《《带电粒子在电场、磁场中的运动》计算题专题(30页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《带电粒子在电场、磁场中的运动》计算题专题(30页).doc（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-第 1 页带电粒子在电场带电粒子在电场、磁场中的运动磁场中的运动 计算计算题专题题专题-第 2 页带电粒子在电场、磁场中的运动计算题专题带电粒子在电场、磁场中的运动计算题专题【知识知识要点】要点】1、带电粒子运动型计算题、带电粒子运动型计算题带电粒子在电场中运动与在磁场中运动的最显著差别带电粒子在电场中运动与在磁场中运动的最显著差别带电粒子垂直射入匀强电场做类平抛运动，而垂直射入匀强磁场作匀速圆周运动。正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题的前提正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题的前提带电粒子在复合场中做什么运动，取决于带电粒子所受的合外力及初始状态的速度，因此应把带电粒子的运动
2、情况和受力情况结合起来进行分析，当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，做匀速直线运动（如速度选择器）。带电粒子所受的重力和电场力等值反向，洛伦磁力提供向心力，带电粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动带电粒子所受的合外力是变力，且与初速度方向不在一条直线上，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子的运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线，由于带电粒子可能连续通过几个情况不同的复合场区，因此粒子的运动情况也发生相应的变化，其运动过程可能由几种不同的运动阶段组成灵活选用力学规律是解决问题的关键灵活选用力学规律是解决问题的关键当带电粒子在复合场中做匀速运动时，应根据平衡条件列方程求解当带电粒子在复合场中做匀速圆周
3、运动时往往应用牛顿第二定律和平衡条件列方程联立求解当带电粒子在复合场中做非匀变 速曲线运动时，应选用动能定理或能量守恒定律列方程求解说明说明：由于带电粒子在复合场中受力情况复杂，运动情况多变，往往出现临界问题，这时应以题目中的“恰好”、“最大”、“最高”、“至少”等词语为突破口，挖掘隐含条件，根据临界条件列出辅助方程，再与其他方程联立求解2、带电体在磁场中的临界问题的处理基本思路、带电体在磁场中的临界问题的处理基本思路（1）画轨迹：即画出运动轨迹，并确定圆心，用几何方法求半径（2）找联系：轨道半径与磁感应强度、运动速度相联系，偏转角度与圆心角、运动时间相联系，在磁场中运动的时间与周期相联系（3
4、）用规律：即牛顿第二定律和圆周运动的规律，特别是周期公式、半径公式-第 3 页3、带电粒子在有界磁场中运动的几种常见情形、带电粒子在有界磁场中运动的几种常见情形（1）直线边界(进出磁场具有对称性，如图所示)（2）平行边界(存在临界条件，如图所示)（3）圆形边界(沿径向射入必沿径向射出，如图所示)4、带电粒子在匀强磁场中的运动、带电粒子在匀强磁场中的运动找圆心、求半径、确定转过的圆心角的大小是解决这类问题的前提，确定轨道半径和给定的几何量之间的关系是解题的基础，建立运动时间 t 和转过的圆心角之间的关系是解题的关键（1）圆心的确定）圆心的确定已知入射点、出射点、入射方向和出射方向时，可通过入射点
5、和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线，两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图 10 甲所示，图中 P 为入射点，M 为出射点)已知入射方向、入射点和出射点的位置时，可以通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨迹的圆心(如图乙所示，P 为入射点，M 为出射点)（2）半径的确定）半径的确定可利用物理学公式或几何知识(勾股定理、三角函数等)求出半径大小（3）运动时间的确定运动时间的确定：电荷在匀强电场和匀强磁场中的运动规律不同运动电荷穿出有界电场的时间与其入射速度的方向和大小有关，而穿出有界磁场的时间则与电荷在磁场中的运动周期有关在解题过程中灵活
6、运用运动的合成与分解和几何关系是解题关键；粒子在磁场中运动一周的时间为 T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为时，其运动时间表示为：Tt2(或vRt)真题研究真题研究1(2015 浙江 9 月 23 题)某科研小组设计了一个粒子探测装置。如图 1 所示，一个截面半径为 R 的圆筒(筒长大于 2R)水平固定放置，筒内分布着垂直于轴线的水平方向匀强磁场，磁感应强度大小为 B。图 2 为圆筒的入射截面，图 3 为竖直方向过筒轴的切面。质量为 m，电荷量为 q 的正离子以不同的初速度垂直于入射截面射入筒内。圆筒内壁布满探测器，可记录粒子到达筒壁的位置。筒壁上的 P 点和 Q 点与入射面的距离分别为 R
7、和 2R。(离子碰到探测器即被吸收，忽略离子间的相互作用)(1)离子从 O 点垂直射入，偏转后到达 P 点，求该入射离子的速度 v0；-第 4 页(2)离子从 OC 线上垂直射入，求位于 Q 点处的探测器接收到的离子的入射速度范围；(3)若离子以第(2)问求得范围内的速度垂直入射，从入射截面的特定区域入射的离子偏转后仍能到达距入射面为 2R 的筒壁位置，画出此入射区域的形状并求其面积。2(2016浙江4月22题)如图为离子探测装置示意图。区域 I、区域长均为 L，高均为 H。区域 I 可加方向竖直向下、电场强度为 E 的匀强电场；区域可加方向垂直纸面向里、磁感应强度为 B 的匀强磁场，区域的右
8、端紧贴着可探测带电粒子位置的竖直屏。质子束沿两板正中间以速度v=1.0l05m/s水平射入，质子荷质比近似为qm=1.0l08C/kg。(忽略边界效应，不计重力)(1)当区域 I 加电场、区域不加磁场时，求能在屏上探测到质子束的外加电场的最大值 Emax；(2)当区域 I 不加电场、区域加磁场时，求能在屏上探测到质子束的外加磁场的最大值 Bmax；(3)当区域 I 加电场 E 小于(1)中的 Emax，质子束进入区域和离开区域的位置等高，求区域中的磁场 B 与区域 I 中的电场 E 之间的关系式。3(2016 浙江 10 月 23 题)如图所示，在 x 轴的上方存在垂直纸面向里，磁感应强度大小
9、为 B0的匀强磁场，位于 x 轴下方离子源 C 发射质量为 m、电荷量为 q 的一束负离子，其初速度大小范围为 0 3v0.这束离子经电势差为 Umv202q的电场加速后，从小孔 O(坐标原点)垂直 x 轴并垂直磁场射入磁场区域，最后打到 x 轴上在 x 轴上 2a3a 区间水平固定放置一探测板(amv0qB0)假设每秒射入磁场的离子总数为 N0，打到 x 轴上的离子数均匀分布(离子重力不计)(1)求离子束从小孔 O 射入磁场后打到 x 轴的区间；(2)调整磁感应强度的大小，可使速度最大的离子恰好打在探测板的右端，求此时的磁感应强度大小 B1；(3)保持磁感应强度 B1不变，求每秒打在探测板上
10、的离子数 N；若打在板上的离子 80%被板吸收，20%被反向弹回，弹回速度大小为打板前速度大小的倍，求探测板受到的作用力大小解析解析：(1)对于初速度为 0 的粒子：qU12mv21r1mv1qB0a恰好打在 x2a 的位置对于初速度为3v0的粒子：qU12mv2212m(3v0)2r2mv2qB02a，恰好打在 x4a 的位置-第 5 页打在 x 轴上的区间为2a，4a(2)由动能定理：qU12mv2212m(3v0)2r3mv2qB1r332a解得：B143B0(3）离子束能打到探测板的实际范围为23axa,对应的速度范围为00324vvv每秒打在探测板上的离子数为000000422323
11、vvNNNvv根据动量定理吸收的离子受到板的作用力大小反弹的离子受到板的作用力大小根据牛顿第三定律，探测板受到的作用力大小005645FN mv【答案】（1）24axa；（2）1034BB（3）005645FN mv4(2017 浙江 4 月 23 题)如图所示，在 xoy 平面内，有一电子源持续不断地沿 x 正方向每秒发射出 N 个速率均为 v 的电子，形成宽为 2b，在 y 轴方向均匀分布且关于 x 轴对称的电子流。电子流沿 x 方向射入一个半径为 R，中心位于原点 O 的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直xoy 平面向里，电子经过磁场偏转后均从 P 点射出。在磁场区域的正下方有一对平行于 x
12、 轴的金属平行板 K 和 A，其中 K 板与 P 点的距离为 d，中间开有宽度为 2l 且关于 y 轴对称的小孔。K 板接地，A 与 K 两板间加有正负、大小均可调的电压 UAK，穿过 K 板小孔达到 A 板 的 所 有 电 子 被 收 集 且 导 出，从 而 形 成 电 流，已 知32bRdl，电子质量为 m，电荷量为 e，忽略电子间相互作用。（1）求磁感应强度 B 的大小；（2）求电子流从 P 点射出时与负 y 轴方向的夹角的范围；（3）当 UAK=0 时，每秒经过极板 K 上的小孔到达板 A 的电子数；（4）画出电流 i 随 UAK变化的关系曲线（在答题纸的方格纸上）。【解析】由题意可以
13、知道是磁聚焦问题，即轨到半径：r=ReRmvB 由图以及几何关系可知，上端电子从 P 点射出时与负 y 轴最大夹角m，由几何关系：-第 6 页同理下端电子从 p 点射出与负 y 轴最大夹角也是 600范围是oo6060每秒进入两极板间的电子数为 n82.036byNnn(4)有动能定理得出遏止电压221mveUc与负 y 轴成 450角的电子的运动轨迹刚好与 A 板相切，其逆过程是类平抛运动，达到饱和电流所需要的最小反向电压241mveU或者根据（3）可得饱和电流大小Nei82.0max5【2016浙江卷】为了进一步提高回旋加速器的能量，科学家建造了“扇形聚焦回旋加速器”。在扇形聚焦过程中，离
14、子能以不变的速率在闭合平衡轨道上周期性旋转。扇形聚焦磁场分布的简化图如图所示，圆心为 O 的圆形区域等分成六个扇形区域，其中三个为峰区，三个为谷区，峰区和谷区相间分布。峰区内存在方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 B，谷区内没有磁场。质量为 m，电荷量为 q 的正离子，以不变的速率 v 旋转，其闭合平衡轨道如图中虚线所示。（1）求闭合平衡轨道在峰区内圆弧的半径 r，并判断离子旋转的方向是顺时针还是逆时针；（2）求轨道在一个峰区内圆弧的圆心角，及离子绕闭合平衡轨道旋转的周期 T；（3）在谷区也施加垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 B，新的闭合平衡轨道在一个峰区内的圆心角变为 90，求
15、B 和 B 的关系。已知：sin（）=sincoscossin，cos=122sin2（3）谷区内的圆心角1209030谷区内的轨道圆弧半径mvrqB来源:学.科.网 Z.X.X.K由几何关系sinsin22rr-第 7 页由三角关系3062sin=sin15=24代入得3 12BB6(2014浙江卷，25)离子推进器是太空飞行器常用的动力系统 某种推进器设计的简化原理如图甲所示，截面半径为 R 的圆柱腔分为两个工作区 为电离区，将氙气电离获得 1 价正离子；为加速区，长度为 L，两端加有电压，形成轴向的匀强电场 区产生的正离子以接近 0 的初速度进入区，被加速后以速度 vM从右侧喷出区内有轴
16、向的匀强磁场，磁感应强度大小为B，在离轴线R2处的C点持续射出一定速率范围的电子 假设射出的电子仅在垂直于轴线的截面上运动，截面如图乙所示(从左向右看)电子的初速度方向与中心 O 点和 C 点的连线成角(0R0)圆形匀强磁场，磁场的磁感应强度的大小为B2，方向垂直于纸面向外，两磁场区域成同心圆，此时该离子源从圆心出发的粒子都能回到圆心，求 R1的最小值和粒子运动的周期 T。【解析】(1)粒子离开出发点最远的距离为轨道半径的 2 倍，即 R02r由 qvBmv2r得 vqBR02m(2)磁场的大小变为B4后，粒子的轨道半径为 r1mvqB14mvqB2R0根据几何关系可以得到，当弦最长时，运动的
17、时间最长，弦为 2R0时，圆心角为 60，有 t60360T4m3qB(3)根据矢量合成法则，叠加区域的磁感应强度的大小为B2，方向向里，以 R0为半径的区域外磁感应强度的大小为B2，方向向外。粒子运动的半径为 R0。根据对称性画出情境图，由几何关系可得 R1的最小值为(31)R0T3564mqB228m3qB3如图所示，在以 O1点为圆心、r 为半径的圆形区域内，存在着方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B=1.010-3的匀强磁场（图中未画出）。圆的左端跟 y 轴相切于直角坐标系原点 O,右端与一个足够大的荧光屏 MN 相切于 x 轴上的 A 点，-第 11 页粒子源中，有带正电的粒子（比荷
18、为kgCmq/10110)不断地由静止进入电压 U=800V 的加速电场经加速后，沿 x 轴正方向从坐标原点 O 射入磁场区域，粒子重力不计。（1）求粒子在磁场中做圆周运动的半径、速度偏离原来方向的夹角的正切值。（2）以过坐标原点 O 并垂直于纸面的直线为轴，将该圆形磁场逆时针缓慢旋转 90，求在此过程中打在荧光屏 MN 上的粒子到 A 点的最远距离。【解析】（1）带电粒子在电场中加速，由动能定理得进入磁场后做圆周运动，洛伦兹力提供向心力联立解得设速度偏离原来方向的夹角为，由几何关系得故速度偏离原来方向的夹角正切值（2）以 O 点为圆心，OA 为半径做圆弧 AC 交 y 轴于 C 点；以 C
19、点为圆心，CO 为半径作出粒子运动的轨迹交弧 AC 于 D 点。粒子在磁场中运动的最大圆弧弦长 OD2r04 m由几何关系可知最 远 距 离代 入 数 据 可 得4如图，质量 m=1103kg、带电量 q=1102C 的带电粒子从竖直放置的两电容器极板 AB 之间贴着 A 极板以速度 vx=4m/s 平行极板飞入两极板间，恰从极板 B 上边缘 O 点飞出，已知极板长，极板间距电容器极板上方有宽度为的区域被平均分为区域、，其中、有匀强磁场，它们的磁感强度大小相等，均垂直纸面且方向相反，O 为 DC 边中点，P 为 DC 边中垂-第 12 页线上一点，带电粒子从 O 点离开电场，之后进入磁场，运动
20、轨迹刚好与区域的右边界相切，不计粒子的重力求：（1）该电容器极板 AB 所加电压 U 大小；（2）匀强磁场的磁感应强度大小 B；（3）若现在、区域所加磁感应强度大小 B=2T，粒子射入 O 点后经过 3 次偏转打到 P 点，则 OP的距离为多少？【解析】（1）在 AB 极板间类平抛，L=vxt代入数据有：（2）设粒子出极板后速度大小为 v，与水平夹角所以：进入右边磁场恰与右边界相切，设在磁场中圆运动半径为 r故有：解得：对粒子：所以：代入数据得：B=1T（3）当 B=2T 时，粒子射入 O 点后经过 3 次偏转打到 P 点故有：OP=5科研人员利用电场和磁场控制带电粒子的运动，从而来进行粒子分
21、选，其原理如图所示：真空环境中，由 a、b、c、d 四个平行界面分隔出的、三个区域，宽度均为m12.0L。让包含两种不同的 带 正 电 粒 子 组 成 的 粒 子 束，从 界 面 a 上 的 P 点 以 速 度m/s10520v垂直界 面射入区域，两种 粒子带电量 均为-第 13 页C1016q，质量分别为1013 10mkg 和1024 10mkg。若在区域和分别加上垂直纸面、方向相反、磁感应强度大小均为T1B的匀强磁场，粒子能分成两束从界面 d 出射；若在区域和分别加上与界面平行、方向相反的匀强电场，粒子也能分成两束从界面 d 出射。不计粒子重力。（1）求加磁场时两种粒子在界面 d 上出射
22、点之间的距离（2）若加电场时两种粒子在界面 d 上出射点之间的距离与加磁场时相等，求电场强度的大小粒子 1 在区域 I 中的偏移量111(1 cos)0.06yrm 粒子 1 在区域 II 中的偏移量11tan0.16yLm粒子 1 在区域 III 中的偏移量110.06yym所以粒子 1 的总偏移量10.060.160.060.28ym粒子 2 在区域 I 中的偏移量222(1 cos)0.04yrm 粒子 2 在区域 II 中的偏移量22tan0.09yLm 粒子 2 在区域 III 中的偏移量220.04yym所以粒子 2 的总偏移量20.040.090.040.17ym二者的出射点之间
23、的距离1120.11Yyym（2）当在区域 I、III 加如图所示的反向电场时，两种粒子的轨迹如图，两种粒子在区域 I 中均作类平抛，但偏移量不同，在区域 II 中均作斜向的匀速直线运动，进入区域 III 做反类平抛运动，然后均垂直边界 d 出射。粒子 1 在区域 I 中：0Lv t223211 0122qEqELytmmv 粒子 1 在区域 II 中有：23321 02qELyymv（或者2121 0yqELyv tmv）-第 14 页粒子 1 在区域 III 中有：23321 02qELyymv粒子 1 的总偏移量有：2333321 02qELyyyymv同理，粒子 2 的总偏移量有：24
24、44422 02qELyyyym v二者的出射点之间的距离解得：23275101.1458 10/24EVm6【2016四川卷】如图所示，图面内有竖直线 DD，过 DD且垂直于图面的平面将空间分成 I、II 两区域。区域 I 有方向竖直向上的匀强电场和方向垂直图面的匀强磁场 B（图中未画出）；区域 II 有固定在水平面上高2hl、倾角/4的光滑绝缘斜面，斜面顶端与直线 DD距离4sl，区域 II 可加竖直方向的大小不同的匀强电场（图中未画出）；C 点在DD上，距地面高3Hl。零时刻，质量为 m、带电量为 q 的小球 P 在 K 点具有大小0vgl、方向与水平面夹角/3的速度。在区域 I 内做半
25、径3/rl的匀速圆周运动，经 C 点水平进入区域 II。某时刻，不带电的绝缘小球 A 由斜面顶端静止释放，在某处与刚运动到斜面的小球 P 相遇。小球视为质点，不计空气阻力及小球 P 所带电量对空间电磁场的影响。l 已知，g 为重力加速度。（1）求匀强磁场的磁感应强度 B 的大小；（2）若小球 A、P 在斜面底端相遇，求释放小球 A 的时刻 tA；（3）若小球 A、P 在时刻/tl g（为常数）相遇于斜面某处，求此情况下区域 II 的匀强电场的场强 E，并讨论场强 E 的极大值和极小值及相应的方向。-第 15 页小球 A 释放后沿斜面运动加速度为 aA，与小球 P 在时刻 t1相遇于斜面底端，有
26、sinAmgma联立以上方程可得(32 2)Altg（3）设所求电场方向向下，在 tA时刻释放小球 A，小球 P 在区域运动加速度为 aP，有联立相关方程解得2(11)(1)mgEq对小球 P 的所有运动情形讨论可得35由此可得场强极小值为min0E；场强极大值为max78mgEq，方向竖直向上。7【2015山东】如图所示，直径分别为 D 和 2D 的同心圆处于同一竖直面内，O 为圆心，GH 为大圆的水平直径。两圆之间的环形区域（区）和小圆内部（区）均存在垂直圆面向里的匀强磁场。间距为 d 的两平行金属极板间有一匀强电场，上极板开有一小孔。一质量为 m，电量为+q 的粒子由小孔下方 d/2 处
27、静止释放，加速后粒子以竖直向上的速度 v 射出电场，由点紧靠大圆内侧射入磁场。不计粒子的重力。（1）求极板间电场强度的大小；（2）若粒子运动轨迹与小圆相切，求区磁感应强度的大小；（3）若区，区磁感应强度的大小分别为 2mv/qD，4mv/qD，粒子运动一段时间后再次经过 H 点，求这段时间粒子运动的路程。-第 16 页【解析】（1）粒子在电场中，根据动能定理：2122dEqmv，解得2mvEqd（3）若区域的磁感应强度为12mvBqD，则粒子运动的半径为112mvDRqB；区域的磁感应强度为24mvBqD，则粒子运动的半径为224mvDRqB；设粒子在区和区做圆周运动的周期分别为 T1、T2，
28、由运动公式可得：据题意分析，粒子两次与大圆相切的时间间隔内，运动轨迹如图所示，根据对称性可知，区两段圆弧所对的圆心角相同，设为1，区内圆弧所对圆心角为2，圆弧和大圆的两个切点与圆心 O 连线间的夹角设为，由几何关系可得：1120o；2180o；60o粒子重复上述交替运动回到 H 点，轨迹如图所示，设粒子在区和区做圆周运动的时间分别为 t1、t2，可得：1112360360tToo；222360360tToo设粒子运动的路程为 s，由运动公式可知：s=v(t1+t2）联立上述各式可得：sD8【2015天津】现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。在真空中存在着如图所示的多层紧密相邻的匀强
29、电场和匀强磁场，电场和磁场的宽度均为 d。电场强度为 E，方向水平向右；磁感应强度为 B，方向垂直纸面向里。电场、磁场的边界互相平行且与电场方向垂直，一个质量为 m、电荷量为 q 的带正电粒子在第 1 层电场左侧边界某处由静止释放，粒子始终在电场、磁场中运动，不计粒子重力及运动时的电磁辐射。（1）求粒子在第 2 层磁场中运动时速度2v的大小与轨迹半径2r（2）粒子从第 n 层磁场右侧边界穿出时，速度的方向与水平方向的夹角为n，试求 sinn（3）若粒子恰好不能从第 n 层磁场右侧边界穿出，试问在其他条件不变的情况下，也进入第 n 层磁场，但比荷较该粒子大的粒子能否穿出该层磁场右侧边界，请简要推
30、理说明之。【解析】（1）粒子在进入第 2 层磁场时，经两次电场加速，中间穿过磁场时洛伦兹力不做功，由动能定-第 17 页理，有：22212mvqEd 解得：mqEdv22粒子在第 2 层磁场中受到的洛伦兹力充当向心力，有：2222rvmBqv联立解得：qmEdBr22由图根据几何关系可以得到：drrnnnnsinsin联立可得：drrnnnn11sinsin由此可看出11sinr，22sinr，nnrsin为一等差数列，公差为 d，可得：dnrrnn1sinsin11当 n=1 时，由下图可看出：dr11sin联立可解得：mEnqdBn2sin9“太空粒子探测器”是由加速装置、偏转装置和收集装
31、置三部分组成的，其原理可简化如下：如图所示，辐射状的加速电场区域边界为两个同心圆，圆心为 O，外圆的半径，电势，内圆的半径，电势，内圆内有磁感应强度大小、方向垂直纸面向里的匀强磁场，收集薄板 MN 与内圆的一条直径重合，收集薄板两端 M、N 与内圆间各存在狭缝假设太空中漂浮着质量、电荷量的带正电粒子，它们能均匀地吸附到外圆面上，并被加速电场从静止开始加速，进入磁场后，发生偏转，最后打在收集薄板 MN 上并被吸收(收集薄板两侧均能吸收粒子)，不考虑粒子相互间的碰撞和作用(1)求粒子刚到达内圆时速度的大小；(2)以收集薄板 MN 所在的直线为 轴建立如图的平面直角坐标系 分析外圆哪些位置的粒子将在
32、电场和磁场中做周期性运动指出该位置并求出这些粒子运动一个周期内在磁场中所用时间因为 r=R2，所以由几何关系可知，从收集板左端贴着收集板上表面进入磁场的粒子在磁场中运动 圆周后，射出磁场，进入电场，在电场中先减速后反向加速，并返回磁场，如此反复的周期运动。其运动轨迹如图所示。则在磁场中运动的时间为 T。-第 18 页解得：粒子进入电场的四个位置坐标分别为（0,2m）,（2m,0）,（0,-2m）,（-2m,0）10如图所示为一人工转变核反应探测仪，装置有粒子源、粒子加速区、核反应区和粒子探测区四部分组成。粒子源可以单位时间发射出N=1015个粒子，其初速度为v3107m/s，随后又进入电压为U
33、7106V 的加速电场，从电场中射出后与静止在反应区 A 点的铍核B94发生核反应，两个反应产物经 EF 垂直边界飞入探测区，探测区有一圆形磁场和粒子探测器，圆形磁场半径为 R=15m，其内存在磁感应强度为 B 的的匀强磁场，圆形磁场边界与 EF 相切，探测器与 EF 平行距圆心距离为 dm。实验中根据碰撞点的位置便可分析核反应的生成物。为简化模型，假设粒子均可与铍核发生核反应，实验中探测器上有两个点（P 点和Q 点）持续受到撞击，AOP 在一直线上，且PQ=1532m，打在P 点粒子50%穿透探测器，50%被探测器吸收，其中穿透的粒子能量损失 75%，打在Q 点的粒子全部被吸收。已知质子和中
34、子的质量均为m1027kg，原子核的质量为核子的总质量，如粒子的质量为 m4m6.410-27，质子电量为e=1.610-19C，不计粒子间相互作用（核反应过程除外）求（1）粒子射出加速电场后的速度为多少；（2）打在Q 点的是什么粒子；打在Q 粒子的速度为多少；（3）探测器上单位时间受到的撞击力为多少。【解析】（1）根据动能定理可得：220112(4)(4)22Uem vm v（1 分）则74 10vm/s（2 分）（2）由于打在 P 点的粒子在磁场中不偏转，故此粒子不带电，因此打在 Q 点的粒子为 6e，因此为126C,核反应方程为491122406HeBnC，打在 P 点为中子1 分对于碳
35、核，在磁场中偏转，由几何关系得：tan3PQPO，060则3tan23Rr，0.4r m（1 分）-第 19 页由126CmvrBe得71 10 m/scv （1 分）（3）根据动量守恒可得：412Cnmvmvmv，得74 10 m/snv（1 分）P 点，对于吸收的中子，由动量定理得：150%nF tmv 510.50.53.2 10nnmFvNmvtN，方向向上（1 分）对于穿透的中子，由动量定理得150%(0.5)nnF tm vv 520.250.251.6 10nnmFvNmvtN，方向向上1 分Q 点，对于吸收的 C 粒子由动量定理得：2cFtmv 421.92 10CmFvtN方
36、向斜向上，与板成 300（1 分）因此探测器受到竖直方向的合力为：41.44 10yFN，竖直向上探测器受到水平方向的合力为：440.96 3 10 N1.66 10 NxF，竖直向上（1 分）因此探测器上单位时间受到的撞击力为：2242.2 10 NXyFFF（写出 x，y 分量也可）11位于竖直平面内的粒子探测器装置如图所示C、G 两点位于 x 轴上，A、D 两点位于 y 轴上，ACO=30，AO 的长度为 d，AOC 区域内有垂直纸面的匀强磁场（图中未画出），矩形 ODFG 区域内有与 y 轴平行的匀强电场（图中未画出），其电场强度的大小及方向均可调节，已知 DF 的长度为 2d，FG
37、的长度为3d，在匀强电场右侧有一长度为43d 的粒子接收器，它与 y 轴平行放置，与 FG 的距离为 d，且上边缘恰好在 DF 的延长线上一质量为 m，电荷量为 q 的带正电的粒子以速度 v 垂直 x 轴射入磁场，且离开磁场时速度与 y 轴垂直，其运动轨迹与 AC边相切，不计粒子重力（1）判断AOC 区域内的磁场方向并求出磁感应强度的大小 B；（2）若粒子最终打在接收器的上边缘，求粒子从射入磁场到打在接收器上所用的时间，并求出在这种情况下矩形 ODFG 区域内电场强度的大小 E0；-第 20 页（3）若粒子刚进入电场时，将电场强度大小调节为 E，方向沿 y 轴正方向，当粒子的横坐标为 d 时，
38、电场强度突然反向，大小变为原来的一半，要使粒子打在接收器上，求电场强度 E 的大小范围【解析】（1）带正电的粒子以速度 v 垂直 x 轴射入磁场，且离开磁场时速度与 y 轴垂直，其运动轨迹与 AC 边相切，因为ACO=30，AO 的长度为 d，所以，由图可知，粒子进入磁场时，洛伦兹力作为向心力，方向水平向右；由带正电的粒子速度方向竖直向上，根据左手定则，可知磁场方向为垂直纸面向外；因为洛伦兹力作为向心力，所以，所以，；（2）由（1）可知，粒子在磁场中运动时间；然后粒子在电场中做类平抛运动；因为粒子最终打在接收器的上边缘，所以电场力竖直向上，在电场中粒子运动时间；在电场中，粒子受到的电场力 F=
39、qE0，所以，加速度，粒子离开磁场时，水平速度 vx=v，y 轴坐标；粒子离开磁场做匀速直线运动打在接收器的上边缘，因为粒子接收器，它与 y 轴平行放置，与 FG 的距离为 d，所以，粒子在这段路程运动的时间，纵向位移；所以粒子从射入磁场到打在接收器上所用的时间；所以，；（3）根据运动的合成分解原理，可知，改变纵向电场的大小和方向时，粒子的水平运动不变，所以，有粒子进入电场时，所在位置为，-第 21 页在 0 xd 时，粒子受到竖直向上的电场力 F1=qE，所以，在 x=d 时，粒子的竖直速度=，竖直位移；在 dx2d 时，粒子受到竖直向下的电场力，所以，在 x=2d 时，粒子的竖直速度，竖直
40、位移 y2=；在 2dx3d 时，粒子做匀速直线运动，所以，在 x=3d 时，竖直位移；要使粒子打在接收器上，则，所以，12如图所示，真空室内有一个点状的粒子放射源 P，它向各个方向发射粒子（不计重力），速率都相同ab 为 P 点附近的一条水平直线（P 到直线 ab 的距离 PC=L），Q 为直线 ab 上一点，它与 P 点相距PQ=（现只研究与放射源 P 和直线 ab 同一个平面内的粒子的运动），当真空室内（直线 ab 以上区域）只存在垂直该平面向里、磁感应强度为 B 的匀强磁场时，水平向左射出的粒子恰到达 Q 点；当真空室（直线 ab 以上区域）只存在平行该平面的匀强电场时，不同方向发射的
41、粒子若能到达 ab 直线，则到达 ab 直线时它们动能都相等，已知水平向左射出的粒子也恰好到达 Q 点（粒子的电荷量为+q，质量为 m；）求：（1）粒子的发射速率；（2）匀强电场的场强大小和方向；（3）当仅加上述磁场时，能到达直线 ab 的粒子所用最长时间和最短时间的比值【解析】（1）设粒子做匀速圆周运动的半径 R，过 O 作 PQ 的垂线交 PQ 于 A 点，如图所示，由几何知识可得：，代入数据可得 粒子轨迹半径：,-第 22 页洛仑磁力提供向心力：，解得 粒子发射速度为：；（3）真空室只加磁场时，圆弧和直线 ab 相切于 D 点，粒子转过的圆心角最大，运动时间最长，如图所示则：，最大圆心角
42、：，最长时间：，13如图所示，OPQ 是关于 y 轴对称的四分之一圆在 PQMN 区域有均匀辐向电场，PQ 与 MN 间的电压为 U。一初速度为零的带正电的粒子从 PQ 上的任一位置经电场加速后都会从 O进入半径为 R、中心位于坐标原点 O 的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直 xOy 平面向外，大小为 B，粒子经磁场偏转后都能平行于 x 轴射出。在磁场区域右侧有一对平行于 x 轴且到 x 轴距离都为 R 的金属平行板 A 和 K，金属板长均为 4R，其中K 板接地，A 与 K 两板间加有电压 UAK0，忽略极板电场的边缘效应。已知金属平行板左端连线与磁场圆相切，O在 y 轴上。(1)求带电粒子的
43、比荷 q/m(2)求带电粒子进入右侧电场时的纵坐标范围；(3)若无论带电粒子从 PQ 上哪个位置出发都能达到 K 板上，则电压 UAK至少为多大？【解析】（1）由动能定理可知：212qUmv1 分由已知条件可知，带电粒子在磁场中运动的半径 R0=R20vqvBmR1 分得：222qUmB R1 分（2）沿 QN 方向入射的带电粒子，在磁场中做圆周运动的圆心为 O1，对应的圆心角为 135，离开磁场的出射点 a 在OxyOMNPQBAKUEO1O2ab-第 23 页y 轴上的投影与 O的距离为：22yRR a 点的纵坐标：22ayR同理可得，沿 PM 方向入射的带电粒子离开 磁场的出射点 b的纵
44、坐标22byR 1 分带电粒子进入电场时的坐标范围22R22R（3）只要沿 QN 方向入射的带电粒子打在 K 板上，则从其它位置入射也一定打在 K 板上，则在电场中2AKUER1 分FqEma1 分22122yRRat1 分应满足4Rvt1 分得224AKUU1 分14如图所示，圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场 B，A 为磁场边界上的一点，有大量完全相同的带电粒子平行纸面向各个方向以相同的速度大小 v 通过 A 点进入磁场，最后这些粒子从右侧圆弧 AC 上射出磁场区域（有粒子从 C 点射出）。AC 圆弧的弧长是圆周长的 1/3，不计粒子之间的相互作用，粒子的质量为 m，电量为 q，求：（1）圆形
45、磁场区域的半径 R；（2）粒子在磁场中运动轨迹的最大长度；（3）若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为 E 的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，C 点射出的粒子动最大，求最大动能 Ek【解析】（1）当轨道半径小于或等于磁场区半径时，粒子射出圆形磁场的点离入射点最远距离为轨迹直径如图一所示，当粒子从 1/3 圆周射出磁场时，粒子在磁场中运动的轨道直径为 AB-第 24 页粒子都从圆弧 AB 之间射出，根据几何关系可得轨道半径cosrR30，解得32rR粒子在磁场中做圆周运动2vBqvmr解得2 33mvRBq（2）带电粒子在磁场中运动的半径不变，粒子在磁场中运动的最大实际为图乙轨迹
46、 1 所对应的轨迹长度最大，故22mvsrBq（3）把磁场撤去，加平行于纸面的电场，从 A 点射入的粒子，从 B 点离开时动能最大，说明电场线的方向沿半径 OB 方向，根据动能定理：21302 cos2kEEvrmq 代入解得：2132kEmvEmvB15如图所示，一足够大的光滑绝缘水平桌面上建一直角坐标系 xOy，空间存在垂直桌面向下的匀强磁场。一带电小球 A（可视为质点）从坐标原点 O 以速度 v 沿着轴正方向向射，沿某一轨迹运动，从（0，d）坐标向左离开第 I 象限。若球 A 在第 I 象限的运动过程中与一个静止、不带电的小球 B（可视为质点）发生弹性正碰，碰后两球电量均分，不论球 B
47、初始置于何处，球 A 碰后仍沿原轨迹运动。球 A、B 的质量之比为 3:1，不计两球之间的库仑力。（1）判断带电小球 A 的电性；（2）若两球碰后恰好在（-d/2，d/2）坐标首次相遇，求球 B 在第 I 象限初始位置的坐标；（3）若将球 B 置于（d/2，d/2）坐标处，球 A、B 碰后，在球 B 离开第 I象限时撤去磁场，再过时间恢复原磁场，要使得两球此后的运动轨迹没有交点，求t 的最小值。【解析】（1）球 A 带正电荷（2 分）（2）碰撞前后球 A 运动半径 r=d2保持不变d2=m1vqB=m1v1q/2B（1 分）图 1-第 25 页碰后球 A 速度 v1=12v（1 分）弹性正碰，
48、系统动量守恒：m1v=m1v1+m2v2（1 分）且m1m2=31得：v2=3v1=32v（1 分）如图 1 所示，设两球从碰撞位置运动到（d2，d2）半径所夹圆心角是，球 B 比球 A 多转 2，两球角速度之比 1:3,则+2=3（1 分）解得=，所以球 B 被碰时在第一象限的位置为（d2，d2）（1 分）-第 26 页（3）如图 2 所示，球 B 离开第一象限时，两球运动轨迹半径所夹圆心角是 60。磁场消失后，各自沿60图 2vBvA-第 27 页着图中速度方向做匀速直线运动，当磁场恢复后，两球又做匀速圆周运动，且半径相等都是d2。撤去磁场时，两球运动轨迹的圆心位置均为图 3 中的 M 点
49、，恢复磁场，当两球的圆形运动轨迹恰好相切时，t 为最小，此时球 A、B 的圆心位置分别为 N、S。MN：MS=1:3，见图 3，根据几何知识，可得：t=2 7d7v（2 分）16地球同步卫星在运行若干年的过程中，不可能准确地保持初始的位置和速度，需要及时调整，以保证相对地球的位置长期不变。在同步卫星上安装离子推进器，就可以达到上述目标。离子推进器简化的原理示意图如图所示。推进剂在 P处进入，在 S 处电离为一价正离子，后进入电场区加速（加速电压为 U），形成正离子束。在出口处，灯丝 C 发射的电子注入正离子束中。这种高速粒子流喷射出去，可推动卫星运动。（1）通常用铯做为推进剂，已知铯离子荷质比
50、为 q/m 约为 7.5105Ckg-1，加速电压 U，求铅离子通过电场区后的速度大小；（以离子发动机为参考系）（2）若离子发动机每秒喷射出 N=1015个铯离子质量 m=2.2 10-22kg，试求推进器获得的平均推力大小；（3）试解释灯丝 C 发射电子注入正离子束的作用。17如图所示，虚线 MO 与水平线 PQ 相交于 O，二者夹角=30，在 MO 左侧存在电场强度为 E、方向竖直向下的匀强电场，MO 右侧某个区域存在磁感应强度为 B、垂直纸面向里的匀强磁场，O 点处在磁场的边界上，现有一群质量为m、电量为+q的带电粒子在纸面内以速度v（0vEB垂直于 MO 从 O 点射入磁场，所有粒子通