2020高考物理二轮复习专题八磁吃对练含解析.docx

磁场2020年高考必备2015年2016年2017年2018年2019年卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷考点一磁场对电流的作用磁场对运动电荷的作用2418、191818191818201717考点二带电粒子在复合场中的运动141516242525242418考点一磁场对电流的作用磁场对运动电荷的作用命题角度1磁感应强度的矢量性及安培定则的应用高考真题体验对方向1.(多选)(2018全国20)如图,纸面内有两条互相垂直的长直绝缘导线L1、L2,L1中的电流方向向左,L2中的电流方向向上;L1的正上方有a、b两点,它们相对于L2对称.整个系统处于匀强外磁场中,外磁场的磁感应强度大小为B0,方向垂直于纸面向外.已知a、b两点的磁感应强度大小分别为13B0和12B0,方向也垂直于纸面向外.则()A.流经L1的电流在b点产生的磁感应强度大小为712B0B.流经L1的电流在a点产生的磁感应强度大小为112B0C.流经L2的电流在b点产生的磁感应强度大小为112B0D.流经L2的电流在a点产生的磁感应强度大小为712B0答案AC解析设L1在a、b点产生的磁感应强度分别为B1a、B1b,L2在a、b点产生的磁感应强度分别为B2a、B2b,根据安培定则可知,B1a=B1b,方向均垂直纸面向里;B2a=B2b,B2a方向垂直纸面向里,B2b方向垂直纸面向外;根据题意,对a点有,B1a+B2a-B0=-B03.对b点有,B1b-B2b-B0=-B02,联立以上方程解得B1a=B1b=7B012,B2a=B2b=B012,选项A、C正确.2.(2017全国18)如图,在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中,两长直导线P和Q垂直于纸面固定放置,两者之间的距离为l.在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流I时,纸面内与两导线距离均为l的a点处的磁感应强度为零.如果让P中的电流反向、其他条件不变,则a点处磁感应强度的大小为()A.0B.33B0C.233B0D.2B0答案C解析设导线P和Q在a点处产生磁场的磁感应强度B1、B2的大小为B,如图甲所示,两磁感应强度的夹角为60,可知合磁感应强度大小为3B,方向水平向右,所以匀强磁场的磁感应强度B0=3B,方向水平向左;P中的电流反向后,导线P和Q在a点处产生磁场的磁感应强度B1、B2如图乙所示,各自大小仍为B,夹角为120,则其合磁感应强度大小仍为B,方向竖直向上,与原匀强磁场B0合成后,总的磁感应强度大小为B总=233B0,C正确.分析磁场叠加的思路(1)根据安培定则确定通电导线周围磁场的方向,注意分清“电流方向(因)”和“磁场方向(果)”.(2)磁场中每一点磁感应强度的方向为该点磁感线的切线方向.(3)磁感应强度是矢量,多个通电导体产生的磁场叠加时,合磁场的磁感应强度等于各场源单独存在时在该点磁感应强度的矢量和.典题演练提能刷高分1.(多选)已知通电长直导线产生的磁场中某点的磁感应强度满足B=kIr(其中k为比例系数,I为电流强度,r为该点到直导线的距离).现有四根平行的通电长直导线,其横截面积恰好在一个边长为L的正方形的四个顶点上,电流方向如图,其中A、C导线中的电流大小为I1,B、D导线中的电流大小为I2.已知A导线所受的磁场力恰好为零,则下列说法正确的是()A.电流的大小关系为I1=2I2B.四根导线所受的磁场力为零C.正方形中心O处的磁感应强度为零D.若移走A导线,则中心O处的磁场将沿OB方向答案ACD解析导线BCD在导线A处的磁场如图甲所示,根据题意A导线的磁场力为零,则A处的合磁场为零,即2kI2L=kI12L,则I1=2I2,故选项A正确;同理将各点的磁场都画出,可以判断B、D导线处的合磁场不为零,故磁场力不为零,故选项B错误;将各导线在O点的磁场画出,如图乙所示,由于A、C导线电流相等而且距离O点距离相等,则BA=BC,同理BB=BD,即正方形中心O处的磁感应强度为零,故选项C正确;若移走A导线,则磁场BA不存在,由于BB=BD,则此时在O点的磁场只剩下导线C的磁场,而且导线C点磁场方向沿OB方向,即中心O处的磁场将沿OB方向,故选项D正确.甲乙2.如图,同一平面内有两根互相平行的长直导线M和N,通有等大反向的电流,该平面内的a、b两点关于导线N对称,且a点与两导线的距离相等.若a点的磁感应强度大小为B,则下列关于b点磁感应强度Bb的判断正确的是()A.Bb2B,方向垂直该平面向里B.Bb12B,方向垂直该平面向外C.12BBbB,方向垂直该平面向里D.BBb2B,方向垂直该平面向外答案B解析根据右手螺旋定则可知两导线在a点形成磁场方向相同,由于两导线电流大小相等,a点与两导线的距离也相等,故单根导线在a点形成磁感应强度大小为B2.由于a与b到导线N的距离相等,导线N在b点的磁感应强度大小为B2,方向垂直该平面向外;导线M在b点的磁感应强度大小小于B2,且方向垂直该平面向里,故b点磁感应强度小于B2,方向垂直该平面向外,故B正确,ACD错误.故选B.命题角度2安培力及安培力作用下导体的平衡问题高考真题体验对方向1.(2019全国17)如图,等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成,固定于匀强磁场中,线框平面与磁感应强度方向垂直,线框顶点M、N与直流电源两端相接.已知导体棒MN受到的安培力大小为F,则线框LMN受到的安培力的大小为()A.2FB.1.5FC.0.5FD.0答案B解析导体棒MN受到的安培力为F=BIL.根据串、并联电路的特点可知,导体棒ML与LN的电阻之和是导体棒MN电阻的2倍,导体棒MN的电流是导体棒ML与LN电流的2倍,导体棒处在同一磁场中,导体棒ML与LN的有效长度与导体棒MN相同,导体棒ML与LN受到安培力的合力为0.5F.根据左手定则,导体棒ML与LN受到安培力的合力方向与导体棒MN受到的安培力方向相同,线框LMN受到安培力的合力为1.5F,故选B.2.(多选)(2017全国19)如图,三根相互平行的固定长直导线L1、L2和L3两两等距,均通有电流I,L1中电流方向与L2中的相同,与L3中的相反,下列说法正确的是()A.L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直B.L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直C.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为113D.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为331答案BC解析利用同向电流相互吸引,异向电流相互排斥,受力分析如下设任意两导线间作用力大小为F,则L1受合力F1=2Fcos 60=F,方向与L2、L3所在平面平行;L2受合力F2=2Fcos 60=F,方向与L1、L3所在平面平行;L3所受合力F3=2Fcos 30=3F,方向与L1、L2所在平面垂直.故选B、C.3.(2015全国24)如图,一长为10 cm的金属棒ab用两个完全相同的弹簧水平地悬挂在匀强磁场中;磁场的磁感应强度大小为0.1 T,方向垂直于纸面向里;弹簧上端固定,下端与金属棒绝缘.金属棒通过开关与一电动势为12 V的电池相连,电路总电阻为2 .已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5 cm;闭合开关,系统重新平衡后,两弹簧的伸长量与开关断开时相比均改变了0.3 cm.重力加速度大小取10 m/s2.判断开关闭合后金属棒所受安培力的方向,并求出金属棒的质量.答案开关闭合后金属棒所受安培力方向竖直向下金属棒质量为0.01 kg解析依题意,开关闭合后,电流方向从b到a,由左手定则可知,金属棒所受的安培力方向竖直向下.开关断开时,两弹簧各自相对于其原长伸长为l1=0.5 cm.由胡克定律和力的平衡条件得2kl1=mg式中,m为金属棒的质量,k是弹簧的劲度系数,g是重力加速度的大小.开关闭合后,金属棒所受安培力的大小为F=IBL式中,I是回路电流,L是金属棒的长度.两弹簧各自再伸长了l2=0.3 cm,由胡克定律和力的平衡条件得2k(l1+l2)=mg+F由欧姆定律有E=IR式中,E是电池的电动势,R是电路总电阻.联立式,并代入题给数据得m=0.01 kg1.判定通电导体受力及运动趋势的常用方法电流元法分割为电流元安培力方向整段导体所受合力方向运动方向特殊位置法在特殊位置安培力方向运动方向等效法环形电流小磁针条形磁铁通电螺线管多个环形电流结论法同向电流相互吸引,反向电流相互排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法定性分析磁体在电流的磁场中受力情况,可转换为先分析电流在磁体的磁场中受力,然后由牛顿第三定律确定导体受力及运动方向2.安培力作用下导体平衡问题的分析思路(1)选定研究对象:通电导线或导体棒.(2)变三维为二维:画出平面受力分析图,其中安培力的方向,要用左手定则来判断,注意安培力垂直于电流和磁场方向决定的平面.(3)列方程求解:根据力的平衡条件列方程.典题演练提能刷高分1.(2019广东广州模拟)如图所示,两平行光滑金属导轨CD、EF间距为L,与电动势为E0的电源相连,质量为m、电阻为R的金属棒ab垂直于导轨放置构成闭合回路,回路平面与水平面成角,回路其余电阻不计.为使ab棒静止,需在空间施加的匀强磁场磁感应强度的最小值及其方向分别为()A.mgRE0L,水平向右B.mgRcosE0L,垂直于回路平面向上C.mgRtanE0L,竖直向下D.mgRsinE0L,垂直于回路平面向下答案D解析对金属棒受力分析,受重力、支持力和安培力,如图所示.从图可以看出,当安培力沿斜面向上时,安培力最小,故安培力的最小值为:FA=mgsin ,故磁感应强度的最小值为B=FAIL=mgsinIL,根据欧姆定律,有E0=IR,故B=mgRsinE0L,故只有选项D正确.2.如图所示,两个完全相同、所在平面互相垂直的导体圆环P、Q中间用绝缘细线连接,通过另一绝缘细线悬挂在天花板上,当P、Q中同时通有图示方向的恒定电流时,关于两线圈的转动(从上向下看)以及细线中张力的变化,下列说法正确的是()A.P顺时针转动,Q逆时针转动,转动时P与天花板连接的细线张力不变B.P逆时针转动,Q顺时针转动,转动时两细线张力均不变C.P、Q均不动,P与天花板连接的细线和与Q连接的细线张力均增大D.P不动,Q逆时针转动,转动时P、Q间细线张力不变答案A解析根据安培定则,P产生的磁场的方向垂直于纸面向外,Q产生的磁场水平向右,根据同名磁极相互排斥的特点,P将顺时针转动,Q逆时针转动;转动后P、Q两环的电流的方向相同,所以两个线圈相互吸引,中间细线张力减小.由整体法可知,P与天花板连接的细线张力总等于两环的重力之和,大小不变.故A正确,BCD错误.3.据媒体报道,美国海军最早将于2020年实现电磁轨道炮的实战部署,我国在该领域的研究也走在世界的前列.如图所示为电磁轨道炮原理示意图,图中虚线表示电流方向,下列说法正确的是()A.如果电流方向如图中所示,则该电流在两轨道间产生的磁场方向竖直向下B.电流大小一定时,两导轨距离越近,导轨之间的磁场越强C.如果电流反向,炮弹所受安培力也会反向,炮弹将无法发射出去D.要提高炮弹的发射速度,导轨间距越小越好答案B解析根据安培定则,如果电流方向如图中所示,则该电流在两轨道间产生的磁场方向竖直向上,故A项错误;两平行导轨的电流方向相反,在导轨之间产生的磁场方向相同,根据直线电流的磁场分布可知,电流大小一定时,两导轨距离越近,导轨之间的磁场越强,故B项正确;如果电流反向,导轨之间的磁场方向反向,通过炮弹的电流方向反向,炮弹所受安培力方向不变,故C项错误;电流一定时,导轨间距越小磁场越强,但炮弹的“有效长度”也变小,影响安培力的大小,所以导轨间距并不是越小越好,而是要适当,故D项错误.4.一段导线abcde位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中,且与磁场方向(垂直于纸面向里)垂直.线段ab、bc、cd和de的长度均为L,且abc=cde=120,流经导线的电流为I,方向如图中箭头所示.导线段abcde所受到磁场的作用力的合力大小为()A.2BILB.3BILC.(3+2)BILD.4BIL答案B解析因为abc=cde=120,根据几何关系可知bcd=60,故b与d之间的直线距离也为L,则导线段abcde有效长度为3L,故所受安培力的大小为F=3BIL,故ACD错误,B正确.5.(2019山东菏泽模拟)如图所示,水平导轨间距为L=0.5 m,导轨电阻忽略不计;导体棒ab的质量m=1 kg,连入导轨间的电阻R0=0.9 ,与导轨接触良好;电源电动势E=10 V,内阻r=0.1 ,电阻R=4 ;外加匀强磁场的磁感应强度B=5 T,方向垂直于ab,与导轨平面的夹角=53;ab与导轨间的动摩擦因数为=0.5(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力),定滑轮摩擦不计,轻绳对ab的拉力为水平方向,重力加速度g取10 m/s2,ab处于静止状态.已知sin 53=0.8,cos 53=0.6.求:(1)通过ab的电流大小和方向;(2)ab受到的安培力大小;(3)重物重力G的取值范围.答案(1)2 A电流方向为a到b(2)5 N(3)0.5 NG7.5 N解析(1)通过ab的电流大小为I=ER+R0+r=2 A方向为a到b.(2)ab受到的安培力为F=BIL=5 N.(3)对ab受力分析如图所示,最大静摩擦力fm=FN=(mg-Fcos )=3.5 N当最大静摩擦力方向向右时FT=Fsin -fm=0.5 N当最大静摩擦力方向向左时FT=Fsin +fm=7.5 N又FT=G所以0.5 NG7.5 N.命题角度3带电粒子在有界匀强磁场中的圆周运动高考真题体验对方向1.(2019全国17)如图,边长为l的正方形abcd内存在匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面(abcd所在平面)向外.ab边中点有一电子发射源O,可向磁场内沿垂直于ab边的方向发射电子.已知电子的比荷为k,则从a、d两点射出的电子的速度大小分别为()A.14kBl,54kBlB.14kBl,54kBlC.12kBl,54kBlD.12kBl,54kBl答案B解析本题考查带电粒子在有界磁场中的运动.当电子从a点射出时,电子在磁场中运动的半径为ra=14l,而Bqva=mva2ra,即va=Bqram=14kBl;当电子从d点射出时,电子在磁场中运动的半径为rd,如图,根据几何关系得rd2=l2+(rd-l2)2,解得rd=54l,所以,vd=54kBl,B正确,A、C、D错误.2.(2017全国18)如图,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()A.32B.21C.31D.32答案C解析最远的出射点和入射点的连线为粒子在磁场中做匀速圆周运动的直径,如图所示.由几何关系可以得到,当速度为v1入射时,半径R1=R2,当速度为v2入射时,半径R2=32R,再由R=mvqB可得,v2v1=31,故选项C正确.1.处理有界匀强磁场中的临界问题的技巧(1)粒子进入单边磁场时,进、出磁场具有对称性.(2)带电粒子刚好穿出或刚好不穿出磁场的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切.这类题目中往往含有“最大”“最高”“至少”“恰好”等词语,其最终的求解一般涉及极值,但关键是从轨迹入手找准临界状态.当粒子的入射方向不变而速度大小可变时,由于半径不确定,可从轨迹圆的缩放中发现临界点.当粒子的入射速度大小确定而方向不确定时,轨迹圆大小不变,只是位置绕入射点发生了旋转,可从定圆的动态旋转中发现临界点.(3)当速率一定时,粒子运动的弧长越长,圆心角越大,运动时间越长;当速率变化时,圆心角大的,运动时间长.2.带电粒子在圆形匀强磁场区域运动的几个有用结论(1)粒子沿径向射入则沿径向射出.(2)设粒子在磁场中运动轨迹圆半径为R,磁场区域圆半径为r,有以下结论:当Rr时,则入射点和出射点为磁场直径的两个端点时,轨迹对应的速度偏转角最大(所有的弦长中直径最长).当R=r时,保持粒子的入射速率和入射点不变,改变速度的方向,射出圆形磁场后速度方向相同,或以相同速度(速度大小相等方向相同)从不同点射入圆形磁场的粒子汇聚到磁场边界同一点,这称为磁聚焦现象.典题演练提能刷高分1.(2019安徽马鞍山模拟)如图所示,abcd为一正方形边界的匀强磁场区域,磁场边界边长为L,磁场方向垂直边界平面向里.三个粒子以相同的速度从a点沿ac方向射入,粒子1从b点射出,粒子2从c点射出,粒子3从cd边垂直于磁场边界射出,不考虑粒子的重力和粒子间的相互作用.根据以上信息,可以确定()A.粒子1带负电,粒子2不带电,粒子3带正电B.粒子1和粒子3的比荷之比为21C.粒子1和粒子3在磁场中运动时间之比为41D.粒子3的射出位置与d点相距L2答案B解析根据左手定则可知,粒子1带正电,粒子2不带电,粒子3带负电,选项A错误;由几何关系知,粒子1在磁场中的轨迹为四分之一圆周,半径r1=Lsin 45=22L,在磁场中运动时间t1=14T=142r1v=2L4v,粒子3在磁场中的轨迹为八分之一圆周,半径r3=Lsin45=2L,在磁场中运动时间t3=18T=182r3v=2L4v,则t1=t3,选项C错误;由r1r3=12及r=mvqB可知粒子1和粒子3的比荷之比为21,选项B正确;粒子3的射出位置与d点相距(2-1)L,选项D错误.2.(2019山东滕州模拟)如图所示,匀强磁场的边界为直角三角形abc,一束带正电的相同粒子以不同的速度v沿bc方向从b点射入磁场,不计粒子的重力.关于粒子在磁场中的运动情况,下列说法正确的是()A.入射速度越大的粒子,在磁场中的运动时间越长B.入射速度越大的粒子,在磁场中的运动轨迹越长C.从ab边射出的粒子在磁场中的运动时间都相等D.从ac边射出的粒子在磁场中的运动时间都相等答案C解析带电粒子进入磁场中做匀速圆周运动,轨迹半径r=mvqB,速度越大,半径越大,从ac边出射的粒子,速度越大,运动轨迹越短,对应的圆心角越小,根据t=2T和T=2mqB可知,粒子在磁场中的运动时间越短,选项A、B、D错误;从ab边出射的粒子速度的偏向角都相同,而粒子在磁场中做圆周运动的轨迹所对的圆心角等于速度的偏向角,由t=2T可知,粒子在磁场中的运动时间相等,选项C正确.3.(多选)如图所示,在一个等腰直角三角形ACD区域内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.一质量为m、电荷量为q的带正电粒子(不计重力),沿纸面从AC边的中点O垂直于AC边射入该匀强磁场区域,若该三角形的两直角边长均为2l,则下列关于粒子运动的说法中正确的是()A.若该粒子的入射速度为v=qBlm,则粒子一定从CD边射出磁场,且距点C的距离为lB.若要使粒子从CD边射出,则粒子从O点入射的最大速度应为v=2qBlmC.若要使粒子从AC边射出,则粒子从O点入射的最大速度应为v=qBl2mD.粒子以不同大小的速度入射时,在磁场中运动的最长时间为mqB答案ACD解析若粒子的入射速度为v=qBlm,根据洛伦兹力提供向心力可知Bqv=mv2r,解得r=l;根据几何关系可知,粒子一定从CD边上距C点为l的位置离开磁场,选项A正确;根据洛伦兹力提供向心力可知,v=Bqrm,因此半径越大,速度越大.根据几何关系可知,若要使粒子从CD边射出,粒子轨迹与AD边相切时半径最大,由几何关系可知,最大半径满足(rm+l)2=rm2+rm2,解得rm=(2+1)l,则若要使粒子从CD边射出,该粒子从O点入射的最大速度应为v=(2+1)qBlm,选项B错误;若要使粒子从AC边射出,则该粒子从O点入射的最大轨迹半径为12l,因此最大速度应为v=qBl2m,选项C正确;粒子从AC边射出时在磁场中运动的时间最长.粒子运行周期为2mBq,根据几何关系可知,粒子在磁场中偏转对应的最大圆心角为180,故在磁场中运动的最长时间为mqB,选项D正确.4.如图所示,在水平面内存在一半径为2R和半径为R的两个同心圆,半径为R的小圆和半径为2R的大圆之间形成一环形区域.小圆和环形区域内分别存在垂直于水平面、方向相反的匀强磁场.小圆内匀强磁场的磁感应强度大小为B.位于圆心处的粒子源S沿水平面向各个方向发射速率为qBRm的正粒子,粒子的电荷量为q、质量为m,为了将所有粒子束缚在半径为2R的圆形内,环形区域磁感应强度大小至少为()A.BB.45BC.53BD.43B答案C解析粒子在小圆内做圆周运动的半径为r=mvBq=R,由轨迹图可知,粒子从A点与OA成30角的方向射入环形区域,粒子恰好不射出磁场时,轨迹圆与大圆相切,设半径为r,由几何知识可知OAO2=120.由余弦定理可知,(2R-r)2=r2+R2-2Rrcos 120,解得r=35R,由qvB=mv2r,则B=mvqr=5mv3qR=53B,故选C.5.如图所示,在某电子设备中有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B.AC、AD两块挡板垂直纸面放置,夹角为90.一束电荷量为+q、质量为m的相同粒子,从AD板上距A点为L的小孔P处以不同速率垂直于磁场方向射入,速度方向与AD板的夹角为60,不计粒子的重力和粒子间的相互作用.求:(1)直接打在AD板上Q点的粒子,其从P点运动到Q点的时间是多少?(2)直接垂直打在AC板上的粒子,其运动速率是多大?答案(1)2m3qB(2)23qBL3m解析(1)根据已知条件画出粒子的运动轨迹,如图中轨迹所示.粒子打在AD板上的Q点,圆心为O1,由几何关系可知,轨迹对应的圆心角PO1Q=120由洛伦兹力提供向心力,则有qvB=mv2R圆周运动的周期公式T=2Rv联立解得T=2mqB则运动的时间为t=120360T=2m3qB.(2)粒子垂直打到AC板上,运动轨迹如图中轨迹所示.由图可知圆心为O2,APO2=30,设粒子运动的轨迹半径为r,由几何关系得rcos 30=L由洛伦兹力提供向心力得qvB=mv2r解得v=23qBL3m.命题角度4(储备)带电粒子在洛伦兹力作用下运动的多解问题【典题】 (多选)如图所示,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ab=L,MN两侧磁场区域均足够大,则粒子的速率可能是()A.qBL8mB.qBL6mC.qBL2mD.qBLm答案BD解析粒子运动过程只受洛伦兹力作用,故在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,则在右边磁场时有Bvq=mv2R,则粒子在右边磁场中做圆周运动的轨道半径R=mvBq;同理在左边磁场中做圆周运动的半径为R=mv2Bq=R2,作出运动轨迹,如图所示.由几何关系可知,所有圆心角均为60,则图中所有三角形都为等边三角形,若粒子偏转偶数次到达b点,则有L=nR+R2=n3R2(n=2,4,6),解得R=2L3n(n=2,4,6),故速度为v=BqRm=2BqL3nm(n=2,4,6),当n=4时v=BqRm=2BqL34m=BqL6m,故B正确;若粒子偏转奇数次到达b点,则有L=nR+(n-1)R2=R2(3n-1)(n=1,3,5),解得R=2L3n-1(n=1,3,5),故速度为v=BqRm=2BqL(3n-1)m(n=1,3,5),当n=1时v=BqRm=2BqL(31-1)m=BqLm,故D正确.由上分析可知A、C错误,故选B、D.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的多解原因类型分析图例带电粒子电性不确定在相同初速度下,正、负粒子在磁场中运动轨迹不同,形成多解.如图为比荷相同的正、负两粒子以相同速度进入磁场运动的轨迹图a带正电,b带负电磁场方向不确定磁感应强度大小确定,方向不确定而形成的多解.如图,带正电的粒子以速度v垂直进入匀强磁场a为磁场向里,b为磁场向外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,从而形成多解,如图运动具有周期性带电粒子在部分是电场、部分是磁场的空间运动时,运动往往具有往复性,从而形成多解,如图典题演练提能刷高分1.(2019山东安丘模拟)如图所示,在x轴上方存在垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B.在xOy平面内,从原点O处沿与x轴正方向夹角为(00,y0的空间中有恒定的匀强磁场,磁感应强度的方向垂直于xOy平面向里,大小为B.现有一质量为m、电荷量为q的带正电粒子,从x轴上的P点沿着与x轴正方向成30角的方向射入磁场.不计重力的影响,则下列有关说法中正确的是()A.只要粒子的速率合适,粒子就可能通过坐标原点B.粒子在磁场中运动所经历的时间一定为5m3qBC.粒子在磁场中运动所经历的时间可能为mqBD.粒子在磁场中运动所经历的时间可能为m6qB答案C解析带正电的粒子从P点沿与x轴正方向成30角的方向射入磁场中,则圆心在过P点与速度方向垂直的直线上,如图所示.粒子在磁场中要想到达O点,转过的圆心角肯定大于180,因磁场有边界,故粒子不可能通过坐标原点,选项A错误;由于P点的位置不确定,所以粒子在磁场中运动的轨迹圆弧对应的圆心角也不同,最大的圆心角是轨迹圆弧与y轴相切时,即圆心角为300,运动时间为56T.而最小的圆心角是P点在坐标原点时,即圆心角为120,运动时间为13T,而T=2mqB,故粒子在磁场中运动所经历的时间最长为5m3qB,最短为2m3qB,选项C正确,选项B、D错误.3.如图所示,在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、带电量为+q的同种带电粒子.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,其速度立即变为零).现在观察到沿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.求:(1)磁感应强度B的大小;(2)被薄金属板接收的粒子在磁场运动的最短时间与最长时间;(3)若在y轴上另放置一个能接收带电粒子的挡板,使薄金属板P右侧不能接收到带电粒子,求挡板的最小长度.答案(1)mvqx0(2)x03v5x03v(3)(2-3)x0解析(1)设粒子做圆周运动的半径为R.根据牛顿第二定律,得qvB=mv2R,如图甲由几何关系得R=x0,联立解得B=mvqx0.甲 (2)带电粒子在磁场中的运动周期为T,则有T=2Rv;打在P左侧下端的粒子在磁场中运动的时间最短.如图乙.乙 由几何关系可知,打在P左侧下端的粒子在磁场中偏转的角度是1=60,运动的最短时间tmin=1360T,联立解得tmin=x03v;打在P右侧下端的粒子在磁场中运动的时间最长.如图丙.丙由几何关系可知,打在P右侧下端的粒子在磁场中偏转的角度是2=300,运动的最长时间tmax=2360T,联立解得tmax=5x03v.(3)作图得出使薄金属板右侧能接收到带电粒子的运动轨迹中,打在最上面的点的轨迹与打在最下面的粒子的轨迹如图丁,挡板的位置在图中的MN处即可满足题目的要求.丁打在最上面的点:OM=2R=2x0;打在最下面的点:ON=2Rcos 30=3x0;挡板的最小长度L=OM-ON=(2-3)x0.4.如图,x为纸面内的一条直线,P、N是x上的两个点,匀强磁场垂直纸面.两个带电粒子a、b分别从P、N同时开始在纸面内运动.a的初速度垂直x向上,运动轨迹如图中虚线所示,O为圆心,PC是直径,A是圆周上的点;b的初速度方向是纸面内所有可能的方向.已知AO连线垂直x,PO=OC=CN;a的初速度为v;a、b带等量异种电荷,a的质量为b的两倍,a、b间的相互作用力及所受重力不计.(1)求a、b的周期之比;(2)若a、b在A点相遇,求b的速度大小;(3)b的速度小于某个临界值v0时,a、b不可能相遇,求v0的大小.答案(1)21(2)5v(3)2v解析(1)设a质量为m,电量为q,则b质量为0.5m,电量为-q,设磁感应强度为B,带电粒子在磁场中做圆周运动,由qvB=mv2rT=2rv可得T=2mqB由此求得TaTb=21.(2)设a、b由P、N到A的时间分别为ta、tb,由ta=n+14Tatb=ta=n+14Ta=2n+12Tb由此可知,a粒子顺时针转了14周时,b粒子逆时针转了半周,所以NA的长度为粒子b做圆周运动的直径.设a粒子的轨道半径为r;b粒子的速度大小为vb,运动轨道半径为rb.有qvB=mv2r,qBvb=0.5mvb2rb由几何关系有:r2+(3r-r)2=(2rb)2联立解得:vb=5v.(3)假设b粒子的速度vv0时,两粒子能在圆周上的Q点相遇,如图所示,设PQ对应的圆心角为,a粒子由P运动到Q点的时间tPQ=n+2Tab粒子由N运动到Q点的时间tNQ=tPQ=n+2Ta=2n+22Tb由此可知,b运动到Q的过程中,粒子b转过弧长所对应的圆心角为2,则NQ=2rbsin 在NQO中,由正弦定理得NQsin=rsin,又sin =sin 得2rb=rsin,即20.5mvqB=mvqBsin,得v=vsin.又sin r3r-r=12(当NQ与OQ垂直时取等号)于是得到v2v,即v0=2v.考点二带电粒子在复合场中的运动命题角度1带电粒子在复合场中的运动高考真题体验对方向(2017全国16)如图,空间某区域存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向上(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里.三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等,质量分别为ma、mb、mc.已知在该区域内,a在纸面内做匀速圆周运动,b在纸面内向右做匀速直线运动,c在纸面内向左做匀速直线运动.下列选项正确的是()A.mambmcB.mbmamcC.mcmambD.mcmbma答案B解析a做匀速圆周运动,则qE=mag,故ma=qEg;b向右做匀速直线运动,则qE+qvB=mbg,故mb=qE+qvBg;c向左做匀速直线运动,则qE=qvB+mcg,故mc=qE-qvBg.综上mbmamc,选B.带电粒子在复合场中运动问题的分析思路(1)弄清复合场的组成特点.(2)正确分析带电粒子的受力及运动特点.(3)画出粒子的运动轨迹,灵活选择不同的运动规律.(4)注意结论:在无约束面的情况下,若在复合场中粒子做直线运动,则一定是做匀速直线运动,重力、电场力和洛伦兹力的合力为零;若在复合场中粒子做匀速圆周运动,则往往是重力与电场力平衡,洛伦兹力提供做圆周运动的向心力.典题演练提能刷高分1.如图所示的虚线区域内,充满垂直纸面向内的匀强磁场和竖直向上的匀强电场,一带电颗粒A以一定初速度由左边界的O点射入磁场、电场区域,恰好沿水平直线从区域右边界O点穿出,射出时速度的大小为vA,若仅撤去磁场,其他条件不变,另一个相同的颗粒B仍以相同的速度由O点射入并从区域右边界穿出,射出时速度的大小为vB,则颗粒B()A.穿出位置一定在O点上方,vBvAC.穿出位置一定在O点下方,vBvA答案D解析设带电颗粒从O位置飞入的速度为v0,若带电颗粒A带负电,其电场力、重力、洛伦兹力均向下,与运动方向垂直,不可能做直线运动.颗粒A一定为正电荷,且满足mg=Eq+Bqv0,因为做匀速直线运动,故vA=v0.若仅撤去磁场,由于mgEq,带电颗粒B向下偏转,穿出位置一定在O点下方,合力对其做正功,故vBv0,因此vBvA,故D正确,ABC错误.2.(2019广西桂林调研)如图所示,质量为m,带电荷量为+q的液滴,以速度v沿与水平方向成=45角斜向上进入正交的足够大匀强电场和匀强磁场叠加区域,电场强度方向水平向右,磁场方向垂直纸面向里,液滴在场区做直线运动.重力加速度为g,试求:(1)电场强度E和磁感应强度B各多大?(2)当液滴运动到某一点A时,电场方向突然变为竖直向上,大小不改变,不考虑因电场变化而产生的磁场的影响,此时液滴加速度多少?(3)在满足(2)的前提下,液滴从A点到达与A点位于同一水平线上的B点(图中未画出)所用的时间.答案(1)mgq2mgqv(2)2g(3)32v4g解析(1)液滴带正电,液滴受力如图所示,根据平衡条件有Eq=mgtan =mg,qvB=mgcos=2mg解得:E=mgq,B=2mgqv.(2)电场方向突然变为竖直向上,大小不改变,故电场力与重力平衡,洛伦兹力提供向心力,粒子做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律有a=F合m=2g.(3)电场变为竖直向上后,qE=mg,故液滴做匀速圆周运动,由牛顿第二定律得qvB=mv2r解得:r=mvqB则T=2rv=2mqB由几何知识得t=34T解得:t=32v4g3.如图所示,水平桌面上方区域存在竖直向上的匀强电场,电场强度E=5 N/C,过桌左边缘的虚线PQ上方存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B=3T,虚线PQ与水平桌面成45角,现将一个质量m1=2.010-3 kg,带正电q=4.010-3 C的物块A静置在桌面上,质量m2=1.010-3 kg、不带电的绝缘物块C从与A相距L=2.0 m处的桌面上以v0=5.0 m/s 的初速度向左运动.物块A、C与桌面间的动摩擦因数为=0.4,二者在桌面上发生碰撞(碰撞时间极短,A、C间无电荷转移),碰撞后C反弹速度大小为vC=1.0 m/s,A向左运动进入磁场,求:(1)碰撞后物块A的速度;(2)物块A从进入磁场到再次回到桌面所用时间;(结果保留两位有效数字)(3)若一段时间后A、C在桌面上相遇,求碰撞前A与桌左边缘P的距离.(结果保留两位有效数字)答案(1)2 m/s,方向水平向左(2)2.7 s(3)0.83 m解析(1)设C与A碰撞前瞬间的速度为v,碰后A、C的速度分别为vA、vC,对C从开始运动到与A相碰,由动能定理可得-m2gL=12m2v2-12m2v02A、C碰撞过程中,规定向左为正方向,对于A、C组成的系统由动量守恒定律可得m2v=m1vA-m2vC两式联立可得vA=2 m/s,方向水平向左.(2)对A受力分析可知qE=m1g,故碰撞后A向左匀速直线运动进入磁场,并在磁场中做匀速圆周运动,设在磁场中做圆周运动的周期为T,则T=2m1qB,由几何知识可得,A球在磁场中运动了34个圆周,轨迹如图所示.设A在磁场中运动的时间为t1,则t1=34T.A运动出磁场后竖直向下匀速运动再次回到桌面位置,设其运动时间为t2,磁场中洛伦兹力提供向心力,qvAB=m1vA2RR=vAt2t=t1+t2联立以上各式得t2.7 s.(3)碰撞后C反弹在桌面上做匀减速运动,设其加速度为a,停止运动所用时间为t3,可得m2g=m2a0=vC-at3解得t3=0.25 s显然,碰撞后C运动时间小于A运动时间,由此可知A、C相遇时,C已经停止运动.所以A、C相遇的位置为C停止运动的位置,也是A竖直向下再次回到桌面的位置.C匀减速的位移x=12vCt3=0.125 m,碰前A与桌左边缘P的距离x=R-x0.83 m.4.(2019山东郓城高三模拟)如图所示,ABCD矩形区域内存在互相垂直的有界匀强电场和匀强磁场的叠加场.有一质量为m、带电荷量大小为q的小球在光滑绝缘的水平面上,从静止开始经电压为U的电场加速后,水平进入ABCD区域中,恰能在此空间的竖直面内做匀速圆周运动,且从B点射出,已知AB长度为3L,AD长度为L,求:(1)小球带何种电荷及进入叠加场时的速度大小;(2)小球在叠加场中做圆周运动的轨迹半径;(3)小球在叠加场中运动的时间.答案(1)负电荷2qUm(2)2L(3)L32mqU解析(1)小球在电场、磁场和重力场的叠加场中做匀速圆周运动,且从B点射出,根据左手定则可知小球带负电荷.小球进入叠加场之前,由动能定理得:qU=12mv2,解得:v=2qUm.(2)设小球做圆周运动的轨迹半径为r,由几何关系得:r2=(r-L)2+(3L)2,解得:r=2L.(3)由(2)知小球在叠加场中做圆周运动对应的圆心角满足:sin =3Lr,解得:=3小球运动周期:T=2rv运动时间为:t=2T联立解得:t=L32mqU命题角度2洛伦兹力在现代科技中的应用问题高考真题体验对方向(2016全国15)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子,其示意图如图所示,其中加速电压恒定.质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场.若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍.此离子和质子的质量比约为()A.11B.12C.121D.144答案D解析离子经电场加速Uq=12mv2,离子在电场中偏转时,qvB=mv2r,可知m=r2B2q2U;由于离子和质子的加速电压、电荷量和在磁场中做匀速圆周运动的半径都相同,所以mB2,离子所需偏转磁场的磁感应强度是质子所需偏转磁场的磁感应强度的12倍,则离子质量是质子质量的144倍,选项D正确.分析实际问题的思路与方法(1)知道质谱仪、回旋加速器等仪器或器件的结构及工作原理.(2)知道考查的内容,能从实际物理模型中抽象出物理问题.(3)巧用qE=qvB分析带电粒子在复合场中的应用实例.典题演练提能刷高分1.(多选)(2019山东泰安模拟)如图所示为一利用海流发电的装置原理图.用绝缘材料制成一个横截面为矩形的管道,在管道的上、下两个内表面装有两块电阻不计的金属板M、N,板长为a、宽为b,板间的距离为d,将管道沿海流方向固定在海水中,在管道中施加与前后表面垂直的匀强磁场,磁感应强度大小为B,将航标灯与两金属板连接(图中未画出).海流方向如图,海流速率为v,下列说法正确的是()A.M板的电势高于N板的电势B.该海流发电机的电动势为BdvC.该海流发电机的电动势为BavD.管道内海水受到的安培力方向向左答案ABD解析由左手定则可知,海流中的正离子受到的洛伦兹力方向向上,所以正离子向上偏转,即M板带正电;负离子受到的洛伦兹力方向向下,所以负离子向下偏转,N板带负电,可知M板的电势高于N板的电势,选项A正确;M、N两板间形成电场,当离子所受的洛伦兹力和电场力平衡时,两板间的电压稳定,即qUd=Bqv,得U=Bdv,两板间电压即该海流发电机的电动势,选项B正确、C错误;根据左手定则知,管道内由离子运动形成的电流方向向上,故管道内海水所受安培力方向向左,选项D正确.2.(多选)如图所示为一种质谱仪的工作原理示意图,此质谱仪由以下几部分构成:离子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器,静电分析器通道中心线