高中物理 模塊九 磁場(chǎng) 考點(diǎn)4_3 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)之圓形磁場(chǎng)邊界問題試題1
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考點(diǎn)4.3 圓形磁場(chǎng)邊界問題 考點(diǎn)4.3.1 “粒子沿徑向射入圓形磁場(chǎng)”邊界問題 特點(diǎn):沿徑向射入必沿徑向射出,如圖所示。對(duì)稱性:入射點(diǎn)與出射點(diǎn)關(guān)于磁場(chǎng)圓圓心與軌跡圓圓心連線對(duì)稱,兩心連線將軌跡弧平分、弦平分,圓心角平分。 1. 如圖所示,一半徑為R的圓內(nèi)有垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,CD是該圓一直徑.一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子(不計(jì)重力),自A點(diǎn)沿指向O點(diǎn)方向垂直射入磁場(chǎng)中,恰好從D點(diǎn)飛出磁場(chǎng),A點(diǎn)到CD的距離為,根據(jù)以上內(nèi)容( C ) A. 可判別圓內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直紙面向里 B. 不可求出粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 C. 可求得粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間 D. 不可求得粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度 2. 如圖所示,為一圓形區(qū)域的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在O點(diǎn)處有一放射源,沿半徑方向射出速度為v的不同帶電粒子,其中帶電粒子1從A點(diǎn)飛出磁場(chǎng),帶電粒子2從B點(diǎn)飛出磁場(chǎng),不考慮帶電粒子的重力,則( A ) A. 帶電粒子1的比荷與帶電粒子2的比荷比值為3∶1 B. 帶電粒子1的比荷與帶電粒子2的比荷比值為∶1 C. 帶電粒子1與帶電粒子2在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間比值為2∶1 D. 帶電粒子1與帶電粒子2在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間比值為1∶2 3. 如圖所示,半徑為R的絕緣筒中為勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、磁感線垂直紙面向里一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的正離子,以速度v從圓筒上C孔處沿直徑方向射入筒內(nèi),如果離子與圓筒碰撞三次(碰撞時(shí)不損失能量,且時(shí)間不計(jì)),又從C孔飛出,則離子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為 ( AC ) A.2πR/v B.πR/v C.2πm/qB D.πm/qB 4. 如圖所示,一半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一質(zhì)量為m,電荷量為q的正電荷(重力忽略不計(jì))以速度v沿正對(duì)著圓心O的方向射入磁場(chǎng),從磁場(chǎng)中射出時(shí)速度方向改變了θ角.磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為( B ) A. B. C. D. 5. 如圖所示圓形區(qū)域內(nèi),有垂直于紙面方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一束質(zhì)量和電荷量都相同的帶電粒子,以不同的速率,沿著相同的方向,對(duì)準(zhǔn)圓心O射入勻強(qiáng)磁場(chǎng),又都從該磁場(chǎng)中射出,這些粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間有的較長(zhǎng),有的較短,若帶電粒子在磁場(chǎng)中只受磁場(chǎng)力的作用,則在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)的帶電粒子( ) A. 速率一定越小 B. 速率一定越大 C. 在磁場(chǎng)中通過的路程越長(zhǎng) D. 在磁場(chǎng)中的周期一定越大 6. 在以坐標(biāo)原點(diǎn)O為圓心、半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi),存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),如圖11所示.一個(gè)不計(jì)重力的帶電粒子從磁場(chǎng)邊界與x軸的交點(diǎn)A處以速度v沿-x方向射入磁場(chǎng),它恰好從磁場(chǎng)邊界與y軸的交點(diǎn)C處沿+y方向飛出. (1) 請(qǐng)判斷該粒子帶何種電荷,并求出其比荷; (2) 若磁場(chǎng)的方向和所在空間范圍不變,而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)锽′,該粒子仍從A處以相同的速度射入磁場(chǎng),但飛出磁場(chǎng)時(shí)的速度方向相對(duì)于入射方向改變了60角,求磁感應(yīng)強(qiáng)度B′多大?此次粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間t是多少? 【答案】 (1)負(fù)電荷 (2)B 7. 如右圖所示,在某空間實(shí)驗(yàn)室中,有兩個(gè)靠在一起的等大的圓柱形區(qū)域,分別存在著等大反向的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.10 T,磁場(chǎng)區(qū)域半徑r= m,左側(cè)區(qū)圓心為O1,磁場(chǎng)向里,右側(cè)區(qū)圓心為O2,磁場(chǎng)向外.兩區(qū)域切點(diǎn)為C.今有質(zhì)量m=3.210-26 kg.帶電荷量q=1.610-19 C的某種離子,從左側(cè)區(qū)邊緣的A點(diǎn)以速度v=106 m/s正對(duì)O1的方向垂直磁場(chǎng)射入,它將穿越C點(diǎn)后再?gòu)挠覀?cè)區(qū)穿出.求: (1) 該離子通過兩磁場(chǎng)區(qū)域所用的時(shí)間. (2) 離子離開右側(cè)區(qū)域的出射點(diǎn)偏離最初入射方向的側(cè)移距離為多大?(側(cè)移距離指垂直初速度方向上移動(dòng)的距離) 【答案】(1)4.1910-6 s (2)2 m. 8. 如圖所示,有一對(duì)平行金屬板,兩板相距為0.05m.電壓為10V;兩板之間有勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0=0.1T,方向與金屬板面平行并垂直于紙面向里.圖中右邊有一半徑R為0.1m、圓心為O的圓形區(qū)域內(nèi)也存在勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為T,方向垂直于紙面向里.一正離子沿平行于金屬板面,從A點(diǎn)垂直于磁場(chǎng)的方向射入平行金屬板之間,沿直線射出平行金屬板之間的區(qū)域,并沿直徑CD方向射入圓形磁場(chǎng)區(qū)域,最后從圓形區(qū)域邊界上的F點(diǎn)射出.已知速度的偏向角 ,不計(jì)離子重力.求: (1) 離子速度v的大?。? (2) 離子的比荷q/m; (3) 離子在圓形磁場(chǎng)區(qū)域中運(yùn)動(dòng)時(shí)間t. 9. 如圖所示,在兩個(gè)水平平行金屬極板間存在著向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分別為E=2106N/C和B1=0.1T,極板的長(zhǎng)度l=m,間距足夠大.在板的右側(cè)還存在著另一圓形區(qū)域的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)的方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲?,圓形區(qū)域的圓心O位于平行金屬極板的中線上,圓形區(qū)域的半徑R=m.有一帶正電的粒子以某速度沿極板的中線水平向右飛入極板后恰好做勻速直線運(yùn)動(dòng),然后進(jìn)入圓形磁場(chǎng)區(qū)域,飛出圓形磁場(chǎng)區(qū)域后速度方向偏轉(zhuǎn)了60,不計(jì)粒子的重力,粒子的比荷=2108C/kg.求: (1) 粒子的初速度v; (2) 圓形區(qū)域磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大??; (3) 在其它條件都不變的情況下,將極板間的磁場(chǎng)Bl撤去,為使粒子飛出極板后不能進(jìn)入圓形區(qū)域的磁場(chǎng),求圓形區(qū)域的圓心O離極板右邊緣的水平距離d應(yīng)滿足的條件. 【答案】(1)v=2107m/s, (2)B2=0.1T (3)d 考點(diǎn)4.3.2 “粒子不沿半徑方向射入圓形磁場(chǎng)”邊界問題 特點(diǎn):入射點(diǎn)與出射點(diǎn)關(guān)于磁場(chǎng)圓圓心與軌跡圓圓心連線對(duì)稱,兩心連線將軌跡弧平分、弦平分,圓心角平分。 【例題】如圖所示是某離子速度選擇器的原理示意圖,在一半徑為R的絕緣圓柱形筒內(nèi)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向平行于軸線向外.在圓柱形筒上某一直徑兩端開有小孔M、N,現(xiàn)有一束速率不同、比荷均為k的正、負(fù)離子,從M孔以α角入射,一些具有特定速度的離子未與筒壁碰撞而直接從N孔射出(不考慮離子間的作用力和重力).則從N孔射出的離子( ) A. 是正離子,速率為 B. 是正離子,速率為 C. 是負(fù)離子,速率為 D. 是負(fù)離子,速率為 【解析】 帶負(fù)電的粒子向上偏轉(zhuǎn),必與筒壁碰撞,若帶正電,根據(jù)左手定則,離子向下偏,才有可能未與筒壁碰撞而直接從N孔射出,從N孔射出的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,MO′與入射速度垂直,OO′為MN的垂直平分線,MO′與OO′的交點(diǎn)為圓周運(yùn)動(dòng)的圓心O′,由幾何關(guān)系,可知r=,由qBv=m,可得v=,B項(xiàng)正確,其他選項(xiàng)錯(cuò)誤. 【答案】B 10. 如圖所示,在圓形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),ab是圓的一條直徑.一帶正電的粒子從a點(diǎn)射入磁場(chǎng),速度大小為2v,方向與ab成30時(shí)恰好從b點(diǎn)飛出磁場(chǎng),粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t.若僅將速度大小改為v,則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為(不計(jì)帶電粒子所受重力)( D ) A.3t B.t C.t D.2t 11. 如圖所示,在圓形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),ab是圓的直徑。一不計(jì)重力的帶電粒子從a點(diǎn)射入磁場(chǎng),速度大小為v,當(dāng)速度方向與ab成30角時(shí),粒子從b點(diǎn)射出,在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t;若相同的帶電粒子從a點(diǎn)沿ab方向射入磁場(chǎng),也經(jīng)時(shí)間t飛出磁場(chǎng),則其速度大小為( A ) A. B. C. D. 12. (2016全國(guó)卷Ⅱ,18)一圓筒處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向與筒的軸平行,筒的橫截面如圖所示。圖中直徑MN的兩端分別開有小孔,筒繞其中心軸以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在該截面內(nèi),一帶電粒子從小孔M射入筒內(nèi),射入時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與MN成30角。當(dāng)筒轉(zhuǎn)過90時(shí),該粒子恰好從小孔N飛出圓筒。不計(jì)重力。若粒子在筒內(nèi)未與筒壁發(fā)生碰撞,則帶電粒子的比荷為( A ) A. B. C. D. 13. (多選)如圖所示,在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有一磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一質(zhì)量為m且?guī)д姷牧W?重力不計(jì))以初速度v0從圓形邊界上的A點(diǎn)正對(duì)圓心射入該磁場(chǎng)區(qū)域,若該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑為R,則下列說法中正確的是( AC ) A. 該帶電粒子在磁場(chǎng)中將向右偏轉(zhuǎn) B. 若增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,則該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑將變大 C. 該帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)距離為R D. 該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為 14. 如圖,半徑為R的圓是一圓柱形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的橫截面(紙面),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于紙面向外.一電荷量為q(q>0)、質(zhì)量為m的粒子沿平行于直徑ab的方向射入磁場(chǎng)區(qū)域,射入點(diǎn)與ab的距離為,已知粒子射出磁場(chǎng)與射入磁場(chǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向間的夾角為60,則粒子的速率為(不計(jì)重力)( B ) A. B. C. D. 15. 離子推進(jìn)器是太空飛行器常用的動(dòng)力系統(tǒng).某種推進(jìn)器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化原理如圖(a),截面半徑為R的圓柱腔分為兩個(gè)工作區(qū),Ⅰ為電離區(qū),將氙氣電離獲得1價(jià)正離子;Ⅱ?yàn)榧铀賲^(qū),長(zhǎng)度為L(zhǎng),兩端加有電壓,形成軸向的勻強(qiáng)電場(chǎng).Ⅰ區(qū)產(chǎn)生的正離子以接近0的初速度進(jìn)入Ⅱ區(qū),被加速后以速度vM從右側(cè)噴出.Ⅰ區(qū)內(nèi)有軸向的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,在離軸線R/2處的C點(diǎn)持續(xù)射出一定速度范圍的電子.假設(shè)射出的電子僅在垂直于軸線的截面上運(yùn)動(dòng),截面如圖(b)所示(從左向右看).電子的初速度方向與中心O點(diǎn)和C點(diǎn)的連線成α角(0<α<90).推進(jìn)器工作時(shí),向Ⅰ區(qū)注入稀薄的氙氣.電子使氙氣電離的最小速度為v0,電子在Ⅰ區(qū)內(nèi)不與器壁相碰且能到達(dá)的區(qū)域越大,電離效果越好.已知離子質(zhì)量為M;電子質(zhì)量為m,電量為e.(電子碰到器壁即被吸收,不考慮電子間的碰撞). (1) 求Ⅱ區(qū)的加速電壓及離子的加速度大?。? (2) 為取得好的電離效果,請(qǐng)判斷Ⅰ區(qū)中的磁場(chǎng)方向(按圖(b)說明是“垂直紙面向里”或“垂直紙面向外”); (3) α為90時(shí),要取得好的電離效果,求射出的電子速率v的范圍; (4) 要取得好的電離效果,求射出的電子最大速率vM與α的關(guān)系. 【答案】(1) (2)磁場(chǎng)垂直紙面向外 (3)0≤v< (4)vmax= 考點(diǎn)4.3.3 “磁聚焦”與“磁發(fā)散” 1.帶電粒子的匯聚 如圖所示,大量的同種帶正電的粒子,速度大小相同,平行入射到圓形磁場(chǎng)區(qū)域,如果軌跡圓半徑與磁場(chǎng)圓半徑相等即R=r,則所有的帶電粒子將從磁場(chǎng)圓的最低點(diǎn)B點(diǎn)射出. 平行四邊形OAO′B為菱形,可得BO′為軌跡圓的半徑,可知從A點(diǎn)發(fā)出的帶電粒子必然經(jīng)過B點(diǎn). 2.帶電粒子的發(fā)散 如圖所示,有界圓形磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,圓心O,從P點(diǎn)有大量質(zhì)量為m,電量為q正離子,以大小相等的速度v沿不同方向射入有界磁場(chǎng),不計(jì)粒子的重力,如果正離子軌跡圓半徑與有界圓形磁場(chǎng)半徑相等,則所有的運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心與有界圓圓心O、入射點(diǎn)、出射點(diǎn)的連線為菱形,即出射速度方向相同. 【例題】如圖所示,x軸正方向水平向右,y軸正方向豎直向上.在xOy平面內(nèi)有與y軸平行的勻強(qiáng)電場(chǎng),在半徑為R的圓內(nèi)還有與xOy平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng).在圓的左邊放置一帶電微粒發(fā)射裝置,它沿x軸正方向發(fā)射出一束具有相同質(zhì)量m、電荷量q(q>0)和初速度v的帶電微粒.發(fā)射時(shí),這束帶電微粒分布在0- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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