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1、第2讲磁场对运动电荷的作用第九章磁场NEIRONGSUOYIN内容索引过好双基关研透命题点课时作业回扣基础知识 训练基础题目细研考纲和真题 分析突破命题点限时训练 练规范 练速度过好双基关一、洛伦兹力的大小和方向1.定义：磁场对 的作用力.2.大小(1)vB时，F ；(2)vB时，F ；(3)v与B的夹角为时，F .运动电荷0qvBqvBsin 3.方向(1)判定方法：应用左手定则，注意四指应指向正电荷运动方向或负电荷运动的反方向；(2)方向特点：FB，Fv.即F垂直于 决定的平面.(注意B和v可以有任意夹角)4.做功：洛伦兹力 .B、v不做功自测1带电荷量为q的不同粒子在匀强磁场中运动，下列
2、说法中正确的是A.只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同B.如果把q改为q，且速度反向、大小不变，则其所受洛伦兹力的大小、 方向均不变C.洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直D.粒子在只受洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变二、带电粒子在匀强磁场中的运动1.若vB，带电粒子以入射速度v做 运动.2.若vB时，带电粒子在垂直于磁感线的平面内，以入射速度v做_运动.3.基本公式(1)向心力公式：qvB ；(2)轨道半径公式：r ；(3)周期公式：T .注意：带电粒子在匀强磁场中运动的周期与速率 .匀速直线匀速圆周无关自测2(2018广东省潮州市下学期综合测试)在探究射线
3、性质的过程中，让质量为m1、带电荷量为2e的粒子和质量为m2、带电荷量为e的粒子，分别垂直于磁场方向射入同一匀强磁场中，发现两种粒子沿半径相同的圆轨道运动.则粒子与粒子的动能之比是研透命题点1.洛伦兹力的特点(1)利用左手定则判断洛伦兹力的方向，注意区分正、负电荷.(2)运动电荷在磁场中不一定受洛伦兹力作用.(3)洛伦兹力一定不做功.2.洛伦兹力与安培力的联系及区别(1)安培力是洛伦兹力的宏观表现，二者是相同性质的力，都是磁场力.(2)安培力可以做功，而洛伦兹力对运动电荷不做功.命题点一对洛伦兹力的理解和应用3.洛伦兹力与电场力的比较 洛伦兹力电场力产生条件v0且v不与B平行电荷处在电场中大小
4、FqvB(vB)FqE力方向与场方向的关系FB，FvFE做功情况任何情况下都不做功可能做功，也可能不做功例1(多选)(2018福建省三明市上学期期末)如图1所示为一个质量为m、带电荷量为q的圆环，可在水平放置的足够长的粗糙细杆上滑动，细杆处于磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中.现给圆环向右初速度v0，在以后的运动过程中，圆环运动的vt图象可能是下图中的图1解析当qvBmg时，圆环做匀速直线运动，此时图象为B，故B正确；当qvBmg时，FNqvBmg，此时：FNma，所以圆环做加速度逐渐减小的减速运动，直到qvBmg时，圆环开始做匀速运动，故C正确；当qvBmg时，FNmgqvB，
5、此时：FNma，所以圆环做加速度逐渐增大的减速运动，直至停止，所以其vt图象的斜率应该逐渐增大，故A、D错误.变式1(多选)(2018湖北省黄冈中学模拟)如图2所示，下端封闭、上端开口、高h5 m、内壁光滑的细玻璃管竖直放置，管底有质量m10 g、电荷量的绝对值|q|0.2 C的小球，整个装置以v5 m/s的速度沿垂直于磁场方向进入磁感应强度大小为B0.2 T、方向垂直纸面向内的匀强磁场，由于外力的作用，玻璃管在磁场中的速度保持不变，最终小球从上端管口飞出.g取10 m/s2.下列说法中正确的是A.小球带负电B.小球在竖直方向做匀加速直线运动C.小球在玻璃管中的运动时间小于1 sD.小球机械能
6、的增加量为1 J图2解析由左手定则可知，小球带正电，选项A错误；玻璃管和小球在水平方向做匀速运动，则小球在竖直方向所受的洛伦兹力恒定，竖直方向加速度不变，即小球在竖直方向做匀加速直线运动，选项B正确；命题点二带电粒子在有界匀强磁场中的圆周运动 基本思路图例说明圆心的确定与速度方向垂直的直线过圆心弦的垂直平分线过圆心轨迹圆弧与边界切点的法线过圆心P、M点速度垂线交点P点速度垂线与弦的垂直平分线交点圆心的确定与速度方向垂直的直线过圆心弦的垂直平分线过圆心轨迹圆弧与边界切点的法线过圆心某点的速度垂线与切点法线的交点半径的确定利用平面几何知识求半径运动时间的确定利用轨迹对应圆心角或轨迹长度L求时间tt
7、(1)速度的偏转角等于 所对的圆心角(2)偏转角与弦切角的关系：180时，3602AB直线边界，粒子进出磁场具有对称性(如图3所示)模型1直线边界磁场图3例2如图4，直线OP上方分布着垂直纸面向里的匀强磁场，从粒子源O在纸面内沿不同的方向先后发射速率均为v的质子1和2，两个质子都过P点.已知OPa，质子1沿与OP成30角的方向发射，不计质子的重力和质子间的相互作用力，则图4解析根据题意作出质子运动轨迹如图所示：由几何知识可知，质子在磁场中做圆周运动的轨道半径：ra，故A错误；变式2(2018广东省深圳市第一次调研)如图5所示，直线MN左下侧空间存在范围足够大、方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应
8、强度大小为B，在磁场中P点有一个粒子源，可在纸面内向各个方向射出质量为m、电荷量为q的带正电粒子(重力不计)，已知POM60，PO间距为L，粒子速率均为v ，则粒子在磁场中运动的最短时间为图5解析粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，因为粒子做圆周运动的半径、周期都不变，那么，粒子转过的圆心角越小，则其弦长越小，运动时间越短；所以，过P点作MN的垂线，故最短弦长对应的圆心角为60，所以，粒子在磁场中运动的最短时间为：平行边界存在临界条件(如图6所示)模型2平行边界磁场图6例3(2018重庆市上学期期末抽测)如图7所示，在0 x3a的区域内存在与xOy平面垂直的匀强磁场，磁感应强度大小为B
9、.在t0时刻，从原点O发射一束等速率的相同的带电粒子，速度方向与y轴正方向的夹角分布在090范围内.其中，沿y轴正方向发射的粒子在tt0时刻刚好从磁场右边界上P(3a， a)点离开磁场，不计粒子重力，下列说法正确的是A.粒子在磁场中做圆周运动的半径为3a图7D.带电粒子在磁场中运动的最长时间为2t0解析根据题意作出沿y轴正方向发射的带电粒子在磁场中做圆周运动的运动轨迹如图所示，圆心为O，根据几何关系，可知粒子做圆周运动的半径为r2a，故A错误；变式3(2018河南省中原名校第四次模拟)如图8所示，平行边界MN、PQ间有垂直纸面向里的匀强磁场，磁场的磁感应强度大小为B，两边界间距为d，MN上有一
10、粒子源A，可在纸面内沿各个方向向磁场中射入质量均为m、电荷量均为q的带正电的粒子，粒子射入磁场的速度v ，不计粒子的重力，则粒子能从PQ边界射出的区域长度为图8沿径向射入圆形磁场的粒子必沿径向射出，运动具有对称性(如图9所示)模型3圆形边界磁场图9例42017全国卷18)如图10，虚线所示的圆形区域内存在一垂直于纸面的匀强磁场，P为磁场边界上的一点，大量相同的带电粒子以相同的速率经过P点，在纸面内沿不同的方向射入磁场，若粒子射入速率为v1，这些粒子在磁场边界的出射点分布在六分之一圆周上；若粒子射入速率为v2，相应的出射点分布在三分之一圆周上，不计重力及带电粒子之间的相互作用，则v2v1 为图1
11、0甲乙变式4(多选)(2019广东省惠州市模拟)如图11所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板.从圆形磁场最高点P以速度v垂直磁场正对着圆心O射入带正电的粒子，且粒子所带电荷量为q、质量为m，不考虑粒子重力，关于粒子的运动，以下说法正确的是A.粒子在磁场中通过的弧长越长，运动时间也越长B.射出磁场的粒子其出射方向的反向延长线也一定过圆心OC.射出磁场的粒子一定能垂直打在MN上D.只要速度满足v ，入射的粒子出射后一定垂直打在MN上图11解析速度不同的同种带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期相等，对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中轨道半径越大，弧长越
12、长，轨迹对应的圆心角越小，由t 知，运动时间t越小，故A错误；带电粒子的运动轨迹是圆弧，根据几何知识可知，对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线一定过圆心，故B正确；速度不同，半径不同，轨迹对应的圆心角不同，对着圆心入射的粒子，出射后不一定垂直打在MN上，与粒子的速度有关，故C错误；速度满足v 时，粒子的轨迹半径为r R，入射点、出射点、O点与轨迹的圆心构成菱形，射出磁场时的轨迹半径与最高点的磁场半径垂直，粒子一定垂直打在MN板上，故D正确.例5(多选)(2018湖北省十堰市调研)如图12所示，有一垂直于纸面向外的有界匀强磁场，磁场的磁感应强度为B，其边界为一边长为L的正三角形(边界上有磁
13、场)，A、B、C为三角形的三个顶点.今有一质量为m、电荷量为q的粒子(不计重力)，以速度v 从AB边上的某点P既垂直于AB边又垂直于磁场的方向射入磁场，然后从BC边上某点Q射出.若从P点射入的该粒子能从Q点射出，则模型4三角形边界磁场图12解析粒子在磁场中运动的轨迹如图所示：命题点三带电粒子在磁场运动的多解问题类型分析图例带电粒子电性不确定受洛伦兹力作用的带电粒子，可能带正电荷，也可能带负电荷，在相同的初速度下，正、负粒子在磁场中运动轨迹不同，形成多解如图，带电粒子以速度v垂直进入匀强磁场，如带正电，其轨迹为a；如带负电，其轨迹为b磁场方向不确定在只知道磁感应强度大小，而未具体指出磁感应强度方
14、向，此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成多解如图，带正电粒子以速度v垂直进入匀强磁场，若B垂直纸面向里，其轨迹为a，若B垂直纸面向外，其轨迹为b临界状态不唯一带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，由于粒子运动轨迹是圆弧状，因此，它可能穿过磁场飞出，也可能转过180从入射界面这边反向飞出，于是形成多解运动具有周期性带电粒子在部分是电场、部分是磁场空间运动时，运动往往具有周期性，因而形成多解例6(2018湖北省华中师大一附中模拟)如图13甲所示，M、N为竖直放置彼此平行的两块平板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图乙所示.
15、有一群正离子在t0时垂直于M板从小孔O射入磁场.已知正离子质量为m、带电荷量为q，正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力.求：(1)磁感应强度B0的大小.图13解析设垂直于纸面向里的磁场方向为正方向.(2)要使正离子从O垂直于N板射出磁场，正离子射入磁场时的速度v0的可能值.解析要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，v0的方向应如图所示，变式5(多选)(2018河南省六市下学期第二次联考)如图14所示，直线MN与水平方向成30角，MN的右上方区域存在磁感应强度大小为B、方向水平向外的匀强磁场，MN的左下方区域存在磁
16、感应强度大小为2B、方向水平向里的匀强磁场，MN与两磁场均垂直.一粒子源位于MN上的a点，能水平向右发射不同速率、质量为m、电荷量为q(q0)的同种粒子(粒子重力不计)，所有粒子均能通过MN上的b点.已知abL，MN两侧磁场区域均足够大，则粒子的速率可能是图14课时作业1.下列说法正确的是A.运动电荷在磁感应强度不为0的地方，一定受到洛伦兹力的作用B.运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用，则该处的磁感应强度一定为0C.洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的速度D.洛伦兹力对带电粒子总不做功双基巩固练12345678910112.如图1为云室中某粒子穿过铅板P前后的轨迹.云室中匀强磁
17、场的方向与轨迹所在平面垂直.由此可知粒子A.一定带正电B.一定带负电C.不带电D.可能带正电，也可能带负电1234567891011图13.如图2所示，长直导线ab附近有一带正电荷的小球用绝缘丝线悬挂在M点.当ab中通以由ba的恒定电流时，下列说法正确的是A.小球受磁场力作用，方向与导线垂直且垂直纸面向里B.小球受磁场力作用，方向与导线垂直且垂直纸面向外C.小球受磁场力作用，方向与导线垂直并指向左方D.小球不受磁场力作用1234567891011图24.如图3所示，一正电荷水平向右射入蹄形磁铁的两磁极间.此时，该电荷所受洛伦兹力的方向是A.向左 B.向右C.垂直纸面向里 D.垂直纸面向外图31
18、2345678910115.(多选)(2019安徽省芜湖市调研)如图4所示，虚线上方存在匀强磁场，磁感应强度为B；一群电子以不同速率v从边界上的P点以相同的方向射入磁场.其中某一速率为v0的电子从Q点射出.已知电子入射方向与边界夹角为，则由以上条件可判断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相同C.速率大于v0的电子在磁场中运动时间长D.所有电子的速度方向都改变了21234567891011图41234567891011解析由左手定则可知，该匀强磁场的方向垂直纸面向里，A选项正确；所有电子偏转角度相同，所有电子的速度方向都改变了2，D选项正确；6.如图5所示，在边长为2a的
19、正三角形区域内存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，一个质量为m、电荷量为q(q0)的带电粒子(重力不计)从AB边的中心O以速度v进入磁场，粒子进入磁场时的速度方向垂直于磁场且与AB边的夹角为60，若要使粒子能从AC边穿出磁场，则匀强磁场磁感应强度的大小B需满足图512345678910111234567891011解析若粒子刚好达到C点时，其运动轨迹与AC相切，如图所示，7.(2016全国卷18)一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向与筒的轴平行，筒的横截面如图6所示.图中直径MN的两端分别开有小孔，筒绕其中心轴以角速度顺时针转动.在该截面内，一带电粒子从小孔M射入筒内，射入时的运动
20、方向与MN成30角.当筒转过90时，该粒子恰好从小孔N飞出圆筒.不计重力.若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞，则带电粒子的比荷为1234567891011图612345678910118.(2018河北省承德市联校期末)如图7所示，OM的左侧存在范围足够大、磁感应强度大小为B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外，OM左侧到OM距离为L的P处有一个粒子源，可沿纸面向各个方向射出质量为m、电荷量为q的带正电粒子(重力不计)，速率均为v ，则粒子在磁场中运动的最短时间为1234567891011图712345678910119.(多选)如图8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
21、动，细杆处在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，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1234567891011综合提升练图8解析若圆环所受洛伦兹力等于重力，圆环对粗糙细杆压力为零，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，圆环对粗糙细杆压力不为零，摩擦力不为零，若开始圆环所受洛伦兹力小于重力，则圆环一直减速到速度为零，由动能定理可得圆环克服摩擦力做的功为 ，选项B正确；123456789101110.如图9所示，在屏蔽装置底部中心位置O点放一医用放射源，可通过细缝沿扇形区域向外辐射速率为v3.2106 m/s
22、的粒子.已知屏蔽装置宽AB9 cm，缝长AD18 cm，粒子的质量m6.641027 kg，电荷量q3.21019 C.若在屏蔽装置右侧条形区域内加一匀强磁场来隔离辐射，磁感应强度B0.332 T，方向垂直于纸面向里，整个装置放于真空环境中.(结果可带根号)(1)若所有的粒子均不能从条形磁场隔离区的右侧穿出，则磁场的宽度d至少是多少？图91234567891011解析由题意：AB9 cm，AD18 cm，可得BAOODC45所有粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径相同，设为R，根据洛伦兹力提供向心力有Bqv解得R0.2 m.1234567891011由题意及几何关系可知：若条形磁场区域的右边界与沿
23、OD方向进入磁场的粒子的圆周轨迹相切，则所有粒子均不能从条形磁场隔离区右侧穿出，此时磁场的宽度最小，如图甲所示.设此时磁场宽度dd0，由几何关系得1234567891011(2)若条形磁场的宽度d20 cm，则射出屏蔽装置的粒子在磁场中运动的最长时间和最短时间各是多少？1234567891011解析设粒子在磁场内做匀速圆周运动的周期为T，则1234567891011设速度方向垂直于AD进入磁场区域的粒子的入射点为E，如图乙所示.因磁场宽度d20 cmd0，且R20 cm，则在EOD间进入磁场区域的粒子均能穿出磁场右边界，在EOA间进入磁场区域的粒子均不能穿出磁场右边界，沿OE方向进入磁场区域的
24、粒子运动轨迹与磁场右边界相切，转过的圆心角最大且为90，在磁场中运动时间最长，设在磁场中运动的最长时间为tmax，则tmax 106 s1234567891011若粒子在磁场中做匀速圆周运动对应的圆弧轨迹的弦长最短，则粒子在磁场中运动的时间最短.最短的弦长为磁场宽度d.轨迹如图乙所示，因Rd，则最短的弦02长对应的圆心角为60，设在磁场中运动的最短时间为tmin，则tmin 106 s.11.(2018湖南省长沙市雅礼中学模拟二)如图10所示，在x轴和x轴上方存在垂直xOy平面向外的匀强磁场，坐标原点O处有一粒子源，可向x轴和x轴上方的各个方向不断地发射速度大小均为v、质量为m、带电荷量为q的
25、同种带电粒子.在x轴上距离原点x0处垂直于x轴放置一个长度为x0、厚度不计、能接收带电粒子的薄金属板P(粒子一旦打在金属板 P上，其速度立即变为0).现观察到沿x轴负方向射出的粒子恰好打在薄金属板的上端，且速度方向与y轴平行.不计带电粒子的重力和粒子间相互作用力.(1)求磁感应强度B的大小；1234567891011图10答案见解析1234567891011解析由左手定则可以判断带电粒子在磁场中沿顺时针方向做匀速圆周运动，沿x方向射出的粒子恰好打在金属板的上端，如图a所示，由几何知识可知Rx0，根据洛伦兹力提供向心力有qvBm(2)求被薄金属板接收的粒子中运动的最长与最短时间的差值；1234567891011答案见解析12345678910111234567891011(3)若在y轴上放置一挡板，使薄金属板右侧不能接收到带电粒子，试确定挡板的最小长度和放置的位置坐标.1234567891011答案见解析1234567891011解析由图a可知挡板上端坐标为(0,2x0)本课结束