第49讲 带电粒子在组合场中的运动（专项训练）（湖南专用）（学生版）

第49讲带电粒子在组合场中的运动目录01课标达标练TOC\o"1-2"\h\u 1题型01带电粒子在组合场中的运动 1题型02组合场中的现代科学仪器 1602核心突破练 2303真题溯源练 3201带电粒子在组合场中的运动1.（2025湖南一模）如图所示，在平面直角坐标系的第二象限内有平行于y轴的匀强电场，电场强度大小为E，方向沿y轴负方向。在第一、四象限内有一个半径为r的圆，圆心坐标为（r，0），圆内有方向垂直于平面向里的匀强磁场。一带正电的粒子（不计重力），以速度为从第二象限的P点，沿平行于x轴正方向射入电场，通过坐标原点O进入第四象限，速度方向与x轴正方向成，最后从Q点平行于y轴离开磁场，已知P点的横坐标为－2h。求：(1)带电粒子的比荷；(2)圆内磁场的磁感应强度B的大小；(3)带电粒子从P点进入电场到从Q点射出磁场的总时间。2．（2025·湖南衡阳·一模）如图所示的直角坐标系所在空间：区域存在匀强电场，电场方向与x轴垂直；区域存在磁场，磁场方向垂直于xOy平面，且x轴上方磁感应强度大于x轴下方磁感应强度，均为匀强磁场。电场中的P点与x轴距离为l，与y轴距离为。一质量为m、电荷量为q的粒子，从P点以垂直y轴的初速度向y轴运动，从坐标原点O进入磁场中，粒子在以后的运动中刚好没有再次进入电场，不计粒子重力。求：

(1)匀强电场的场强E；(2)轴下方磁感应强度与x轴上方磁感应强度之比。3．（2025·天津·二模）如图所示的竖直平面内，水平直线AB和GH之间有边界互相平行且宽度均为R的六个区域，交替分布着方向竖直向下、电场强度大小为的匀强电场和方向垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场。圆心为O、半径为R的四分之一圆形匀强磁场的边界与直线AB相切于磁场最低点P点，磁感应强度也为B，方向垂直纸面向外。有一垂直于AB的长度为R的线状粒子源MN（N在AB上）源源不断沿平行于AB向右的方向发射初速度相同的带正电的粒子，粒子电荷量为q、质量为m。所有粒子都进入四分之一圆形磁场，其中从粒子源最上端M点射出的粒子恰好从P点进入电场，最后到达边界GH上的Q点，不计粒子重力及粒子间相互作用，求：(1)粒子穿过CD边界时的速率v₁；(2)从粒子源下端N点射出的粒子经P点进入电场，求此粒子经过边界CD的位置与P点水平距离x；(3)从M点射出的粒子经过Q点时的速度方向与边界GH夹角θ的余弦值。4.（2025·广东省韶关市二模）如图所示，矩形区域Ⅰ和Ⅱ内分别存在方向垂直于纸面向外和向里的匀强磁场，为磁场边界线，四条边界线相互平行，区域Ⅰ的磁感应强度大小为B，区域Ⅱ的磁感应强度大小为，矩形区域的长度足够长，磁场宽度及与之间的距离相同。某种带正电的粒子从上的处以大小不同的速度，沿与成角进入磁场（不计粒子所受重力），当粒子的速度小于某一值时，粒子在区域Ⅰ内的运动时间均为；当速度为时，粒子垂直进入无场区域，最终从上的A点射出，求：（1）粒子的比荷；（2）磁场区域Ⅰ的宽度L；（3）出射点A偏离入射点竖直方向距离y。5（2025·湖南岳阳·模拟）如图所示，在直角坐标系xOy中，第一象限有竖直向上的匀强电场，第二、四象限有垂直纸面向里的匀强磁场。已知质量为m、电荷量为-q的粒子从x轴上的M点以速度v0沿y轴正方向进入第二象限，经y轴上N点沿x轴正方向射入第一象限，再从x轴上P点进入第四象限，经y轴上的Q点（图中未画出）射出磁场。已知第二、四象限匀强磁场的磁感应强度大小均为（d为已知量），粒子在P点的速度与x轴正方向成45°角，不计粒子的重力。求：(1)ON的长度；(2)匀强电场的场强大小和OP的长度；(3)PQ的长度。6.（2025·全国·模拟预测）如图所示，在平面直角坐标系xOy的第三象限内，区域I（x<-L）内有方向垂直xOy平面向外的匀强磁场；区域II（-L<x<0）内有一平行纸面且大小、方向均未知的匀强电场（图中未画出）。一质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子从点a（-2L，-2L）沿y轴正方向、以大小为v0的初速度开始运动，从点b（-L，-L）沿x轴正方向进入区域II，粒子在电场中运动时间后，从坐标原点进入第一象限，第一象限内存在垂直xOy平面向里的磁场，该磁场内各点的磁感应强度大小B2与横坐标x满足B2=kx（k为大于0的常量）。不计粒子重力，求：(1)区域I内匀强磁场磁感应强度B1的大小；(2)区域II内匀强电场场强E的大小；(3)该粒子在第一象限内运动过程中与y轴的最大距离。7.（2025·江苏扬州·模拟预测）如图所示，直角坐标系xOy位于竖直平面内，在的区域内有磁感应强度大小B=4.0×10-4T、方向垂直于纸面向里的条形匀强磁场，其左边界与x轴交于P点；在x>0的区域内有电场强度大小E=4N/C、方向沿y轴正方向的条形匀强电场，其宽度d=2m。一质量m=6.4×10-27kg、电荷量q=-3.2×1019C的带电粒子从P点以速度v=4×104m/s，沿与x轴正方向成α=60°角射入磁场，经电场偏转最终通过x轴上的Q点（图中未标出），不计粒子重力。求：(1)带电粒子在磁场中运动时间；(2)当电场左边界与y轴重合时Q点的横坐标x；(3)若只改变上述电场强度的大小，要求带电粒子仍能通过Q点，讨论此电场左边界的横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系。02组合场中的现代科学仪器8.(2025·广东省汕头市高三一模）2023年11月，中国原子能科学研究院“BNCT强流质子回旋加速器样机研制”顺利通过技术验收。如图所示，该回旋加速器接在高频交流电压U上，质子束最终获得的能量，不考虑相对论效应，则下列说法正确的是（）A.质子获得的最终能量与高频电压U无关B.回旋加速器连接的高频交流电压不可以是正弦交流电C.图中加速器的磁场方向垂直于D形盒向下D.若用该回旋加速器加速粒子，则应将高频交流电的频率适当调大9.废水中包含了具有放射性的碘的同位素利用质谱仪可分析碘的各种同位素。如图所示，电荷量相同的和以相同的速度从O点进入速度选择器（速度选择器中的电场方向水平向右、磁场的磁感应强度为）后，再进入偏转磁场（磁感应强度为），最后打在照相底片的c、d两点，不计各种粒子受到的重力。下列说法正确的是（）A.垂直纸面向里，和在偏转磁场中的轨道半径之比为127∶131B.垂直纸面向里，和在偏转磁场中的轨道半径之比为C.垂直纸面向外，和在偏转磁场中的轨道半径之比为131∶127D.垂直纸面向外，和在偏转磁场中的轨道半径之比为10.2023年12月，中核集团230MeV超导质子回旋加速器及治疗端通过验收技术测试，这意味着中核集团布局治癌回旋加速器及治疗端技术又取得重要突破。如图所示，甲图为该回旋加速器的照片，乙图为回旋加速器工作原理示意图。现将回旋加速器置于垂直的匀强磁场中，接入高频电源，分别对质子和氦核进行加速。下列说法正确的是（）。A．两粒子在磁场中运动的周期相同 B．两粒子的最大速度相等C．两次所接高频电源的频率不相同 D．仅增大高频电源的电压，可增大粒子的最大动能11．（2025·湖南·二模）如图所示为某质谱仪的简化示意图，它由加速电场、静电偏转区、真空通道和磁场偏转区组成。现有一粒子在点从静止开始经电压恒定的电场加速后进入静电偏转区，然后匀速通过真空通道后进入磁场偏转区，最终打到点，运动轨迹如图中虚线所示。粒子在静电偏转区和磁场偏转区中均做匀速圆周运动。下列说法正确的是（）A．静电偏转区内的电场是匀强电场B．磁场偏转区内磁场方向垂直于纸面向里C．仅将粒子改为质子，质子仍能在静电偏转区沿虚线运动D．仅将粒子改为氘核（），氘核不会沿虚线运动到点12..(2025·.广东省高三下学期5月三模）如图所示为某款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S、加速电场PQ，静电分析器、偏转磁场、记录板，静电分析器通道中心线的半径为R，通道内有均匀辐向的电场，中心线处的电场强度大小为E，记录板MN紧靠静电分析器水平放置，静电分析器和记录板下方分布着范围足够大的匀强磁场，离子源S可以发射初速度不计的正离子，已知该离子源发射的质子经过加速电场加速后进入静电分析器，恰能沿静电分析器中心线做匀速圆周运动，之后竖直向下飞入匀强磁场，最终水平偏转距离d后打在记录板上，设质子的质量为m，电荷量为q，求：（1）加速电场的电压U；（2）匀强磁场的磁感应强度大小B；（3）若匀强磁场区域磁感应强度大小的波动范围为，为使质子与氘核打在记录板上的位置不重合，ΔB的取值范围。.13．现代科技仪器可以利用电场、磁场对带电粒子的作用来控制其运动轨迹，让其到达所需的位置。如图甲所示是此种仪器离子注入式工作原理的示意图，M处的正离子初速度可忽略不计的飘入加速电场，经电场加速后从N点沿半径方向进入半径为R的圆形匀强磁场区域，经磁场偏转，最后打在水平放置的标靶上。已知加速器的两极板间电压为U，磁场方向垂直纸面向外，正离子的质量为m、电荷量为q，不考虑离子的重力及离子间的相互作用。（1）求离子从加速器飞出进入圆形匀强磁场区域时的速度v的大小。（2）离子从磁场边缘上某点出磁场时垂直打到标靶上，求圆形区域内匀强磁场的磁感应强度的大小。（3）如图乙所示，在距O点为2R的标靶左端与磁场中心O在同一竖直线上，标靶长为，要求所有离子都打到标靶上，求磁感应强度B的大小取值范围。14.如图所示，从粒子源发射出一质量为m、电荷量为q的正粒子（不计重力），经加速后以速度v沿水平方向射入速度选择器，再经磁分析器和电场偏转系统最后打在xOy平面上。已知形状为四分之一圆环的速度选择器内，存在方向指向圆心O'的辐射状电场，圆环内、外半径分别为L和3L。在速度选择器两端沿中心轴线处各有一个小孔M、N，粒子从M孔射入、N孔穿出后进入磁分析器，磁分析器是与速度选择器形状完全相同的四分之一圆环，其圆心也为O'，内部分布有垂直纸面向里的匀强磁场，粒子经磁场偏转后从出口端PQ（含P、Q两点）飞出，之后进入电场偏转区，此区域充满着垂直纸面向外的匀强电场，其电场强度与速度选择器中心轴线处的电场强度大小相等。粒子经电场偏转后打在与PQ距离为2L的xOy平面上，PQ的中点K与O点的连线垂直于xOy平面。求：（1）速度选择器中心轴线处电场强度E的大小；（2）要保证粒子能顺利通过磁分析器，磁感应强度B的取值范围；（3）当磁分析器中的磁感应强度B为最小值时，粒子落在xOy平面上的坐标。15.对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。质量为m、电荷量为+q的铀235离子，从容器A下方、金属板上方的小孔处不断飘入电场，其初速度可视为零，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动。离子行进半个圆周后离开磁场并被收集，离开磁场时离子束的等效电流为I。不考虑离子重力及离子间的相互作用。求：(1)匀强电场场强E的大小和离子从电场射出时速度v的大小；(2)离子在磁场中做匀速圆周运动的半径R；(3)在离子被收集的过程中时间t内收集到离子的质量M。1.回旋加速器的工作原理如图甲所示，D形金属盒置于真空中，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间可以忽略，匀强磁场与盒面垂直。图乙为回旋加速器所用的交变电压随时间变化的规律，某同学保持交变电压随时间变化的规律不变，调整所加磁场的磁感应强度大小，从而实现利用同一回旋加速器分别加速氘核和氦核两种粒子。忽略相对论效应的影响，则（）A.回旋加速器加速带电粒子能够达到的最大速度与D形金属盒的半径有关B.氘核和氦核在回旋加速器中的运动时间之比为C.氘核和氨核的加速次数之比为D.加速氘核和氦核的磁感应强度大小之比为22.如图所示，在纸面内建立直角坐标系xOy，以第Ⅲ象限内的直线OM（与负x轴成45°角）和正y轴为界，在x<0的区域建立匀强电场，方向水平向左，场强大小E=2V/m；以直线OM和正x轴为界，在y<0的区域建立垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B=0.1T．一不计重力的带负电粒子从坐标原点O沿y轴负方向以v0=2×103m/s的初速度射入磁场．已知粒子的比荷为q/m=5×104C/kg，求：（1）粒子经过1/4圆弧第一次经过磁场边界时的位置坐标？（2）粒子在磁场区域运动的总时间？（3）粒子最终将从电场区域D点离开电，则D点离O点的距离是多少？3.根据牛顿力学经典理论，只要物体的初始条件和受力情况确定，就可以推知物体此后的运动情况。情境1：如图1所示，空间存在水平方向的匀强磁场（垂直纸面向里），磁感应强度大小为，在磁场中点处有一质量为、电荷量为的带电粒子。已知重力加速度。（1）若使带电粒子获得某一水平向右的初速度，恰好做匀速直线运动，求该粒子的速度大小；情境2：质谱仪由离子室、加速电场、速度选择器和分离器四部分组成，如图2所示。已知速度选择器的两极板间的电场强度为，磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度大小为，方向垂直纸面向外。某次实验离子室内充有某种带电离子，经加速电场加速后从速度选择器两极板间的中点平行于极板进入，部分离子通过小孔后进入分离器的偏转磁场中。在速度选择器中，沿直线运动的离子打在感光区域的点，测得到点的距离为。不计离子的重力及离子间的相互作用，不计小孔、的孔径大小。（2）求该离子的比荷；（3）若从点入射的离子速度满足时（很小），也能从点进入分离器，求该速度选择器宽度的最小值和板长需要满足的条件。4..（如图所示，光滑绝缘水平桌面上，虚线的左侧区域内存在水平向右的匀强电场，场强大小为，已知和之间的距离，其中存在垂直桌面向下的匀强磁场，磁感应强度大小为，的右侧存在垂直桌面向上、足够宽的匀强磁场，磁感应强度大小为，现将一个带电荷量、质量的小球从左侧的A点由静止释放，小球在电场力作用下向右运动，之后在两个磁场区域内做匀速圆周运动，最终又回到电场区域，求：（1）带电小球在两个磁场区域内做匀速圆周运动的轨迹半径和；（2）带电小球从释放到第一次速度减到零的过程所经历的时间。5．如图所示，在坐标系中，区域Ⅰ是圆心为、半径的圆形匀强磁场，磁感应强度大小为，方向垂直于纸面向里。在处有一与轴平行的足够长荧光屏MN，屏MN与轴间存在有沿轴正方向的匀强电场。在区域内，一群质量、电荷量大小的负电粒子，在纸面内以速度平行于轴正方向射入圆形磁场区域，随后所有粒子都从点进入电场，其中粒子正对沿半径的方向射入（不计粒子的重力和粒子间的相互作用）。（1）求粒子在圆形磁场区域运动的时间；（2）已知到达荧光屏MN上的粒子速度大小为，求匀强电场的电场强度大小；（3）求粒子打在荧光屏MN上的位置范围。

6.）如图所示，半径分别为r和2r的同心圆在同一竖直面内，O为圆心，MN为大圆的竖直直径。两圆之间的环形区域（I区）和小圆内部（II区）存在磁感应强度大小不同、方向均垂直圆面向里的匀强磁场。间距为d的两平行金属极板间存在匀强电场，右极板上开有一小孔。一质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子由左极板内侧P点（正对小孔）静止释放，经电场加速后，粒子以水平向右的速度v射出电场，从N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I区的磁感应强度大小；（3）若I区、II区的磁感应强度大小分别为，求粒子运动一段时间第一次回到N点所经过的路程。7..如图所示为某款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S、加速电场PQ，静电分析器、偏转磁场、记录板，静电分析器通道中心线的半径为R，通道内有均匀辐向的电场，中心线处的电场强度大小为E，记录板MN紧靠静电分析器水平放置，静电分析器和记录板下方分布着范围足够大的匀强磁场，离子源S可以发射初速度不计的正离子，已知该离子源发射的质子经过加速电场加速后进入静电分析器，恰能沿静电分析器中心线做匀速圆周运动，之后竖直向下飞入匀强磁场，最终水平偏转距离d后打在记录板上，设质子的质量为m，电荷量为q，求：（1）加速电场的电压U；（2）匀强磁场的磁感应强度大小B；（3）若匀强磁场区域磁感应强度大小的波动范围为，为使质子与氘核打在记录板上的位置不重合，ΔB的取值范围。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