高考物理一轮复习课时练习 第11章第3练　专题强化：带电粒子在有界匀强磁场中的运动（含详解）

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1.(多选)如图所示，虚线MN上方存在匀强磁场，磁感应强度大小为B。一群电子以不同速率从边界MN上的P点以相同的入射方向射入磁场。其中某一速率为v的电子从Q点射出边界．已知电子入射方向与边界MN的夹角为θ，则( )
A．该匀强磁场的方向垂直纸面向里
B．所有电子在磁场中的轨迹半径相等
C．速率越大的电子在磁场中运动时间越长
D．在此过程中每个电子的速度方向都改变2θ
2．(多选)如图所示，一单边有界磁场的边界上有一粒子源，以与水平方向成θ角的不同速率向磁场中射入两个相同的粒子1和2，粒子1经磁场偏转后从边界上A点出磁场，粒子2经磁场偏转后从边界上B点出磁场，OA＝AB，则( )
A．粒子1与粒子2的动能之比为1∶2
B．粒子1与粒子2的动能之比为1∶4
C．粒子1与粒子2在磁场中运动的弧长之比为1∶1
D．粒子1与粒子2在磁场中运动的弧长之比为1∶2
3.(多选)(2024·北京市模拟)如图所示，匀强磁场限定在一个圆形区域内，磁感应强度大小为B，一个质量为m、电荷量为q、初速度大小为v的带电粒子沿磁场区域的直径方向从P 点射入磁场，从Q 点沿半径方向射出磁场，粒子射出磁场时的速度方向与射入磁场时相比偏转了θ角，忽略粒子重力，下列说法正确的是( )
A．粒子带负电
B．粒子在磁场中运动的轨迹长度为eq \f(mvθ,qB)
C．粒子在磁场中运动的时间为eq \f(mθ,qB)
D．圆形磁场区域的半径为eq \f(mv,qB)tan θ
4.如图，边长为l的正方形abcd内存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面(abcd所在平面)向外。ab边中点有一电子发射源O，可向磁场内沿垂直于ab边的方向发射电子。已知电子的比荷为k。则从a、d两点射出的电子的速度大小分别为( )
A.eq \f(1,4)kBl，eq \f(\r(5),4)kBl B.eq \f(1,4)kBl，eq \f(5,4)kBl
C.eq \f(1,2)kBl，eq \f(\r(5),4)kBl D.eq \f(1,2)kBl，eq \f(5,4)kBl
5.如图所示，四分之一圆区域OMN内存在方向垂直纸面向外的匀强磁场，P点为半径OM的中点。现有两个带电粒子a、b，以相同的速度先后从P点沿平行ON方向射入磁场，并分别从N、M两点射出磁场。不计粒子所受重力及粒子间相互作用。则粒子a、b在磁场中运动周期之比为( )
A．5∶1 B．1∶5 C．2∶3 D．3∶2
6.(2023·四川内江市第六中学模拟)如图所示，两方向相反、磁感应强度大小均为B的匀强磁场被边长为L的等边三角形ABC边界分开，三角形内磁场方向垂直纸面向里，三角形顶点A处有一质子源，能沿∠BAC的角平分线发射速度不同的质子(质子重力不计)，所有质子均能通过C点，质子比荷eq \f(q,m)＝eq \f(1,k)，忽略质子重力和质子间的相互作用，则质子的速度不可能为( )
A.eq \f(BL,k) B.eq \f(BL,2k) C.eq \f(2BL,3k) D.eq \f(BL,8k)
7.(多选)如图，半径为R的圆形区域(纸面)内存在着匀强磁场，磁场方向垂直于纸面，半径OA与半径OC夹角α＝60°，CD为直径。电子、质子均从A点沿与OA夹角θ＝30°方向垂直射入匀强磁场中，电子经磁场偏转后从C点以速率v射出磁场，质子从D点垂直AO方向射出磁场。已知电子与质子的质量之比为k，粒子重力及粒子间的相互作用均不计，则( )
A．磁场方向垂直圆面向外
B．电子在磁场中运动的路程为eq \f(1,3)πR
C．质子在磁场中运动的速率为kv
D．电子、质子通过磁场所用的时间之比为1∶2
8.(多选)(2023·全国甲卷·20)光滑刚性绝缘圆筒内存在着平行于轴的匀强磁场，筒上P点开有一个小孔，过P的横截面是以O为圆心的圆，如图所示。一带电粒子从P点沿PO射入，然后与筒壁发生碰撞。假设粒子在每次碰撞前、后瞬间，速度沿圆上碰撞点的切线方向的分量大小不变，沿法线方向的分量大小不变、方向相反；电荷量不变。不计重力。下列说法正确的是( )
A．粒子的运动轨迹可能通过圆心O
B．最少经2次碰撞，粒子就可能从小孔射出
C．射入小孔时粒子的速度越大，在圆内运动时间越短
D．每次碰撞后瞬间，粒子速度方向一定平行于碰撞点与圆心O的连线
9.(多选)(2023·江西南昌市八一中学三模)如图所示，空间中有一个底角为60°的等腰梯形，上底与腰长相等，均为L，梯形处于磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外的匀强磁场中，现c点存在一个粒子源，可以源源不断射出速度方向沿cd、大小可变的电子，电子的比荷为k，忽略电子重力及电子间的相互作用力，为使电子能从ab边射出，速度大小可能为( )
A.eq \f(\r(3)kBL,2) B.eq \f(3\r(3)kBL,4)
C.eq \f(5\r(3)kBL,6) D.eq \f(4\r(3)kBL,3)
10.(多选)(2023·福建四地市第一次质检)如图所示，射线OM与ON夹角为30°，MON之外分布着垂直于纸面向里的范围足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，一质量为m、电荷量为－q的粒子(不计重力)，从O点垂直于OM以某一速度射出。则( )
A．粒子第一次穿过边界ON时，速度方向与边界ON的夹角为60°
B．粒子第一次穿过边界OM之后，在磁场中运动的时间为eq \f(5πm,3qB)
C．仅减小粒子射出的速率，粒子可能第二次经过边界ON
D．仅增大粒子射出的速率，粒子一定能两次经过边界OM
11．(2023·湖北荆门市龙泉中学三模)如图所示，边长为a＝0.4 m正方形区域ABCD内无磁场，正方形中线PQ将区域外左右两侧分成两个磁感应强度均为B＝0.2 T的匀强磁场区域，PQ右侧磁场方向垂直于纸面向外，PQ左侧磁场方向垂直于纸面向里。现将一质量为m＝1×
10－8 kg，电荷量为q＝2×10－6 C的正粒子从AB中点以某一速率垂直于AB射入磁场，不计粒子的重力，则关于粒子的运动，下列说法正确的是( )
A．若粒子能垂直于BC射入正方形区域内，则粒子的最大速度为12 m/s
B．若粒子能垂直于BC射入正方形区域内，则粒子的速度可能为10 m/s
C．若粒子能垂直于BC射入正方形区域内，则粒子的速度可能为eq \f(8,3) m/s
D．若粒子能垂直于BC射入正方形区域内，则粒子的速度可能为2 m/s
第3练 专题强化：带电粒子在有界匀强磁场中的运动
1．AD [由左手定则可判断，该匀强磁场的方向垂直纸面向里，A正确；由洛伦兹力提供向心力可得qvB＝meq \f(v2,r)，整理得r＝eq \f(mv,qB)，电子的轨迹半径与速度大小有关，速率不同，半径不同，B错误；由周期公式T＝eq \f(2πm,qB)可知，电子在磁场中的运动周期相同，由几何关系可知，在此过程中每个电子的速度方向都改变2θ，即轨迹圆心角为2θ，电子在磁场中的运动时间t＝eq \f(2θ,2π)T，故不同速率的电子在磁场中的运动时间都相同，C错误，D正确。]
2．BD [由题意可知，粒子1和2在磁场中圆周运动轨迹对应的弦长之比为1∶2，则粒子1和2运动半径之比为1∶2，根据qvB＝meq \f(v2,r)，得v＝eq \f(qBr,m)，即速度之比为1∶2，又Ek＝eq \f(1,2)mv2，可知粒子1与粒子2的动能之比为1∶4，故A错误，B正确；由题意可知，两粒子在磁场中圆周运动的圆心角相等，由数学知识可知，粒子1与粒子2在磁场中运动的弧长之比等于运动半径之比为1∶2，故C错误，D正确。]
3．BC [根据粒子的偏转方向，由左手定则可以判断出粒子带正电，A错误；由洛伦兹力提供向心力可得qvB＝meq \f(v2,r)，解得粒子在磁场中运动时，其轨迹的半径为r＝eq \f(mv,qB)，由几何关系可知其对应的圆心角为θ，则粒子在磁场中运动的轨迹长度为s＝θr＝eq \f(mvθ,qB)，B正确；粒子做圆周运动的周期为T＝eq \f(2πr,v)＝eq \f(2πm,qB)，则粒子在磁场中运动的时间为t＝eq \f(θ,2π)T＝eq \f(mθ,qB)，C正确；设圆形磁场区域的半径为R，由tan eq \f(θ,2)＝eq \f(R,r)，解得R＝rtan eq \f(θ,2)＝eq \f(mv,qB)tan eq \f(θ,2)，D错误。]
4．B [电子从a点射出时，其运动轨迹如图线①，轨迹半径为ra＝eq \f(l,4)，由洛伦兹力提供向心力，有evaB＝meq \f(va2,ra)，又eq \f(e,m)＝k，解得va＝eq \f(kBl,4)；电子从d点射出时，运动轨迹如图线②，由几何关系有rd2＝l2＋(rd－eq \f(l,2))2，解得：rd＝eq \f(5l,4)，由洛伦兹力提供向心力，有evdB＝meq \f(vd2,rd)，又eq \f(e,m)＝k，解得vd＝eq \f(5kBl,4)，选项B正确。]
5．A [设四分之一圆的半径为R，画出a、b两个粒子的运动轨迹如图所示，根据几何关系可知rb＝eq \f(R,4)，ra2＝R2＋(ra－eq \f(R,2))2，可得ra＝eq \f(5,4)R，又因为T＝eq \f(2πr,v)，可得Ta∶Tb＝ra∶rb＝5∶1，A正确，B、C、D错误。]
6．C [质子带正电，且经过C点，其可能的轨迹如图所示，所有圆弧所对圆心角均为60°，根据几何关系可知，质子运动半径为r＝eq \f(L,n)(n＝1,2,3…)，质子在磁场中做圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力可得qvB＝meq \f(v2,r)，联立解得v＝eq \f(qBr,m)＝eq \f(BL,nk)(n＝1,2,3…)，可知质子的速度不可能为eq \f(2BL,3k)，C满足题意要求，A、B、D不满足题意要求。]
7．BC [电子、质子在磁场中运动的轨迹如图所示。电子在磁场中偏转从C点射出，根据左手定则判断知磁感应强度方向垂直纸面向里，选项A错误；由几何关系知：△AOC、△AO1C均为正三角形且全等，则电子做匀速圆周运动的半径r1＝R＝eq \f(m1v,eB)，在磁场中运动的路程L1＝eq \f(1,6)×2πr1＝eq \f(1,3)πR，选项B正确；电子在磁场中运动的时间t1＝eq \f(1,6)·eq \f(2πm1,eB)＝eq \f(πm1,3eB)，由几何关系知：圆心O2在圆心为O的圆周上，四边形AODO2是边长为R的菱形，∠AO2D＝120°，质子在磁场中运动的轨迹半径r2＝R＝eq \f(m2v2,eB)，得v2＝eq \f(m1,m2)v＝kv，选项C正确；质子在磁场中运动的时间t2＝eq \f(1,3)·eq \f(2πm2,eB)＝eq \f(2πm2,3eB)，则eq \f(t1,t2)＝eq \f(m1,2m2)＝eq \f(k,2)，选项D错误。]
8．BD [假设粒子带负电，第一次从A点和筒壁发生碰撞如图甲所示，O1为圆周运动的圆心，由题可知粒子沿半径方向射入圆形磁场，出射时也沿半径方向，即粒子此时的速度方向为OA，说明粒子在和筒壁碰撞时速度会反向，由圆的对称性得粒子在其他点撞击同理，D正确； 假设粒子运动过程过O点，粒子从P点进入磁场中速度发生偏转，则过P点的速度的垂线和OP连线的中垂线是平行的，不能交于一点确定圆心；
撞击筒壁以后的A点的速度垂线和AO连线的中垂线依旧平行不能确定圆心，则粒子不可能过O点，A错误；由题意可知粒子射出磁场以后的每次偏移圆心连线组成的多边形应为以筒壁为内接圆的多边形，这个多边形最少应为三角形，如图乙所示，即撞击两次，B正确；
速度越大粒子做圆周运动的半径越大，碰撞次数可能增多，但粒子运动时间不一定减少， C错误。]
9．BC [由几何关系知梯形底边bc长为2L。能够从ab边射出的电子轨迹半径最小时为从b点射出，如图甲所示

由几何关系可知r1＝eq \f(L,cs 30°)＝eq \f(2\r(3),3)L；
半径最大时为从a点射出，如图乙所示
由几何关系可知r2＝eq \r(3)L，由牛顿第二定律有qvB＝meq \f(v2,r)，解得r＝eq \f(mv,qB)＝eq \f(v,kB)，则有eq \f(2\r(3),3)L≤eq \f(v,kB)≤
eq \r(3)L，为使粒子从ab边射出磁场区域，粒子的速度范围为eq \f(2\r(3)kBL,3)≤v≤eq \r(3)kBL，故选B、C。]
10．ABD [由粒子在有界磁场中运动的对称性可知，粒子第一次穿过边界ON时，速度方向与边界ON的夹角等于从O点出发时与边界ON的夹角，即为60°，故A正确；粒子第一次穿过边界OM之后的轨迹如图所示，从C点穿过OM边界进入下方磁场，由对称性和几何关系可知，再次从磁场中穿出时(图中D点)，粒子在下方磁场运动圆弧所对应的圆心角θ为300°，所以在磁场中运动的时间为t＝eq \f(θ,2π)T＝eq \f(θm,qB)＝eq \f(5πm,3qB)，故B正确；
由几何关系可得，粒子从ON穿过时，C点距离O点为其圆周运动半径R的3倍，所以粒子在下方磁场再次偏转，从D点穿过OM，D、C距离为R，粒子射出时速度方向平行于ON，所以不管是增大还是减小粒子射出的速率，粒子都不可能第二次经过边界ON，一定能两次经过边界OM，故C错误，D正确。]
11．C [根据题意可知，粒子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力有qvB＝meq \f(v2,r)，解得v＝eq \f(qBr,m)，
若粒子能垂直于BC射入正方形区域内，则粒子可能的运动轨迹如图所示
由几何关系可得
(2n＋1)r＝eq \f(a,2)(n＝0,1,2…)
解得v＝eq \f(qBa,4n＋2m)(n＝0,1,2…)
当n＝0时，速度最大为vmax＝8 m/s
当n＝1时v＝eq \f(8,3) m/s；当n＝2时v＝eq \f(8,5) m/s，故选C。]