2013二轮复习带电粒子在电、磁场中的运动专题练习

东明一中带电粒子在电、磁场中的运动专题练习山东东明县第一中学李中利1.在xOy平面内,x＞0的区域存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B=0.4T;x＜0的区域存在沿x轴正方向的匀强电场.现有一质量为m=4.0×10－9kg,带电荷量为q=2.0×10－7C的正粒子从x轴正方向上的M点以速度v0=20m/s进入磁场,如图1所示,v0与x轴正方向的夹角θ=45°,M点与O点相距为l=2m.已知粒子能以沿着y轴负方向的速度垂直穿过x轴负半轴上的N点,不计粒子重力.求:(1)粒子穿过y轴正半轴的位置以及穿过y轴正半轴时速度与y轴的夹角;(2)x＜0区域电场的场强;(3)试问粒子能否经过坐标原点O?若不能,请说明原因;若能,请求出粒子从M点运动到N点所经历的时间.2..回旋加速器的示意图如图甲，置于真空中的金属D形盒,其半径为R,两盒间距为d,在左侧D形盒圆心处放有粒子源S,匀强磁场的磁感应强度为B,方向如图所示.此加速器所接的高频图1交流电源如图乙所示,电压有效值为U.粒子源射出的带电粒子质量为m、电荷量为q.设粒子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计,且此时高频电源电压恰好达到最大值,忽略粒子在加速电场中的运动时间,加速粒子的电压按交流电的最大值且可近似认为保持不变.粒子在电场中的加速次数等于在磁场中回旋半周的次数.求:(1)粒子在加速器中运动的总时间t.(2)试推证当Rd时,粒子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的总时间可忽略不计(粒子在电场中运动时,不考虑磁场的影响).(3)粒子第1次和第n次分别在右半盒中运动的轨道半径的比值R1∶Rn.3.如图3－4所示，在x0的空间中，存在沿x轴方向的匀强电场，电场强度E＝10N/C；在x0的空间中，存在垂直xy平面方向的匀强磁场，磁感应强度B＝0.5T．一带负电的粒子(比荷q/m＝160C/kg)，在x＝0.06m处的d点以v0＝8m/s的初速度沿y轴正方向开始运动；不计带电粒子的重力．求：(1)带电粒子开始运动后第一次通过y轴时距O点的距离．(2)带电粒子进入磁场后经多长时间返回电场．(3)带电粒子运动的周期．4.．(16分)如图所示，M、N为两块带等量导种电荷的平行金属板，S1、S2为板上正对的小孔，N板右侧有两个宽度均为d的匀强磁场区域，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直于纸面向外和向里，磁场区域右侧有一个荧光屏，取屏上与S1、S2共线的O点为原点，向上为正方向建立x轴.M板左侧电子抢发射出的热电子经小孔S1进入两板间，电子的质量为m，电荷量为e，初速度可以忽略。(1)当两板间电势差为U0时，求从小孔S2射出的电子的速度v0。(2)求两金属板间电势差U在什么范围内，电子不能穿过磁场区域而打到荧光屏上。(3)若电子能够穿过磁场区域而打到荧光屏上，试在答题卡的图上定性地画出电子运动的轨图3－4迹。(4)求电子打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系。5.（18分）如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里。一质量为、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度1v垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动。已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此类推。求。M荧光屏BBddOS1S2NK＋－⑴粒子第一次经过电场子的过程中电场力所做的功。⑵粒子第n次经过电场时电场强度的大小。⑶粒子第n次经过电场子所用的时间。⑷假设粒子在磁场中运动时，电场区域场强为零。请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中，电场强度随时间变化的关系图线（不要求写出推导过程，不要求标明坐标明坐标刻度值）。6．（18分）如图，在宽度分别为1l和2l的两个毗邻的条形区域分别有匀强磁场和匀强电场，磁场方向垂直于纸面向里，电场方向与电、磁场分界线平行向右。一带正电荷的粒子以速率v从磁场区域上边界的P点斜射入磁场，然后以垂直于电、磁场分界线的方向进入电场，最后从电场边界上的Q点射出。已知PQ垂直于电场方向，粒子轨迹与电、磁场分界线的交点到PQ的距离为d。不计重力,求电场强度与磁感应强度大小之比及粒子在磁场与电场中运动时间之比。7.（18分）如图甲所示，建立Oxy坐标系，两平行极板P、Q垂直于y轴且关于x轴对称，极板长度和板间距均为l，第一四象限有磁场，方向垂直于Oxy平面向里。位于极板左侧的粒子源沿x轴间右连接发射质量为m、电量为+q、速度相同、重力不计的带电粒子在0~3t时间内两板间加上如图乙所示的电压（不考虑极边缘的影响）。已知t=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在t0时，刻经极板边缘射入磁场。上述m、q、l、l0、B为已知量。（不考虑粒子间相互影响及返回板间的情况）（1）求电压U的大小。（2）求12时进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。（3）何时把两板间的带电粒子在磁场中的运动时间最短？求此最短时间。图乙8.（19分）如题25图，离子源A产生的初速为零、带电量均为e、质量不同的正离子被电压为U0的加速电场加速后匀速通过准直管，垂直射入匀强偏转电场，偏转后通过极板HM上的小孔S离开电场，经过一段匀速直线运动，垂直于边界MN进入磁感应强度为B的匀强磁场。已知HO=d，HS=2d，MNQ=90°。（忽略粒子所受重力）（1）求偏转电场场强E0的大小以及HM与MN的夹角；（2）求质量为m的离子在磁场中做圆周运动的半径；（3）若质量为4m的离子垂直打在NQ的中点1S处，质量为16m的离子打在2S处。求1S和2S之间的距离以及能打在NQ上的正离子的质量范围。9．如图所示，在x0且y0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面向里.磁感应强度大小为B，在x0且y0的区域内存在沿y轴正方向的匀强电场.一质量为m、电荷量为q的带电粒子从x轴上的M点沿y轴负方向垂直射入磁场，结果带电粒子从y轴的N点射出磁场而进入匀强电场，经电场偏转后打到x轴上的P点，已知OM=ON=OP=l。不计带电粒子所受重力，求：（1）带电粒子进入匀强磁场时速度的大小；（2）带电粒子从射入匀强磁场到射出匀强电场所用的时间；（3）匀强电场的场强大小.10.如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分DθBU1U2vL析器和磁分析器组成。已知：静电分析器通道的半径为R，均匀辐射电场的场强为E。磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感强度为B。问：（1）为了使位于A处电量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，加速电场的电压U应为多大？（2）离子由P点进入磁分析器后，最终打在乳胶片上的Q点，该点距入射点P多远？11．如图所示，一带电微粒质量为m=2.0×10-11kg、电荷量q=+1.0×10-5C，从静止开始经电压为U1=100V的电场加速后，水平进入两平行金属板间的偏转电场中，微粒射出电场时的偏转角θ=30º，并接着进入一个方向垂直纸面向里、宽度为D=34.6cm的匀强磁场区域。已知偏转电场中金属板长L=20cm，两板间距d=17.3cm，重力忽略不计。求：⑴带电微粒进入偏转电场时的速率v1；⑵偏转电场中两金属板间的电压U2；⑶为使带电微粒不会由磁场右边射出，该匀强磁场的磁感应强度B至少多大？12.两块足够大的平行金属极板水平放置，极板间加有空间分布均匀、大小随时间周期性变化的电场和磁场，变化规律分别如图1、图2所示（规定垂直纸面向里为磁感应强度的正方向）。在t=0时刻由负极板释放一个初速度为零的带负电的粒子（不计重力）。若电场强度E0、磁感应强度B0、粒子的比荷qm均已知，且002mtqB，两板间距202010mEhqB。（1）求粒子在0～t0时间内的位移大小与极板间距h的比值。（2）求粒子在板板间做圆周运动的最大半径（用h表示）。t2t0t03t04t05t0E0E0图12t0t03t04t05t0tB0B0图26t02t0t03t04t05t0tB0B0图36t0－B0＋－（3）若板间电场强度E随时间的变化仍如图1所示，磁场的变化改为如图3所示，试画出粒子在板间运动的轨迹图（不必写计算过程）。13.在如图所示的直角坐标中，x轴的上方存在与x轴正方向成45°角斜向右下方的匀强电场，场强的大小为E＝2×104V/m。x轴的下方有垂直于xOy面向外的匀强磁场，磁感应强度的大小为B＝2×10-2T。把一个比荷为mq=2×108C/㎏的正点电荷从坐标为（0，1）的A点处由静止释放。电荷所受的重力忽略不计。求：（1）电荷从释放到第一次进入磁场时所用的时间；（2）电荷在磁场中做圆周运动的半径（保留两位有效数字）；（3）当电荷第二次到达x轴上时，电场立即反向，而场强大小不变，试确定电荷到达y轴时的位置坐标。14.如图所示，在平面坐标系xoy内，第Ⅱ、Ⅲ象限内存在沿y轴正方向的匀强电场，第I、Ⅳ象限内存在半径为L的圆形匀强磁场，磁场圆心在M（L，0）点，磁场方向垂直于坐标平面向外．一带正电粒子从第Ⅲ象限中的Q（一2L，一L）点以速度0v沿x轴正方向射出，恰好从坐标原点O进入磁场，从P（2L，O）点射出磁场．不计粒子重力，求：（1）电场强度与磁感应强度大小之比（2）粒子在磁场与电场中运动时间之比15.（18分）如图所示，在xoy坐标平面的第一象限内有一沿y轴负方向的匀强电场，在第四象限内有一垂直于平面向里的匀强磁场．现有一质量为m、电量为+q的粒子（重力不计）从坐标原点O射入磁场，其入射方向与y轴的负方向成45°角．当粒子第一次进入电场后，运动到电场中坐标为（3L，L）的P点处时，测得其速度大小为v0，方向与x轴正方向相同．求：（1）粒子从o点射入磁场时的速度执v。（2）匀强电场的电场强度E和匀强磁场的磁感应强度B．（3）粒子从O点运动到P点所用的时间t。16.(17分)如图甲所示，光滑、绝缘直角三角型斜面MON固定在水平地面上，ON边长12,37sm；虚线左、右空间存在磁感应强度为12()mBTq、24()mBTq的匀强磁场，方向分别垂直于纸面向里、向外；整个空间存在着竖直方向的、随时问交替变化的匀强电场(如图乙所示，竖直向上方向为正方向)。在距O点6/()Lm处的P点有一物块抛射器，在0t时刻将一质量为m、带电荷量为(0)qq的小物块(可视为质点)抛入电磁场，小物块恰好能在O点切入ON斜面。设小物块在ON面上滑行时无电荷损失且所受洛伦兹力小于2cosmg，求：(1)小物块抛出速度的大小(2)小物块从抛出到运动至N点所用时间。17.（18分）如图甲所示，两平行金属板的板长不超过0.2m，板间的电压u随时间t变化的图线如图乙所示，在金属板右侧有一左边界的MN、右边无界的匀强磁场。磁感应强度B=0.01T；方向垂直纸面向里。现有带正电的粒子连续不断地以速度smv/1020，沿两板间的中线'OO平行金属板射入电场中，磁场边界MN与中线'OO垂直。已知带电粒子的比荷kgCmq/108，粒子所受的重力和粒子间的相互作用力均忽略不计。（1）在每个粒子通过电场区域的时间内，可以把板间的电场强度看作是恒定的。试说明这种处理能够成立的理由。（2）设t=0.1S时刻射入电场的带电粒子恰能从平行金属板边缘射出，求该带电粒子射出电场时的速度大小。（3）对于所有经过电场射入磁场的带电粒子，设其射入磁场的入射点和从磁场射出的出射点间的距离为d，试判断d的大小是否随时间而变化？若不变，证明你的结论；若变，求出d的变化范围。18.如图所示，在x轴上方有水平向左的匀强电场，电场强度为E1；下方有竖直向上的匀强电场，电场强度为E2，且12mgEEq。在x轴下方的虚线（虚线与茗轴成45°角）右侧有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。有一长为L的轻绳一端固定在第一象限内的O′点，且可绕O′点在竖直平面内转动；另一端拴有一质量为m的小球，小球带电量为+q。OO′与x轴成45°角，其长度也为L。先将小球