1、第八章 第3节 带电粒子在复合场中的运动【例1】(16分)如图所示, 在水平地面上方有一范围足够大的互相正交的匀强电场和匀强磁场区域.磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里.一质量为m、带电荷量为q的带正电微粒在此区域内沿竖直平面(垂直于磁场方向的平面)做速度大小为v的匀速圆周运动,重力加速度为g.(1)求此区域内电场强度的大小和方向.(2)若某时刻微粒在场中运动到P点时,速度与水平方向的夹角为60,且已知P点与水平地面间的距离等于其做圆周运动的半径.求该微粒运动到最高点时与水平地面间的距离.(3)当带电微粒运动至最高点时,将电场强度的大小变为原来的 (方向不变,且不计电场变化对原磁场的影响)
2、,且带电微粒能落至地面,求带电微粒落至地面时的速度大小.【详解】(1)由于带电微粒可以在电场、磁场和重力场共存的区域内沿竖直平面做匀速圆周运动,表明带电微粒所受的电场力和重力大小相等、方向相反,因此电场强度的方向竖直向上. (1分)设电场强度为E,则有mg=qE (2分)即 (1分)(2)设带电微粒做匀速圆周运动的轨道半径为R,根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有 (1分)解得 (1分)依题意可画出带电微粒做匀速圆周运动的轨迹如图所示,由几何关系可知,该微粒运动至最高点时与水平地面间的距离 (4分)(3)将电场强度的大小变为原来的则电场力F电=带电微粒运动过程中,洛伦兹力不做功,所以在它从最高点运
3、动至地面的过程中,只有重力和电场力做功,设带电微粒落地时的速度大小为v1,根据动能定理有 (4分) 解得：【例2】(14分)如图所示,足够长的光滑绝缘斜面与水平面的夹角为(sin=0.6)，放在匀强电场和匀强磁场中，电场强度E=50 V/m，方向水平向左，磁场方向垂直纸面向外.一个电荷量为q=410-2C，质量m=0.40 kg的光滑小球，以初速度v0=20 m/s从斜面底端向上滑，然后又下滑，共经过3 s脱离斜面，求磁场的磁感应强度.(g取10 m/s2)【详解】小球沿斜面向上运动过程中受力分析如图所示，由牛顿第二定律，得qEcos+mgsin=ma1， (3分)故 (1分)代入数据得a1=
4、10 m/s2， (1分)上行时间 (1分)小球沿斜面下滑过程中受力分析如图所示，小球在离开斜面前做匀加速直线运动，a2=10 m/s2 (1分)运动时间t2=1 s (1分)脱离斜面时的速度v=a2t2=10 m/s (1分)在垂直斜面方向上小球脱离斜面受力条件有： qvB+qEsin=mgcos， (3分)故 (2分) 【巩固练习】1.（2011新课标全国卷T25）如图，在区域I（0xd）和区域II（dx2d）内分别存在匀强磁场，磁感应强度大小分别为B和2B，方向相反，且都垂直于Oxy平面。一质量为m、带电荷量q（q0）的粒子a于某时刻从y轴上的P点射入区域I，其速度方向沿x轴正向。已知a
5、在离开区域I时，速度方向与x轴正方向的夹角为30；此时，另一质量和电荷量均与a相同的粒子b也从p点沿x轴正向射入区域I，其速度大小是a的1/3。不计重力和两粒子之间的相互作用力。求（1）粒子a射入区域I时速度的大小；（2）当a离开区域II时，a、b两粒子的y坐标之差。【详解】（1）设粒子a在I内做匀速圆周运动的圆心为C（在y轴上），半径为Ra1，粒子速率为va,运动轨迹与两磁场区域边界的交点为P，如图，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有，qvaB=m 由几何关系有PCP= Ra1= 式中=30，由上面三式可得va= （2）设粒子a在II内做圆周运动的圆心为Oa，半径为Ra2，射出点为Pa（图中未画
6、出轨迹），POaPa=，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有，q va（2B）=m 由式得Ra2= C、P、Oa三点共线，且由式知Oa点必位于x=d 的平面上，由对称性知，Pa点与P的纵坐标相同，即yPa=Ra1cosh 式中，h是C点的纵坐标。设b在I中运动的轨道半径为Rb1，由洛仑兹力公式和牛顿第二定律有，q（）B= （）2 设a到达Pa点时，b位于Pb点，转过的角度为，如果b没有飞出I，则= = 式中，t是a在区域II中运动的时间，而Ta2= Tb1= 由式得=30 由式可见，b没有飞出I。Pb点的y坐标为yP2=Rb1（2+cos）+h 由式及题给条件得，a、b两粒子的y坐标差为yP2yPa
7、=（2）d2.（2011广东理综T35）如图19（a）所示，在以O为圆心，内外半径分别为和的圆环区域内，存在辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场，内外圆间的电势差U为常量，,一电荷量为+q，质量为m的粒子从内圆上的A点进入该区域，不计重力。（1）已知粒子从外圆上以速度射出，求粒子在A点的初速度的大小（2）若撤去电场，如图19（b）,已知粒子从OA延长线与外圆的交点C以速度射出，方向与OA延长线成45角，求磁感应强度的大小及粒子在磁场中运动的时间（3）在图19（b）中，若粒子从A点进入磁场，速度大小为，方向不确定，要使粒子一定能够从外圆射出，磁感应强度应小于多少？【答案】（1），（2），；（3）【详解
8、】（1）带电粒子在复合场中受到电场力和洛伦兹力的作用，因为洛伦兹力不做功，故只要有电场力做功，由动能定理得:.（2）做出粒子运动的轨迹如图所示，则，得粒子的运动半径为洛伦兹力提供向心力：，联立解得：在磁场中的运动时间为：（3）若粒子能够从AO延长线与外圆的交点射出，则有所有粒子均射出，此时粒子在A点的射入方向是垂直AC向下的，粒子轨迹的半径为，此时对应磁感应强度是最大的设为Bm，要使粒子能从外圆射出，由洛伦兹力提供向心力得：所以3、 （2010福建卷）21、（19分）如图所示，两条平行的光滑金属导轨固定在倾角为的绝缘斜面上，导轨上端连接一个定值电阻。导体棒a和b放在导轨上，与导轨垂直并良好接触
9、。斜面上水平虚线PQ以下区域内，存在着垂直穿过斜面向上的匀强磁场。现对a棒施以平行导轨斜向上的拉力，使它沿导轨匀速向上运动，此时放在导轨下端的b棒恰好静止。当a棒运动到磁场的上边界PQ处时，撤去拉力，a棒将继续沿导轨向上运动一小段距离后再向下滑动，此时b棒已滑离导轨。当a棒再次滑回到磁场边界PQ处时，又恰能沿导轨匀速向下运动。已知a棒、b棒和定值电阻的阻值均为R,b棒的质量为m，重力加速度为g，导轨电阻不计。求（1）a棒在磁场中沿导轨向上运动的过程中，a棒中的电流强度I，与定值电阻R中的电流强度IR之比；（2）a棒质量ma；（3）a棒在磁场中沿导轨向上运动时所受的拉力F。解析：（1）a棒沿导轨
10、向上运动时，a棒、b棒及电阻R中的电流分别为Ia、Ib、IR，有解得：（2）由于a棒在PQ上方滑动过程中机械能守恒，因而a棒在磁场中向上滑动的速度大小v1与在磁场中向下滑动的速度大小v2相等，即v1=v2=v设磁场的磁感应强度为B，导体棒长为L乙，a棒在磁场中运动时产生的感应电动势为E=Blv当a棒沿斜面向上运动时向下匀速运动时，a棒中的电流为Ia、则 由以上各式联立解得：（3）由题可知导体棒a沿斜面向上运动时，所受拉力4、 （2010山东卷）25（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、
11、重力不计的带电粒子，以初速度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。求粒子第一次经过电场子的过程中电场力所做的功。粒子第n次经过电场时电场强度的大小。粒子第n次经过电场子所用的时间。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）。解析：（1）根据，因为，所以，所以,（2）=，所以。（3），所以。(4)5、 （2010天
12、津卷）12.（20分）质谱分析技术已广泛应用于各前沿科学领域。汤姆孙发现电子的质谱装置示意如图，M、N为两块水平放置的平行金属极板，板长为L，板右端到屏的距离为D，且D远大于L，OO为垂直于屏的中心轴线，不计离子重力和离子在板间偏离OO的距离。以屏中心O为原点建立xOy直角坐标系，其中x轴沿水平方向，y轴沿竖直方向。（1）设一个质量为m0、电荷量为q0的正离子以速度v0沿OO的方向从O点射入，板间不加电场和磁场时，离子打在屏上O点。若在两极板间加一沿+y方向场强为E的匀强电场，求离子射到屏上时偏离O点的距离y0;(2)假设你利用该装置探究未知离子，试依照以下实验结果计算未知离子的质量数。上述装
13、置中，保留原电场，再在板间加沿-y方向的匀强磁场。现有电荷量相同的两种正离子组成的离子流，仍从O点沿OO方向射入，屏上出现两条亮线。在两线上取y坐标相同的两个光点，对应的x坐标分别为3.24mm和3.00mm，其中x坐标大的光点是碳12离子击中屏产生的，另一光点是未知离子产生的。尽管入射离子速度不完全相同，但入射速度都很大，且在板间运动时OO方向的分速度总是远大于x方向和y方向的分速度。解析：（1）离子在电场中受到的电场力离子获得的加速度离子在板间运动的时间到达极板右边缘时，离子在方向的分速度离子从板右端到达屏上所需时间离子射到屏上时偏离点的距离由上述各式，得（2）设离子电荷量为，质量为，入射
14、时速度为，磁场的磁感应强度为，磁场对离子的洛伦兹力已知离子的入射速度都很大，因而离子在磁场中运动时间甚短，所经过的圆弧与圆周相比甚小，且在板间运动时，方向的分速度总是远大于在方向和方向的分速度，洛伦兹力变化甚微，故可作恒力处理，洛伦兹力产生的加速度是离子在方向的加速度，离子在方向的运动可视为初速度为零的匀加速直线运动，到达极板右端时，离子在方向的分速度离子飞出极板到达屏时，在方向上偏离点的距离当离子的初速度为任意值时，离子到达屏上时的位置在方向上偏离点的距离为，考虑到式，得由、两式得其中上式表明，是与离子进入板间初速度无关的定值，对两种离子均相同，由题设条件知，坐标3.24mm的光点对应的是碳
15、12离子，其质量为，坐标3.00mm的光点对应的是未知离子，设其质量为，由式代入数据可得故该未知离子的质量数为14。6、 （2010四川卷）24.（19分）如图所示，电源电动势。内阻，电阻。间距的两平行金属板水平放置，板间分布有垂直于纸面向里、磁感应强度的匀强磁场。闭合开关，板间电场视为匀强电场，将一带正电的小球以初速度沿两板间中线水平射入板间。设滑动变阻器接入电路的阻值为Rx，忽略空气对小球的作用，取。（1）当Rx=29时，电阻消耗的电功率是多大？（2）若小球进入板间做匀速圆周运动并与板相碰，碰时速度与初速度的夹角为，则Rx是多少？【答案】0.6W；54。【解析】闭合电路的外电阻为 根据闭合
16、电路的欧姆定律 A R2两端的电压为 V R2消耗的功率为 W 小球进入电磁场做匀速圆周运动，说明重力和电场力等大反向，洛仑兹力提供向心力，根据牛顿第二定律 连立化简得 小球做匀速圆周运动的初末速的夹角等于圆心角为60，根据几何关系得 连立带入数据 V 干路电流为 A 7、 （2010安徽卷）23.(16分)如图1所示，宽度为的竖直狭长区域内（边界为），存在垂直纸面向里的匀强磁场和竖直方向上的周期性变化的电场（如图2所示），电场强度的大小为，表示电场方向竖直向上。时，一带正电、质量为的微粒从左边界上的点以水平速度射入该区域，沿直线运动到点后，做一次完整的圆周运动，再沿直线运动到右边界上的点。为
17、线段的中点，重力加速度为g。上述、为已知量。 (1)求微粒所带电荷量和磁感应强度的大小；(2)求电场变化的周期；(3)改变宽度，使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域，求的最小值。解析： （1）微粒作直线运动，则 微粒作圆周运动，则 联立得 （2）设粒子从N1运动到Q的时间为t1，作圆周运动的周期为t2，则 联立得 电场变化的周期 （3）若粒子能完成题述的运动过程，要求 d2R (10)联立得 （11）设N1Q段直线运动的最短时间为tmin，由（10）（11）得 因t2不变，T的最小值【考点模拟演练】1.(2011南昌模拟)如图为一“滤速器”装置的示意图.a、b为水平放置的平行金属板，一束
18、具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能沿水平直线OO运动，由O射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是( )A.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里B.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里C.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外D.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外【答案】选A、D.【详解】电子能沿水平直线运动，则电子所受的电场力与洛伦兹力大小相等方向相反，当a板电势高于b板时，根据左手定则判断，磁场方向应垂直纸面向里，所以A正确C错误；当a板电势低
19、于b板时，根据左手定则判断，磁场方向应垂直纸面向外，所以D正确B错误.2.(2011黄冈模拟)如图所示，空间存在正交的匀强电场和匀强磁场，匀强电场方向竖直向上，匀强磁场的方向垂直纸面向里.有一内壁光滑、底部有带正电小球的试管.在水平拉力F作用下，试管向右匀速运动，带电小球能从试管口处飞出.已知小球质量为m，带电量为q，场强大小为关于带电小球及其在离开试管前的运动，下列说法中正确的是( )A.洛伦兹力对小球不做功B.洛伦兹力对小球做正功C.小球的运动轨迹是一条抛物线D.维持试管匀速运动的拉力F应逐渐增大【答案】选A、C、D.【详解】洛伦兹力方向始终与小球运动速度方向垂直，不做功，故A正确B错误；
20、小球在竖直方向受向上的电场力与向下的重力，二者大小相等，试管向右匀速运动，小球的水平速度保持不变，则竖直向上的洛伦兹力分量大小不变，小球竖直向上做加速运动，即小球做类平抛运动，故C正确；小球竖直分速度增大，受水平向左的洛伦兹力分量增大，为维持试管匀速运动拉力F应逐渐增大，D正确.3.在如图所示的匀强电场和匀强磁场共存的区域内(不计重力),电子可能沿水平方向向右做直线运动的是( ) 【答案】选B、C.【详解】若电子水平向右运动,在A图中电场力水平向左,洛伦兹力竖直向下,故不可能;在B图中,电场力水平向左,洛伦兹力为零,故电子可能水平向右做匀减速直线运动;在C图中电场力竖直向上,洛伦兹力竖直向下,
21、当二者大小相等时,电子向右做匀速直线运动;在D图中电场力竖直向上,洛伦兹力竖直向上,故电子不可能做水平向右的直线运动,因此只有选项B、C正确.4.如图所示,空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场.一带电粒子在电场力和洛伦兹力共同作用下,从静止开始自A点沿曲线ACB运动,到达B点时速度为零,C为运动的最低点,不计重力,则( )A.该粒子必带正电荷B.A、B两点位于同一高度C.粒子到达C点时的速度最大D.粒子到达B点后,将沿原曲线返回A点【答案】选A、B、C.【详解】在不计重力情况下,粒子从A点由静止开始向下运动,说明粒子受向下的电场力,带正电,选项A正确.整个过程中只有电场力做功,而
22、A、B两点粒子速度都为零,所以A、B在同一等势面上,选项B正确.运动到C点时粒子在电场力方向上发生的位移最大,电场力做功最多,粒子速度最大,选项C正确.粒子从B点向下运动时受向右的洛伦兹力,将向右偏,故选项D错.5.地球大气层外有一层复杂的电离层，既分布有地磁场，也分布有电场.假设某时刻在该空间中有一小区域存在如图所示的电场和磁场；电场的方向在纸面内斜向左下方，磁场的方向垂直纸面向里.此时一带电宇宙粒子恰以速度v垂直于电场和磁场射入该区域，不计重力作用，则在该区域中，有关该带电粒子的运动情况可能的是( )A.仍做直线运动 B.立即向左下方偏转C.立即向右上方偏转 D.可能做匀速圆周运动 【答案
23、】选A、B、C.【详解】因Eq与Bqv二者开始时方向相反，当二者相等时，A正确；当EqBqv时，向电场力方向偏，当EqBqv时，向洛伦兹力方向偏，B、C正确；有电场力存在，粒子不可能做匀速圆周运动，D错.6.如图所示，表面粗糙的斜面固定于地面上，并处于方向垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场中.质量为m、带电量为+Q的小滑块从斜面顶端由静止下滑，在滑块下滑的过程中，下列判断正确的是( )A.滑块受到的摩擦力不变B.滑块到达地面时的动能与B的大小无关C.滑块受到的洛伦兹力方向垂直斜面向下D.B很大时，滑块可能静止于斜面上【答案】选C.【详解】滑块受重力、支持力、垂直于斜面向下的洛伦兹力和沿斜面
24、向上的摩擦力四个力的作用.初始时刻洛伦兹力为0，滑块在重力和摩擦力的作用下沿斜面向下运动，随着速度v的增大，洛伦兹力qvB增大，滑块受到的弹力增大，引起摩擦力增大，故A、B均错；当mgsin=(mgcos+qvB)时，滑块开始做匀速运动，D错.综上所述，选项C正确.7.空间存在如图所示的匀强电场E和匀强磁场B.下面关于带电粒子在其中运动情况的判断，正确的是( )A.若不计重力，粒子做匀速运动的方向可沿y轴正方向，也可沿y轴负方向B.若不计重力，粒子可沿x轴正方向做匀加速直线运动C.若重力不能忽略，粒子不可能做匀速直线运动D.若重力不能忽略，粒子仍可能做匀速直线运动【答案】选D.【详解】若不计重
25、力，当正电荷沿y轴正方向运动时，所受电场力沿x轴正方向，所受洛伦兹力沿x轴负方向；当二者满足qE=qvB时，粒子做匀速直线运动.当粒子带负电时，电场力与洛伦兹力均反向，仍可做匀速直线运动.但当粒子沿y轴负方向运动时，电场力与洛伦兹力总是同向的，粒子受力不能平衡，故不能做匀速直线运动，A错误；粒子沿x轴正方向运动时，因洛伦兹力沿y轴方向，粒子一定要偏转，故B错；重力不能忽略时，只要粒子运动方向和受力满足如图所示条件，粒子就可能做匀速直线运动，C错，D正确.8.不计重力的负粒子能够在图所示的正交匀强电场和匀强磁场中匀速直线穿过设产生匀强电场的两极板间电压为U，距离为d，匀强磁场的磁感应强度为B，粒
26、子电荷量为q，进入速度为v，以下说法正确的是() A若同时增大U和B，其他条件不变，则粒子一定能够直线穿过B若同时减小d和增大v，其他条件不变，则粒子可能直线穿过C若粒子向下偏能够飞出极板间，则粒子动能一定减小D若粒子向下偏能够飞出极板间，则粒子的动能有可能不变【答案】BC【详解】粒子能够直线穿过则有qqvB，即v，若U、B增大的倍数不同，粒子不能沿直线穿过，A项错，同理B正确；粒子向下偏，电场力做负功，又W洛0，所以Ek0，C项正确9.环形对撞机是研究高能离子的重要装置，如图正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后，沿圆环切线方向注入对撞机的真空环状空腔内，空腔内存在着与圆环平面垂直的
27、匀强磁场，磁感应强度大小为B.(两种带电粒子将被局限在环状空腔内，沿相反方向做半径相等的匀速圆周运动，从而在碰撞区迎面相撞)为维持带电粒子在环状空腔中的匀速圆周运动，下列说法正确的是()A对于给定的加速电压，带电粒子的比荷越大，磁感应强度B越大B对于给定的加速电压，带电粒子的比荷越大，磁感应强度B越小C对于给定的带电粒子，加速电压U越大，粒子运动的周期越小D对于给定的带电粒子，不管加速电压U多大，粒子运动的周期都不变【答案】BC【详解】在加速器中qUmv2，在环状空腔内做匀速圆周运动的半径r，即r，所以在半径不变的条件下越大，B越小，选项B正确；粒子在空腔内的周期T，故加速电压越大，粒子的速率
28、v越大，其周期越小，选项C正确10如图所示，空间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场的方向竖直向下，磁场的方向垂直纸面向里，一带电油滴P恰好处于静止状态，则下列说法正确的是()A若撤去电场，P可能做匀加速直线运动B若撤去磁场，P可能做匀加速直线运动C若给P一初速度，P可能做匀速直线运动D若给P一初速度，P可能做顺时针方向的匀速圆周运动【答案】CD【详解】由P处于静止状态则P带负电若撤去电场，只受重力和磁场力作用，由于磁场方向与速度垂直必做曲线运动，故A错若撤去磁场，受重力和电场力仍处于平衡状态，故B错若所给初速度的方向与磁场方向平行，油滴只受重力和电场力处于平衡状态，做匀速直线运动若所给初速
29、度的方向向上与磁场方向垂直，合力等于洛伦兹力，则做顺时针的匀速圆周运动，故C、D正确11如图所示的空间分布、三个区域，各边界面相互平行，区域存在匀强电场，电场强度E1.0104 V/m，方向垂直边界面向右、区域存在匀强磁场，磁场的方向分别为垂直纸面向外和垂直纸面向里，磁感应强度分别为B12.0 T、B24.0 T三个区域宽度分别为d15 m、d2d36.25 m，一质量m1.0108 kg、电荷量q1.6106 C的粒子从O点由静止释放，粒子的重力忽略不计求：(1)粒子离开区域时的速度大小v；(2)粒子在区域内运动时间t；(3)粒子离开区域时速度与边界面的夹角.【答案】(1)4.0103 m/s(2)1.6103 s(3)60【详解】(1)粒子在电场中做匀加速直线运动，由动能定理有qEd1mv20解得v4.0103 m/s(2)设粒子在磁场B1中做匀速圆周运动的半径为r，则qvB1解得r12.5 m设在区域内圆周运动的圆心角为，则sin 解得30粒子在区域运动周期T粒子在区域运动时间tT解得t s1.6103 s(3)设粒子在区域做圆周运动轨道半径为R，则qvB2解得R6.25 m粒子运动轨迹如答图所示，由几何关系可知MO2P为等边三角形，粒子离开区域时速度与边界面的夹角60.
