，则下列关系正确的是( )
A．k1＝2k2 B．2k1＝k2 C．v1＝2v2 D．2v1＝v2
5. (多选)如图所示，虚线MN将平面分成Ⅰ和Ⅱ两个区域，两个区域都存在与纸面垂直的匀强磁场。一带电粒子仅在磁场力作用下由Ⅰ区运动到Ⅱ区，弧线aPb为运动过程中的一段轨迹，其中弧aP与弧Pb的弧长之比为2∶1，下列判断一定正确的是( )
A．两个磁场的磁感应强度方向相反，大小之比为2∶1
B．粒子在两个磁场中的运动速度大小之比为1∶1
C．粒子通过aP、Pb两段弧的时间之比为2∶1
D．弧aP与弧Pb对应的圆心角之比为2∶1
6.如图所示，abcd是一个正方形的盒子，在cd边的中点有一小孔e，盒子中存在着沿ad方向的匀强电场，场强大小为E。一粒子源不断地从a处的小孔沿ab方向向盒内发射相同的带电粒子，粒子的初速度为v0，经电场作用后恰好从e处的小孔射出。现撤去电场，在盒子中加一方向垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度大小为B（图中未画出），粒子仍恰好从e孔射出。（带电粒子的重力和粒子之间的相互作用力均可忽略）
（1）所加磁场的方向如何？
(2）电场强度E与磁感应强度B的比值为多大？
8．如图所示的平面直角坐标系xOy，在第Ⅰ象限内有平行于y轴的匀强电场，方向沿y轴正方向；在第Ⅳ象限的正三角形abc区域内有匀强磁场，方向垂直于xOy平面向里，正三角形边长为L，且ab边与y轴平行。一质量为m、电荷量为q的粒子，从y轴上的P(0，h)点，以大小为v0的速度沿x轴正方向射入电场，通过电场后从x轴上的a(2h,0)点进入第Ⅳ象限，又经过磁场从y轴上的某点进入第Ⅲ象限，且速度与y轴负方向成45°角，不计粒子所受的重力。求：
(1)电场强度E的大小；
(2)粒子到达a点时速度的大小和方向；
(3)abc区域内磁场的磁感应强度B的最小值。
9.如图所示，在直角坐标系的第Ⅰ象限和第Ⅲ象限存在着电场强度均为E的匀强电场，其中第Ⅰ象限电场沿x轴正方向，第Ⅲ象限电场沿y轴负方向．在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限存在着磁感应强度均为B的匀强磁场，磁场方向均垂直纸面向里．有一个电子从y轴的P点以垂直于y轴的初速度v0进入第Ⅲ象限，第一次到达x轴上时速度方向与x轴负方向夹角为45°，第一次进入第Ⅰ象限时，与y轴夹角也是45°，经过一段时间电子又回到了P点，进行周期性运动．已知电子的电荷量为e，质量为m，不考虑重力和空气阻力．求：
(1)P点距原点O的距离；
(2)电子从P点出发到第一次回到P点所用的时间．
10.如图所示，真空中有一以O点为圆心的圆形匀强磁场区域，半径为R＝0.5 m，磁场方向垂直纸面向里。在y>R的区域存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E＝1.0×105 V/m。在M点有一正粒子以速率v＝1.0×106 m/s沿x轴正方向射入磁场，粒子穿出磁场进入电场，速度减小至0后又返回磁场，最终又从磁场离开。已知粒子的比荷为eq \f(q,m)＝1.0×107 C/kg，粒子重力不计。求：
(1)圆形磁场区域磁感应强度的大小；
(2)沿x轴正方向射入磁场的粒子，从进入磁场到再次穿出磁场所走过的路程。
11.如图甲所示，比荷eq \f(q,m)＝k的带正电的粒子(可视为质点)，以速度v0从A点沿AB方向射入长方形磁场区域，长方形的长AB＝eq \r(3)L，宽AD＝L。取粒子刚进入长方形区域的时刻为0时刻，垂直于长方形平面的磁感应强度按图乙所示规律变化(以垂直纸面向外的磁场方向为正方向)，粒子仅在洛伦兹力的作用下运动。
(1)若带电粒子在通过A点后的运动过程中不再越过AD边，要使其恰能沿DC方向通过C点，求磁感应强度B0及其磁场的变化周期T0为多少？
(2)要使带电粒子通过A点后的运动过程中不再越过AD边，求交变磁场磁感应强度B0和变化周期T0的乘积B0T0应满足什么关系？
3.6习题课带电粒子在匀强磁场中的运动应用-能力课时针对练习答案
1.（多选）如图所示为一个质量为m、电荷量为＋q的圆环，可在水平放置的粗糙细杆上自由滑动，细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中，圆环以初速度v0向右运动直至处于平衡状态，则圆环克服摩擦力做的功可能为( )
A．0 B.eq \f(1,2)mveq \\al(2,0) C.eq \f(m3g2,2q2B2) D.eq \f(1,2)m(veq \\al(2,0)－eq \f(m2g2,q2B2))
答案 ABD
解析 若圆环所受洛伦兹力等于重力，圆环与粗糙细杆压力为零，摩擦力为零，圆环克服摩擦力做的功为零，选项A正确；若圆环所受洛伦兹力不等于重力，圆环与粗糙细杆压力不为零，摩擦力不为零，圆环以初速度v0向右做减速运动．若开始圆环所受洛伦兹力小于重力，则一直减速到零，圆环克服摩擦力做的功为eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)，选项B正确；若开始圆环所受洛伦兹力大于重力，则减速到洛伦兹力等于重力达到稳定，稳定速度v＝eq \f(mg,qB)，由动能定理可得圆环克服摩擦力做的功为W＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)－eq \f(1,2)mv2＝eq \f(1,2)m(veq \\al(2,0)－eq \f(m2g2,q2B2))，选项C错误，D正确．
2．（多选）在半导体离子注入工艺中，初速度可忽略的磷离子P＋和P3＋，经电压为U的电场加速后，垂直进入磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里、有一定宽度的匀强磁场区域，如图5所示．已知离子P＋在磁场中转过θ＝30°后从磁场右边界射出．在电场和磁场中运动时，离子P＋和P3＋( )
A．在电场中的加速度之比为1∶1
B．在磁场中运动的半径之比为eq \r(3)∶1
C．在磁场中转过的角度之比为1∶2
D．离开电场区域时的动能之比为1∶3
答案 BCD解析 磷离子P＋和P3＋的质量相等，都设为m，P＋的电荷量设为q，则P3＋的电荷量为3q，在电场中由a＝eq \f(Eq,m)知，加速度之比为所带的电荷量之比，即为1∶3，A错误；由qU＝eq \f(1,2)mv2得Ek∝q，即离开电场区域时的动能之比为1∶3，D正确；又由qvB＝eq \f(mv2,r)，得r＝eq \f(1,B)eq \r(\f(2mU,q))∝eq \f(1,\r(q))，所以rP＋∶rP3＋＝eq \r(3)∶1，B正确；由几何关系可得P3＋在磁场中转过60°角后从磁场右边界射出，C正确．
3、图所示，两导体板水平放置，两板间的电势差为U，带电粒子以某一初速度v0沿平行于两板的方向从两板正中间射入，穿过两板后又垂直于磁场方向射入边界线竖直的匀强磁场，则粒子射入磁场和射出磁场的M、N两点间的距离d随着U和v0的变化而变化情况为( )
A．d随v0的增大而增大，d与U无关
B．d随v0的增大而增大，d随U的增大而增大
C．d随U的增大而增大，d与v0无关
D．d随v0的增大而增大，d随U的增大而减小
【解析】 带电粒子射出电场时速度的偏转角为θ，运动轨迹如图所示，有：cs θ＝eq \f(v0,v)，又R＝eq \f(mv,Bq)，而d＝2Rcs θ＝2eq \f(mv,Bq)cs θ＝eq \f(2mv0,Bq)，选项A正确．
【答案】 A
4.如图所示，在x轴下方的第Ⅲ、Ⅳ象限中，存在垂直于xOy平面方向的匀强磁场，磁感应强度B1＝2B2＝2B，带电粒子a、b分别从x轴上的P、Q两点(图中没有标出)以垂直于x轴方向的速度同时进入匀强磁场B1、B2中，两粒子恰在第一次通过y轴时发生正碰，碰撞前带电粒子a的速度方向与y轴正方向成60°角，若两带电粒子的比荷分别为k1、k2，进入磁场时的速度大小分别为v1、v2，不计粒子重力和两粒子间相互作用，则下列关系正确的是( )
A．k1＝2k2 B．2k1＝k2 C．v1＝2v2 D．2v1＝v2
解析
两粒子在y轴上发生正碰时粒子a的速度与y轴正方向成60°角，则粒子b速度与y轴负方向成60°角，轨迹对应的圆心角分别为120°和60°，如图所示。两粒子同时进入磁场并相撞，则运动时间相等，即t1＝t2，而t1＝eq \f(T1,3)＝eq \f(2πm1,3q1B1)，t2＝eq \f(T2,6)＝eq \f(πm2,3q2B2)，将B1＝2B2＝2B代入得k1＝k2，A、B均错；由于两粒子正碰则轨道半径相等，而R1＝eq \f(m1v1,q1B1)，R2＝eq \f(m2v2,q2B2)，解得v1＝2v2，C正确。答案 C
5. (多选)如图所示，虚线MN将平面分成Ⅰ和Ⅱ两个区域，两个区域都存在与纸面垂直的匀强磁场。一带电粒子仅在磁场力作用下由Ⅰ区运动到Ⅱ区，弧线aPb为运动过程中的一段轨迹，其中弧aP与弧Pb的弧长之比为2∶1，下列判断一定正确的是( )
A．两个磁场的磁感应强度方向相反，大小之比为2∶1
B．粒子在两个磁场中的运动速度大小之比为1∶1
C．粒子通过aP、Pb两段弧的时间之比为2∶1
D．弧aP与弧Pb对应的圆心角之比为2∶1
解析 粒子在磁场中所受的洛伦兹力指向运动轨迹的凹侧，结合左手定则可知，两个磁场的磁感应强度方向相反，根据题中信息无法求得粒子在两个磁场中运动轨迹所在圆周的半径之比，所以无法求出两个磁场的磁感应强度之比，选项A错误；运动轨迹粒子只受洛伦兹力的作用，而洛伦兹力不做功，所以粒子的动能不变，速度大小不变，选项B正确；已知粒子通过aP、Pb两段弧的速度大小不变，而路程之比为2∶1，可求出运动时间之比为2∶1，选项C正确；由图知两个磁场的磁感应强度大小不等，粒子在两个磁场中做圆周运动时的周期T＝eq \f(2πm,Bq)也不等，粒子通过弧aP与弧Pb的运动时间之比并不等于弧aP与弧Pb对应的圆心角之比，选项D错误。答案 BC
6.如图所示，abcd是一个正方形的盒子，在cd边的中点有一小孔e，盒子中存在着沿ad方向的匀强电场，场强大小为E。一粒子源不断地从a处的小孔沿ab方向向盒内发射相同的带电粒子，粒子的初速度为v0，经电场作用后恰好从e处的小孔射出。现撤去电场，在盒子中加一方向垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度大小为B（图中未画出），粒子仍恰好从e孔射出。（带电粒子的重力和粒子之间的相互作用力均可忽略）
（1）所加磁场的方向如何？
(2）电场强度E与磁感应强度B的比值为多大？
解：（1)根据粒子在电场中的偏转方向，可知粒子带正电，再根据左手定则判断，磁场方向垂直于纸面向外。 （4分）
(2)设带电粒子的电量为q，质量为m，盒子的边长为l，粒子在电场中沿ad方向的位移为l，沿ab方向的位移为，得
，
解得匀强电场的场强为 （5分）
带电粒子在磁场中作匀速圆周运动，轨道半径为R，根据牛顿第二定律得
解得
根据如图的几何关系
解得轨道半径为
解得磁场的磁感应强度 （9分）
因此解得 （2分）
8．如图所示的平面直角坐标系xOy，在第Ⅰ象限内有平行于y轴的匀强电场，方向沿y轴正方向；在第Ⅳ象限的正三角形abc区域内有匀强磁场，方向垂直于xOy平面向里，正三角形边长为L，且ab边与y轴平行。一质量为m、电荷量为q的粒子，从y轴上的P(0，h)点，以大小为v0的速度沿x轴正方向射入电场，通过电场后从x轴上的a(2h,0)点进入第Ⅳ象限，又经过磁场从y轴上的某点进入第Ⅲ象限，且速度与y轴负方向成45°角，不计粒子所受的重力。求：
(1)电场强度E的大小；
(2)粒子到达a点时速度的大小和方向；
(3)abc区域内磁场的磁感应强度B的最小值。
解析：(1)设粒子在电场中运动的时间为t，则有x＝v0t＝2h
y＝eq \f(1,2)at2＝h qE＝ma
联立以上各式可得E＝eq \f(mv\\al(2,0),2qh)
(2)粒子到达a点时沿y轴负方向的分速度为vy＝at＝v0
所以v＝ eq \r(v\\al(2,0)＋v\\al(2,y))＝eq \r(2)v0，方向指向第Ⅳ象限与x轴正方向成45°角
(3)粒子在磁场中运动时，有qvB＝meq \f(v2,r)
当粒子从b点射出时，磁场的磁感应强度为最小值，此时有r＝eq \f(\r(2),2)L，所以B＝eq \f(2mv0,qL)
答案：(1)eq \f(mv\\al(2,0),2qh) (2)eq \r(2)v0 方向指向第Ⅳ象限与x轴正方向成45°角 (3)eq \f(2mv0,qL)
9.如图所示，在直角坐标系的第Ⅰ象限和第Ⅲ象限存在着电场强度均为E的匀强电场，其中第Ⅰ象限电场沿x轴正方向，第Ⅲ象限电场沿y轴负方向．在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限存在着磁感应强度均为B的匀强磁场，磁场方向均垂直纸面向里．有一个电子从y轴的P点以垂直于y轴的初速度v0进入第Ⅲ象限，第一次到达x轴上时速度方向与x轴负方向夹角为45°，第一次进入第Ⅰ象限时，与y轴夹角也是45°，经过一段时间电子又回到了P点，进行周期性运动．已知电子的电荷量为e，质量为m，不考虑重力和空气阻力．求：
(1)P点距原点O的距离；
(2)电子从P点出发到第一次回到P点所用的时间．
【解析】
⑴解一：电子在第Ⅲ象限做类平抛运动,沿y轴方向的分速度为
设OP=h,则
可得
解二：经分析可知在第四象限中电子做匀速圆周运动，故可知OP的距离就是圆周运动的半径：
由
得
答案：
⑵在一个周期内,设在第Ⅲ象限运动时间为t3,在第Ⅱ象限运动时间为t2,在Ⅰ象限运动时间为t1,在第Ⅳ象限运动时间为t4
在第Ⅲ象限有
解得 在第Ⅱ象限电子做圆周运动,周期
在第Ⅱ象限运动的时间为
由几何关系可知,电子在第Ⅰ象限的运动与第Ⅲ象限的运动对称,沿x轴方向做匀减速运动,沿y轴方向做匀速运动,到达x轴时垂直进入第四象限的磁场中,速度变为υ0.
在第Ⅰ象限运动时间为
电子在第Ⅳ象限做四分之一圆周运动,运动周期与第Ⅲ周期相同,即
在第Ⅳ象限运动时间为
电子从P点出发到第一次回到P点所用时间为
10.如图所示，真空中有一以O点为圆心的圆形匀强磁场区域，半径为R＝0.5 m，磁场方向垂直纸面向里。在y>R的区域存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E＝1.0×105 V/m。在M点有一正粒子以速率v＝1.0×106 m/s沿x轴正方向射入磁场，粒子穿出磁场进入电场，速度减小至0后又返回磁场，最终又从磁场离开。已知粒子的比荷为eq \f(q,m)＝1.0×107 C/kg，粒子重力不计。求：
(1)圆形磁场区域磁感应强度的大小；
(2)沿x轴正方向射入磁场的粒子，从进入磁场到再次穿出磁场所走过的路程。
[解析] (1)沿x轴正方向射入磁场的粒子在进入电场后，速度减小到0，粒子一定是从如图所示的P点竖直向上射出磁场，逆着电场线运动，所以可得粒子在磁场中做圆周运动的半径r＝R＝0.5 m，
根据Bqv＝eq \f(mv2,r)，得B＝eq \f(mv,qR)，
代入数据得B＝0.2 T。
(2)粒子返回磁场后，经磁场偏转后从N点射出磁场[如(1)中图所示]，MN的长度等于直径，粒子在磁场中的路程为二分之一圆周长，即s1＝πR，
设粒子在电场中运动的路程为s2，
根据动能定理得Eq·eq \f(s2,2)＝eq \f(1,2)mv2，得s2＝eq \f(mv2,Eq)，
则总路程s＝πR＋eq \f(mv2,Eq)，
代入数据得s＝(0.5π＋1)m。
[答案] (1)0.2 T (2)(0.5π＋1)m
11.如图甲所示，比荷eq \f(q,m)＝k的带正电的粒子(可视为质点)，以速度v0从A点沿AB方向射入长方形磁场区域，长方形的长AB＝eq \r(3)L，宽AD＝L。取粒子刚进入长方形区域的时刻为0时刻，垂直于长方形平面的磁感应强度按图乙所示规律变化(以垂直纸面向外的磁场方向为正方向)，粒子仅在洛伦兹力的作用下运动。
(1)若带电粒子在通过A点后的运动过程中不再越过AD边，要使其恰能沿DC方向通过C点，求磁感应强度B0及其磁场的变化周期T0为多少？
(2)要使带电粒子通过A点后的运动过程中不再越过AD边，求交变磁场磁感应强度B0和变化周期T0的乘积B0T0应满足什么关系？
解析 (1)带电粒子在长方形区域内做匀速圆周运动，设粒子运动轨迹半径为R，周期为T，则可得R＝eq \f(mv0,qB0)＝eq \f(v0,kB0)，T＝eq \f(2πm,qB0)＝eq \f(2π,kB0)
每
经过一个磁场的变化周期，粒子的末速度方向和初速度方向相同，如图所示，要使粒子恰能沿DC方向通过C点，则经历的时间必须是磁场周期的整数倍，有：
AB方向：eq \r(3)L＝n×2Rsin θ
DC方向：L＝n×2R(1－cs θ)
解得cs θ＝1(舍去)，cs θ＝eq \f(1,2)
所以θ＝60°，R＝eq \f(L,n)
即B0＝eq \f(nv0,kL)，T0＝eq \f(T,3)＝eq \f(2πL,3nv0)(n＝1、2、3…)。
(2)
当交变磁场周期取最大值而粒子不再越过AD边时运动情形如图所示，由图可知粒子在第一个eq \f(1,2)T0时间内转过的圆心角θ＝eq \f(5π,6)
则T0≤eq \f(5,6)T，即T0≤eq \f(5,6)·eq \f(2πm,qB0)≤eq \f(5π,3kB0)
所以B0T0≤eq \f(5π,3k)。
答案 (1)eq \f(nv0,kL) eq \f(2πL,3nv0)(n＝1、2、3…) (2)B0T0≤eq \f(5π,3k)