第49讲 带电粒子在组合场中的运动（复习讲义）（湖南专用）（学生版）

第49讲带电粒子在组合场中的运动目录TOC\o"1-4"\h\z\u01考情解码·命题预警 202体系构建·思维可视 303核心突破·靶向攻坚 4考点一带电粒子在组合场中的运动 4知识点1带电粒子在组合场中运动的分析 4知识点2两类基本组合场 5考向1磁场与磁场组合 6考向2先磁场后电场 9考向3先电场后磁 12考点二组合场中的现代科学仪器 20知识点1质谱仪 20知识点2回旋加速器 20考向1质谱仪 21考向2回旋加速器 2404真题溯源·考向感知 27

考点要求考频2025年2024年2023年带电粒子在电磁组合场中的运动应用高频2025·湖南·高考物理第14题2025·湖南·高考物理第14题2025·湖南·高考物理第14题质谱仪、回旋加速器应用考情分析：1.命题形式：单选题非选择题2.命题分析：湖南高考对带电粒子在组合场中的运动的考查非常频繁，大多以计算题中出现，，难度中等，也是高考复习的重点内容3.备考建议：本讲内容备考时候，理解和掌握质谱仪及回旋加速器的原理，掌握带电粒子在电磁组合场的基本规律。学会分析带电粒子的运动情景并解决问题。4.命题情境：与现代科技相结合考查科学仪器，另考查带电粒子运动的综合计算题型5.常用方法：画图法，动能定理，功能关系复习目标：1.理解和掌握电磁场中各类仪器的原理。2.能够利用电磁场中各类仪器的工作原理处理有关问题3.学会处理带电粒子在磁场和磁场组合场中的运动。4.学会处理带电粒子在磁场和电场组合场中的运动。考点一带电粒子在组合场中的运动知识点1带电粒子在组合场中运动的分析组合场：静电场、磁场与无场区各位于一定的区域内，并不重叠，或在同一区域，静电场、磁场与无场区分时间段交替出现。1．解题思路(1)划分过程：将粒子运动的过程划分为几个不同的阶段，对不同的阶段选用不同的规律处理。(2)找关键点：确定带电粒子在场区边界的速度(包括大小和方向)是解决该类问题的关键。(3)画运动轨迹：根据受力分析和运动分析，大致画出粒子的运动轨迹图，有利于形象、直观地解决问题。(4)选择合适的物理规律，列方程：对于类平抛运动，一般分解为沿初速度方向的匀速直线运动和垂直于初速度方向的匀加速直线运动；对粒子在磁场中做匀速圆周运动的情况，一般都是洛伦兹力提供向心力。2．“电偏转”与“磁偏转”的比较垂直电场线进入匀强电场(不计重力)垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)受力情况电场力FE＝qE，其大小、方向不变，与速度v无关，FE是恒力洛伦兹力FB＝qvB，其大小不变，方向随v而改变，FB是变力轨迹抛物线圆或圆的一部分运动轨迹示例求解方法利用类平抛运动的规律求解：vx＝v0，x＝v0t，vy＝eq\f(qE,m)·t，y＝eq\f(1,2)·eq\f(qE,m)·t2偏转角φ满足：tanφ＝eq\f(vy,vx)＝eq\f(qEt,mv0)半径：r＝eq\f(mv,qB)周期：T＝eq\f(2πm,qB)偏移距离y和偏转角φ要结合圆的几何关系利用圆周运动规律讨论求解运动时间t＝eq\f(x,v0)t＝eq\f(φ,2π)T＝eq\f(φm,Bq)动能变化不变知识点2两类基本组合场1.先电场后磁场(1)先在电场中做加速直线运动，然后进入磁场做圆周运动。如图甲、乙所示，在电场中利用动能定理或运动学公式求粒子刚进入磁场时的速度。(2)先在电场中做类平抛运动，然后进入磁场做圆周运动。如图丙、丁所示，在电场中利用平抛运动知识求粒子进入磁场时的速度。2.先磁场后电场对于粒子从磁场进入电场的运动，常见的有两种情况：(1)进入电场时粒子速度方向与电场方向相同或相反，如图甲所示，粒子在电场中做加速或减速运动，用动能定理或运动学公式列式。(2)进入电场时粒子速度方向与电场方向垂直，如图乙所示，粒子在电场中做类平抛运动，用平抛运动知识分析。考向1磁场与磁场组合例1（2025湖南省长沙模拟）如图所示的直角坐标系，在横轴下方有一半径为R的圆形磁场区域，与x轴相切于坐标原点。在的范围内沿y方向均匀分布着大量质量为m、电荷量为的带电粒子，它们以平行于x轴的相同初速度射入圆形磁场区域，均恰能由O点射入第一象限的矩形磁场区域OPQN内，矩形磁场区域的长度为其宽度的2倍。已知在矩形磁场区域内运动时间最长的粒子转过的圆心角为，两磁场区域的磁感应强度大小均为B，不计粒子重力。求：（1）粒子的初速度；（2）矩形磁场区域的宽度a；（3）从PQ边射出的粒子数与射入磁场的总粒子数的比。【变式训练2】如图所示，空间有垂直于平面向里的两个匀强磁场，空间的磁感应强度大小为B，空间的磁感应强度大小为。原点O处有一个粒子源，同时射出两个速度大小均为、比荷均为的同种带正电粒子。沿y轴负方向的粒子记为A粒子，沿与x轴正方向的夹角为的粒子记为C粒子。不考虑粒子之间的碰撞和其他相互作用。求：（1）A粒子发射后，第二次经过x轴时距原点O的距离；（2）C粒子发射后，经过x轴射向空间所用的时间；（3）A、C两粒子均经x轴射向空间时恰好相遇所对应的k值。考向2先电场后磁场例1.（2025湖南省长沙市邵阳市等多校联考高三下学期5月三模）如图所示，在平面直角坐标系xOy的第二象限内放置有如图所示的两块极板，极板厚度不计，第一、四象限有垂直纸面向外匀强磁场，磁感应强度大小为，第三象限也有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为。已知两极板间距为4d，极板的长度为d，现给极板加上电压，从上极板的左端位置以沿x轴正方向的初速度发射一电荷量为+q、质量为m的带正电粒子，粒子从y=2d处进入磁场。不计粒子的重力，，求：（1）上极板的电性及电压U的大小；（2）若在极板间再加一垂直纸面向里匀强磁场，则粒子在极板间经过多长时间竖直方向速度大小是水平方向速度大小的；（3）若有一线状粒子源放置在y轴2d≤y≤4d区域水平向右发射速度为与题中相同的粒子进入磁场，且所有粒子能够始终在磁场中运动，现用一平行x轴的挡板去遮挡粒子，要在磁场区域内挡住所有粒子，挡板长度的最小值为多少。【变式训练·变考法】】（2025·湖南·二模）如图，在平面直角坐标系的第三象限内存在沿轴正方向的匀强电场，第一象限某区域内存在垂直于坐标平面向里的圆形区域的匀强磁场（图中没有画出）。一质量为，电荷量为的带正电粒子从电场中的点以大小为的速度平行于轴正方向射入电场，经原点射入第一象限时与轴正方向的夹角为，运动一段时间后进入圆形匀强磁场区域，最后射出磁场时与轴正方向的夹角也为。已知点与轴的距离为，匀强磁场的磁感应强度大小，不计粒子受到的重力。求：(1)匀强电场的电场强度大小；(2)粒子在磁场中运动的时间；(3)圆形匀强磁场区域的最小半径。考向3先磁场后电场例2（2025·湖南怀化·三模）如图，在坐标系内，第一象限有垂直纸面向外的匀强磁场，第二象限有沿轴正方向的匀强电场，电场强度大小为。一质量为、电荷量为的带电粒子从轴上的点以速度沿与轴正方向成角的方向射入磁场，恰好垂直于轴射出磁场进入电场，不计粒子重力，求：(1)磁感应强度的大小；(2)粒子再次经过轴时的坐标及粒子的速度大小。【变式训练1·变考法】（2025·天津南开·二模）如图所示，在竖直平面内有一半径为r的圆形边界，AB为其水平直径，圆形边界内存在垂直纸面向外、磁感应强度大小为的匀强磁场，过B点的竖直线BD与水平线BC间存在方向竖直向上、电场强度大小为(未知量)的匀强电场，P点是匀强电场中的某点。现让电荷量为q、质量为m的带正电粒子(不计重力)从A点射入匀强磁场，然后从B点离开匀强磁场，粒子在匀强磁场中运动的轨迹圆的半径为2r，粒子经过一段时间t0从B点运动到P点时速度恰好水平向右。求：(1)粒子从A点射入匀强磁场时速度v0的大小和从A点运动到B点所用时间t；(2)匀强电场的电场强度的大小和BP两点间的电势差。考点二组合场中的现代科学仪器知识点1质谱仪(1)构造：如图甲所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。(2)原理：①粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qU＝eq\f(1,2)mv2。②粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvB＝meq\f(v2,r)。③由以上两式可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，m＝eq\f(qr2B2,2U)，eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2r2)。(3)用途：分离同位素，测定带电粒子的比荷eq\f(q,m)、质量m。知识点2回旋加速器(1)构造：如图乙所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中。(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地改变正负，粒子就会被一次一次地加速。(3)将带电粒子在两盒狭缝之间的运动首尾连起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。(4)带电粒子每加速一次，回旋半径就增大一次，rn＝eq\f(mvn,qB)，nqU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，n为加速次数。各半径之比为1∶eq\r(2)∶eq\r(3)∶…。(5)获得的最大动能：由qvmB＝eq\f(mveq\o\al(2,m),R)、Ekm＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)得Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关。(6)加速到最大动能的加速次数粒子每加速一次动能增加qU，故需要加速的次数n＝eq\f(Ekm,Uq)。(7)加速到最大动能的运动时间①在磁场中的运动时间t1＝(n－1)eq\f(T,2)。②在电场中的加速时间t2＝eq\r(\f(2nd,a))，其中a＝eq\f(qU,md)，d为狭缝的宽度。在回旋加速器中运动的总时间t＝t1＋t2。考向1质谱仪例1（2025·天津滨海新·三模）放射性同位素相对含量的测量在考古学中有重要应用。如图甲所示，将少量古木样品碳化、电离后，产生出电荷量均为q的12C和14C离子，从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的匀强电场中，其初速度可视为零。以离子刚射入磁场时的O点为坐标原点，水平向右为x轴正方向。x轴下方有垂直纸面向内的匀强磁场，磁感应强度为B，离子在磁场中行进半个圆周后被位于原点O右侧x轴上的收集器分别收集。一个核子的质量为m，不考虑离子重力及离子间的相互作用。(1)写出中子与发生核反应生成，以及衰变生成的两个核反应方程式；(2)求收集器收集到的12C和14C离子的位置坐标x12和x14；(3)由于加速电场的变化，可能会使两束离子到达收集器的区域发生交叠，导致两种离子无法完全分离。①若加速电压在区间范围内发生微小变化，为使两种离子完全分离，应小于多少？②若离子经过加速电压为U的特殊电场，从O点进入磁场时，与垂直x轴方向左右对称偏离，导致有一个散射角α，如图乙所示。为使两种离子完全分离，求最大散射角。[已知，若，，则]【变式训练1·变载体】（2025湖南娄底高三一模）如图所示为质谱仪原理示意图。由粒子源射出的不同粒子先进入速度选择器，部分粒子沿直线通过速度选择器的小孔进入偏转磁场，最后打在MN之间的照相底片上。已知速度选择器内的电场的场强为E，磁场磁感应强度为B0，偏转磁场的磁感应强度为2B0，S1、S2、S3是三种不同的粒子在照相底片上打出的点。忽略粒子的重力以及粒子间的相互作用，下列说法正确的是（）A.打在S3位置的粒子速度最大B.打在S1位置的粒子速度最大C.如果射入偏转磁场的粒子质量为m、电荷量为q，则粒子的轨迹半径为D.如果氕（）核和氘（）核都进入偏转磁场，则其在磁场中运动的时间之比为1：2考向2回旋加速器例2加速器在核物理和粒子物理研究中发挥着巨大的作用，回旋加速器是其中的一种。如图是某回旋加速器的结构示意图，D1和D2是两个中空的、半径为R的半圆型金属盒，两盒之间窄缝的宽度为d，它们之间有一定的电势差U。两个金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。D1盒的中央A处的粒子源可以产生质量为m、电荷量为+q的粒子，粒子每次经过窄缝都会被电场加速，之后进入磁场做匀速圆周运动，经过若干次加速后，粒子从金属盒D1边缘离开，忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子间的相互作用及相对论效应。（1）求粒子离开加速器时获得的最大动能Ekm；（2）在分析带电粒子的运动轨迹时，用Δd表示任意两条相邻轨迹间距，甲同学认为Δd不变，乙同学认为Δd逐渐变大，丙同学认为Δd逐渐减小，请通过计算分析哪位同学的判断是合理的；（3）若该回旋加速器金属盒的半径R=1m，窄缝的宽度d=0.1cm，求粒子从A点开始运动到离开加速器的过程中，其在磁场中运动时间与在电场中运动时间之比。（结果保留两位有g效数字）【变式训练】（多选）回旋加速器是用来加速带电粒子使它们获得能量的仪器。其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一电压为U的高频交流电源两极相接，从而在盒内的狭缝中形成交变电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于D形盒。粒子源A释放出电荷量为q、质量为m的带电粒子（初速度可以忽略，重力不计），忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中粒子质量变化，下列说法正确的是（）A．带电粒子从磁场中获得能量B．回旋加速器需要的交变电压的频率为C．增大交流电源电压U，可增大粒子离开时的最大速度D．仅增大磁场的磁感应强度，可增大粒子离开时的最大速度1．（2025·广东·高考真题）某同步加速器简化模型如图所示，其中仅直通道PQ内有加速电场，三段圆弧内均有可调的匀强偏转磁场B。带电荷量为、质量为m的离子以初速度从P处进入加速电场后，沿顺时针方向在加速器内循环加速。已知加速电压为U，磁场区域中离子的偏转半径均为R。忽略离子重力和相对论效应，下列说法正确的是（）A．偏转磁场的方向垂直纸面向里B．第1次加速后，离子的动能增加了C．第k次加速后．离子的速度大小变为D．第k次加速后，偏转磁场的磁感应强度大小应为2.（2025·甘肃·高考真题）（多选）2025年5月1日，全球首个实现“聚变能发电演示”的紧凑型全超导托卡马克核聚变实验装置（BEST）在我国正式启动总装。如图是托卡马克环形容器中磁场截面的简化示意图，两个同心圆围成的环形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，内圆半径为。在内圆上A点有a、b、c三个粒子均在纸面内运动，并都恰好到达磁场外边界后返回。已知a、b、c带正电且比荷均为，a粒子的速度大小为，方向沿同心圆的径向；b和c粒子速度方向相反且与a粒子的速度方向垂直。不考虑带电粒子所受的重力和相互作用。下列说法正确的是（

）A．外圆半径等于 B．a粒子返回A点所用的最短时间为C．b、c粒子返回A点所用的最短时间之比为 D．c粒子的速度大小为3．（2025·河南·高考真题）如图，水平虚线上方区域有垂直于纸面向外的匀强磁场，下方区域有竖直向上的匀强电场。质量为m、带电量为q（）的粒子从磁场中的a点以速度向右水平发射，当粒子进入电场时其速度沿右下方向并与水平虚线的夹角为，然后粒子又射出电场重新进入磁场并通过右侧b点，通过b点时其速度方向水平向右。a、b距水平虚线的距离均为h，两点之间的距离为。不计重力。(1)求磁感应强度的大小；(2)求电场强度的大小；(3)若粒子从a点以竖直向下发射，长时间来看，粒子将向左或向右漂移，求漂移速度大小。（一个周期内粒子的位移与周期的比值为漂移速度）4．（2025·广西·高考真题）如图，带等量正电荷q的M、N两种粒子，以几乎为0的初速度从S飘入电势差为U的加速电场，经加速后从O点沿水平方向进入速度选择器（简称选择器）。选择器中有竖直向上的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场。当选择器的电场强度大小为E，磁感应强度大小为B1，右端开口宽度为2d时，M粒子沿轴线OO′穿过选择器后，沿水平方向进入磁感应强度大小为B2、方向垂直纸面向外的匀强磁场（偏转磁场），并最终打在探测器上；N粒子以与水平方向夹角为θ的速度从开口的下边缘进入偏转磁场，并与M粒子打在同一位置，忽略粒子重力和粒子间的相互作用及边界效应，则（）A．M粒子质量为B．刚进入选择器时，N粒子的速度小于M粒子的速度C．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′穿过选择器，此时选择器的电场强度与磁感应强度大小之比为D．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′进入偏转磁场，打在探测器上的位置与调节前M粒子打在探测器上的位置间距为5．（2024·福建·高考真题）如图，直角坐标系中，第Ⅰ象限内存在垂直纸面向外的匀强磁场。第Ⅱ、Ⅲ象限中有两平行板电容器、，其中垂直轴放置，极板与轴相交处存在小孔、；垂直轴放置，上、下极板右端分别紧贴轴上的、点。一带电粒子从静止释放，经电场直线加速后从射出，紧贴下极板进入，而后从进入第Ⅰ象限；经磁场偏转后恰好垂直轴离开，运动轨迹如图中虚线所示。已知粒子质量为、带电量为，、间距离为，、的板间电压大小均为，板间电场视为匀强电场，不计重力，忽略边缘效应。求：(1)粒子经过时的速度大小；(2)粒子经过时速度方向与轴正向的夹角；(3)磁场的磁感应强度大小。6．（节选）（2024·辽宁·高考真题）现代粒子加速器常用电磁场控制粒子团的运动及尺度。简化模型如图：Ⅰ、Ⅱ区宽度均为L，存在垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度等大反向；Ⅲ、Ⅳ区为电场区，Ⅳ区电场足够宽，各区边界均垂直于x轴，O为坐标原点。甲、乙为粒子团中的两个电荷量均为＋q，质量均为m的粒子。如图，甲、乙平行于x轴向右运动，先后射入Ⅰ区时速度大小分别为和。甲到P点时，乙刚好射入Ⅰ区。乙经过Ⅰ区的速度偏转角为30°，甲到O点时，乙恰好到P点。已知Ⅲ区存在沿＋x方向的匀强电场，电场强度大小。不计粒子重力及粒子间相互作用，忽略边界效应及变化的电场产生的磁场。（1）求磁感应强度的大小B；（2）求Ⅲ区宽度d；7..[2024·甘肃卷]质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示.Ⅰ为粒子加速器,加速电压为U;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为E1,方向沿纸面向下,匀强磁场的磁感应强度大小为B1,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分