4.3带电粒子在磁场中运动之圆形磁场边界问题

考点4.3 圆形磁场边界问题1考点4.3.1 “粒子沿径向射入圆形磁场”边界问题1考点4.3.2 “粒子不沿半径方向射入圆形磁场”边界问题5考点4.3.3 “磁聚焦”与“磁发散”8考点4.3 圆形磁场边界问题考点4.3.1 “粒子沿径向射入圆形磁场”边界问题特点：沿径向射入必沿径向射出，如图所示。对称性：入射点与出射点关于磁场圆圆心与轨迹圆圆心连线对称，两心连线将轨迹弧平分、弦平分，圆心角平分。来源:学1. 如图所示，一半径为R的圆内有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度为B，CD是该圆一直径一质量为m、电荷量为q的带电粒子(不计重力)，自A点沿指向O点方向垂直射入磁场中，恰好从D点飞出磁场，A点到CD的距离为，根据以上内容( C )A. 可判别圆内的匀强磁场的方向垂直纸面向里B. 不可求出粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径C. 可求得粒子在磁场中的运动时间D. 不可求得粒子进入磁场时的速度2. 如图所示，为一圆形区域的匀强磁场，在O点处有一放射源，沿半径方向射出速度为v的不同带电粒子，其中带电粒子1从A点飞出磁场，带电粒子2从B点飞出磁场，不考虑带电粒子的重力，则(A)A. 带电粒子1的比荷与带电粒子2的比荷比值为31B. 带电粒子1的比荷与带电粒子2的比荷比值为1C. 带电粒子1与带电粒子2在磁场中运动时间比值为21D. 带电粒子1与带电粒子2在磁场中运动时间比值为123. 如图所示，半径为R的绝缘筒中为匀强磁场区域，磁感应强度为B、磁感线垂直纸面向里一个质量为m、电荷量为q的正离子，以速度v从圆筒上C孔处沿直径方向射入筒内，如果离子与圆筒碰撞三次(碰撞时不损失能量，且时间不计)，又从C孔飞出，则离子在磁场中运动的时间为 ( AC )A2R/v BR/v C2m/qB Dm/qB4. 如图所示，一半径为R的圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一质量为m，电荷量为q的正电荷(重力忽略不计)以速度v沿正对着圆心O的方向射入磁场，从磁场中射出时速度方向改变了角磁场的磁感应强度大小为(B)A. B. C. D.5. 如图所示圆形区域内，有垂直于纸面方向的匀强磁场，一束质量和电荷量都相同的带电粒子，以不同的速率，沿着相同的方向，对准圆心O射入匀强磁场，又都从该磁场中射出，这些粒子在磁场中的运动时间有的较长，有的较短，若带电粒子在磁场中只受磁场力的作用，则在磁场中运动时间越长的带电粒子()A 速率一定越小B 速率一定越大C 在磁场中通过的路程越长D 在磁场中的周期一定越大6. 在以坐标原点O为圆心、半径为r的圆形区域内，存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场，如图11所示.一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x轴的交点A处以速度v沿x方向射入磁场，它恰好从磁场边界与y轴的交点C处沿y方向飞出.(1) 请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷；(2) 若磁场的方向和所在空间范围不变，而磁感应强度的大小变为B，该粒子仍从A处以相同的速度射入磁场，但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60角，求磁感应强度B多大？此次粒子在磁场中运动所用时间t是多少？【答案】(1)负电荷(2)B7. 如右图所示，在某空间实验室中，有两个靠在一起的等大的圆柱形区域，分别存在着等大反向的匀强磁场，磁感应强度B010 T，磁场区域半径r m，左侧区圆心为O1，磁场向里，右侧区圆心为O2，磁场向外两区域切点为C今有质量m321026 kg带电荷量q161019 C的某种离子，从左侧区边缘的A点以速度v106 m/s正对O1的方向垂直磁场射入，它将穿越C点后再从右侧区穿出求：(1) 该离子通过两磁场区域所用的时间(2) 离子离开右侧区域的出射点偏离最初入射方向的侧移距离为多大？（侧移距离指垂直初速度方向上移动的距离）【答案】（1）4.19106 s （2）2 m8. 如图所示，有一对平行金属板，两板相距为0.05m电压为10V；两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为B0=0.1T，方向与金属板面平行并垂直于纸面向里图中右边有一半径R为0.1m、圆心为O的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为T，方向垂直于纸面向里一正离子沿平行于金属板面，从A点垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿直线射出平行金属板之间的区域，并沿直径CD方向射入圆形磁场区域，最后从圆形区域边界上的F点射出已知速度的偏向角 ，不计离子重力求：(1) 离子速度v的大小；(2) 离子的比荷q/m；(3) 离子在圆形磁场区域中运动时间t9. 如图所示，在两个水平平行金属极板间存在着向下的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场，电场强度和磁感应强度的大小分别为E=2106N/C和B1=0.1T，极板的长度l=m，间距足够大在板的右侧还存在着另一圆形区域的匀强磁场，磁场的方向为垂直于纸面向外，圆形区域的圆心O位于平行金属极板的中线上，圆形区域的半径R=m有一带正电的粒子以某速度沿极板的中线水平向右飞入极板后恰好做匀速直线运动，然后进入圆形磁场区域，飞出圆形磁场区域后速度方向偏转了60，不计粒子的重力，粒子的比荷=2108C/kg求：(1) 粒子的初速度v；(2) 圆形区域磁场的磁感应强度B2的大小；(3) 在其它条件都不变的情况下，将极板间的磁场Bl撤去，为使粒子飞出极板后不能进入圆形区域的磁场，求圆形区域的圆心O离极板右边缘的水平距离d应满足的条件【答案】（1）v=2107m/s， （2）B2=0.1T （3）d考点4.3.2 “粒子不沿半径方向射入圆形磁场”边界问题特点：入射点与出射点关于磁场圆圆心与轨迹圆圆心连线对称，两心连线将轨迹弧平分、弦平分，圆心角平分。【例题】如图所示是某离子速度选择器的原理示意图，在一半径为R的绝缘圆柱形筒内有磁感应强度为B的匀强磁场，方向平行于轴线向外在圆柱形筒上某一直径两端开有小孔M、N，现有一束速率不同、比荷均为k的正、负离子，从M孔以角入射，一些具有特定速度的离子未与筒壁碰撞而直接从N孔射出(不考虑离子间的作用力和重力)则从N孔射出的离子() A 是正离子，速率为B 是正离子，速率为C 是负离子，速率为D 是负离子，速率为【解析】带负电的粒子向上偏转，必与筒壁碰撞，若带正电，根据左手定则，离子向下偏，才有可能未与筒壁碰撞而直接从N孔射出，从N孔射出的运动轨迹如图所示，MO与入射速度垂直，OO为MN的垂直平分线，MO与OO的交点为圆周运动的圆心O，由几何关系，可知r，由qBvm，可得v，B项正确，其他选项错误【答案】B10. 如图所示，在圆形区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场，ab是圆的一条直径一带正电的粒子从a点射入磁场，速度大小为2v，方向与ab成30时恰好从b点飞出磁场，粒子在磁场中运动的时间为t.若仅将速度大小改为v，则粒子在磁场中运动的时间为(不计带电粒子所受重力)(D)A3t B.t C.t D2t11. 如图所示，在圆形区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场，ab是圆的直径。一不计重力的带电粒子从a点射入磁场，速度大小为v，当速度方向与ab成30角时，粒子从b点射出，在磁场中运动时间为t；若相同的带电粒子从a点沿ab方向射入磁场，也经时间t飞出磁场，则其速度大小为（ A ）A B C D 12. (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(A)A. B. C. D.13. （多选）如图所示，在半径为R的圆形区域内有一磁感应强度方向垂直于纸面向里的匀强磁场，一质量为m且带正电的粒子(重力不计)以初速度v0从圆形边界上的A点正对圆心射入该磁场区域，若该带电粒子在磁场中运动的轨迹半径为R，则下列说法中正确的是(AC)A 该带电粒子在磁场中将向右偏转B 若增大磁场的磁感应强度，则该带电粒子在磁场中运动的轨迹半径将变大C 该带电粒子在磁场中的偏转距离为RD 该带电粒子在磁场中运动的时间为14. 如图，半径为R的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面(纸面)，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外一电荷量为q(q0)、质量为m的粒子沿平行于直径ab的方向射入磁场区域，射入点与ab的距离为，已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60，则粒子的速率为(不计重力)(B)A. B. C. D.15. 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(a)，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向的匀强磁场，磁感应强度大小为B，在离轴线R/2处的C点持续射出一定速度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(b)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(090)推进器工作时，向区注入稀薄的氙气电子使氙气电离的最小速度为v0，电子在区内不与器壁相碰且能到达的区域越大，电离效果越好已知离子质量为M；电子质量为m，电量为e.(电子碰到器壁即被吸收，不考虑电子间的碰撞)(1) 求区的加速电压及离子的加速度大小；(2) 为取得好的电离效果，请判断区中的磁场方向(按图(b)说明是“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”)；(3) 为90时，要取得好的电离效果，求射出的电子速率v的范围；(4) 要取得好的电离效果，求射出的电子最大速率vM与的关系【答案】(1) (2)磁场垂直纸面向外 (3)0v0)和初速度v的带电微粒发射时，这束带电微粒分布在0y0.带电微粒在磁场中经过一段半径为r的圆弧运动后，将在y轴的右方(x0)的区域离开磁场并做匀速直线运动，如图所示靠近M点发射出来的带电微粒在穿出磁场后会射向x轴正方向的无穷远处，靠近N点发射出来的带电微粒会在靠近原点之处穿出磁场所以，这束带电微粒与x轴相交的区域范围是x0.【答案】(1)E方向沿y轴正方向，方向垂直于纸面向外 (2)见解析(3)与x轴相交的区域范围是x016. 如图所示，在半径为R的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，圆形区域右侧有一竖直感光板，圆弧顶点P有一速度为v0的带正电粒子平行于纸面进入磁场，已知粒子的质量为m，电荷量为q，粒子重力不计(1) 若粒子对准圆心射入，求它在磁场中运动的时间；(2) 若粒子对准圆心射入，且速率为v0，求它打到感光板上时速度的垂直分量；(3) 若粒子以速度v0从P点以任意角射入，试证明它离开磁场后均垂直打在感光板上【答案】 (1)(2)v017. 如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为O1（a，0），圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场。在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E。一质量为m、电荷量为+q（q0）的粒子以速度v从O点垂直于磁场方向且速度方向沿x轴正方向射入第一象限，粒子恰好从O1点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力。(1) 求磁感应强度B的大小；(2) 求粒子从O点进入磁场到最终离开磁场所通过的路程。(3) 若粒子以速度v从O点垂直于磁场方向且与x轴正方向的夹角=300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的时间t。【答案】（2） 18. 在如图的xOy坐标系中A（L，0）、C是x轴上的两点，P点的坐标为（0，L）在第二象限内以D（L，L）为圆心、L为半径的圆形区域内，分布着方向垂直xOy平面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场；在第一象限三角形OPC之外的区域，分布着沿y轴负方向的匀强电场现有大量质量为m、电荷量为+q的相同粒子，从A点平行xOy平面以相同速率、沿不同方向射向磁场区域，其中沿AD方向射入的粒子恰好从P点进入电场，经电场后恰好通过C点已知a=30，不考虑粒子间的相互作用及其重力，求：(1) 电场强度的大小；(2) x正半轴上有粒子穿越的区间【答案】（1） （2） 19. 如图所示，在xOy平面的第象限内存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E。第和第象限内有一个半径为R的圆，其圆心坐标为（R，0），圆内存在垂直于xOy平面向里的匀强磁场，一带正电的粒子（重力不计）以速度v0从第象限的P点平行于x轴进入电场后，恰好从坐标原点O进入磁场，速度方向与x轴成60角，最后从Q点平行于y轴射出磁场。P点所在处的横坐标x-2R。求：（1） 带电粒子的比荷；（2） 磁场的磁感应强度大小；（3） 粒子从P点进入电场到从Q点射出磁场的总时间。【答案】（1） （2） （3） 20. 如图所示，在直角坐标系xOy平面的第象限内有半径为R的圆O1分别与x轴、y轴相切于P（R，0）、Q（0，R） 两点，圆O1内存在垂直于xOy平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B与y轴负方向平行的匀强电场左边界与y轴重合，右边界交x轴于M点，一带正电的粒子A（重力不计）电荷量为q、质量为m，以某一速率垂直于x轴从P点射入磁场，经磁场偏转恰好从Q点进入电场，最后从M点以与x轴正向夹角为45的方向射出电场求：（1） OM之间的距离；（2） 该匀强电场的电场强度E；（3） 若另有一个与A的质量和电荷量相同、速率也相同的粒子A，从P点沿与x轴负方向成30角的方向射入磁场，则粒子A再次回到x轴上某点时，该点的坐标值为多少？【答案】（1）2R （2） （3）（，0）21. 如图所示，ABCD是边长为a的正方形质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域在正方形内适当区域中有匀强磁场电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场不计重力，求：(1) 此匀强磁场区域中磁感应强度的方向和大小；(2) 此匀强磁场区域的最小面积【答案】(1)，垂直于纸面向外 (2)a222. 如图所示，在xOy平面内，紧挨着的三个“柳叶”形有界区域内(含边界上)有磁感应强度为B的匀强磁场，它们的边界都是半径为a的圆，每个圆的端点处的切线要么与x轴平行、要么与y轴平行区域的下端恰在O点，区域在A点平滑连接、区域在C点平滑连接大量质量均为m、电荷量均为q