12.11带电粒子在交变电磁场中的运动（原卷版）高考一轮复习100考点100讲

2024年高考一轮复习100考点100讲第12章磁场第12.11讲带电粒子在交变电磁场中的运动【知识点精讲】带电粒子在交变电磁场中的运动问题分类1.交变磁场＋恒定电场2.交变电场＋恒定磁场3.交变磁场＋交变电场【方法归纳】解决带电粒子在交变电磁场中的运动问题的基本思路【典例剖析】如图甲所示，虚线MN的左侧空间中存在竖直向上的匀强电场(上、下及左侧无边界)。一个质量为m、电荷量为q的带正电小球(视为质点)以大小为v0的水平初速度沿PQ向右做直线运动。若小球刚经过D点时(t＝0)，在电场所在空间叠加如图乙所示随时间周期性变化、垂直纸面向里的匀强磁场，使得小球再次通过D点时的速度方向与PQ连线成60°角。已知D、Q间的距离为(eq\r(3)＋1)L，t0小于小球在磁场中做圆周运动的周期，重力加速度大小为g。(1)求电场强度E的大小；(2)求t0与t1的比值；(3)小球过D点后将做周期性运动，当小球运动的周期最大时，求此时磁感应强度的大小B0及运动的最大周期Tm。[审题指导]题中信息吹“沙”见“金”沿PQ向右做直线运动小球受力平衡，通过平衡条件，可求出电场强度的大小小球再次通过D点速度与PQ成60°角画出运动轨迹，找出直线运动位移大小与匀速圆周运动轨迹半径的关系求运动的最大周期当小球运动轨迹最长，圆弧轨迹与MN相切时小球运动周期最大【最新高考题精练】1.（2012·海南物理）图（a）所示的xOy平面处于匀强磁场中，磁场方向与xOy平面(纸面)垂直，磁感应强度B随时间t变化的周期为T，变化图线如图（b）所示。当B为+B0时，磁感应强度方向指向纸外。在坐标原点O有一带正电的粒子P，其电荷量与质量之比恰好等于。不计重力。设P在某时刻t0以某一初速度沿y轴正方向自O点开始运动，将它经过时间T到达的点记为A。（1）若t0=0，则直线OA与x轴的夹角是多少？（2）若t0=T/4，则直线OA与x轴的夹角是多少？（3）为了使直线OA与x轴的夹角为π/4，在0<t0<T/4的范围内，t0应取何值？是多少？④⑤图32．（2010山东理综）如图3所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里。一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动。已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此类推。求图3（1）粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1。（2）粒子第n次经过电场时电场强度的大小En。（3）粒子第n次经过电场所用的时间tn。（4）假设粒子在磁场中运动时，电场区域场强为零。请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中，电场强度随时间变化的关系图线（不要求写出推导过程，不要求标明坐标刻度值）。【最新模拟题精练】1.（2023山东聊城三模）.如图（a），空间直角坐标系中，有一长方体区域，四边形是边长为L的正方形，长度为，其顶点分别是a、b、c、d、O、、、，其中、、在坐标轴上，区域内（含边界）分布着电场或磁场。时刻，一质量为、电荷量为的带正电粒子，以初速度从a点沿方向射入区域，不计粒子重力。（1）若区域内仅分布着沿y轴负方向的匀强电场，则粒子恰能从点离开区域，求电场强度的大小；（2）若区域内仅分布着方向垂直于平面匀强磁场，则粒子能从连线上距d点的点离开区域，求磁感应强度的大小；（3）若区域内仅交替分布着方向沿x轴负方向的磁场和沿y轴正方向的磁场，且磁感应强度和的大小随时间周期性变化的关系如图（b）所示，则要使粒子从平面离开，且离开时速度方向与平面的夹角为60°，感应强度大小的可能取值。2.(2023湖北天门考前冲刺)某学习小组设计了一个装置测量磁感应强度B。如图甲所示，比荷为，带正电的粒子以水平速度从平行间距为、长度为金属板MN间中线连续射入电场中，MN板间接有如图乙所示的随时间t变化的电压，电压变化周期，两板间电场均匀分布，且两板外无电场。紧邻金属板右侧有垂直纸面向里的待测匀强磁场和足够大、可向右平移的荧光屏，粒子重力忽略不计。（1）求当荧光屏紧邻金属板右侧时，荧光屏上发光的长度；（2）现将荧光屏从紧邻金属板右侧向右缓慢平移，发现当荧光屏向右移动时，荧光屏上发光的长度刚好减为零，求磁感应强度B的大小；（3）在（2）的条件下，在将荧光屏从紧邻金属板右侧向右缓慢平移，求此过程中荧光屏上发光长度的最大值（结果保留2位有效数字）。3.（2023安徽江淮十校5月联考）如图甲所示，在直角坐标系中四个点为四边形的四个顶点，四边形（包括边界）中存在匀强磁场，在范围内磁场的磁感应强度B随时间变化的图像如图乙所示（图像中T为未知量），设垂直纸面向外为正方向；内的匀强磁场与内的磁场总是大小相等、方向相反。在ab边正上方、ad边左侧、bc边右侧、cd边正下方，分别存在着大小相等的匀强电场，其方向分别与四边形区域的边界垂直且指向正方形内部（未画出）。质量为m、电荷量为q带正电的粒子某一时刻射入磁场，已知粒子在电场内做直线运动，重力不计，忽略粒子运动对电、磁场的影响。上述L、m、q、B为已知量。（1）若时刻粒子从点沿方向以大小为v（未知）的速度射入磁场，且磁感应强度B与速度v之间满足，粒子刚好在时刻离开磁场，经过一段时间后，又第一次回到点a，求粒子在电场中运动的最短路程；（2）若时刻粒子从点沿方向以大小为v（未知）的速度射入磁场，且磁感应强度B与速度v之间满足，粒子刚好在时刻离开磁场，经过一段时间后，又第一次回到点e，求粒子从出发到第一次回到点e的最短时间；（3）粒子在内从点沿Ob方向以某一速度射入磁场，此后在平面内做周期性运动，若电场强度大小为E，粒子在电场中做直线运动，且每当磁场发生变化时粒子恰好从电场射入磁场，求粒子初速度的所有可能值及对应的磁场变化的周期T。4（2023湖南押题卷）如图甲所示，竖直平面内的直角坐标系的x轴水平，在y轴的右侧存在方向竖直向下的匀强电场，在第Ⅱ象限内存在方向水平向左的匀强电场和方向垂直坐标平面向外的匀强磁场。一质量、电荷量的带负电粒子以大小的初速度从x轴负半轴上到坐标原点O的距离的A点进入第Ⅱ象限，沿与x轴正方向夹角的方向做直线运动，当粒子经过P点时，在y轴的右侧加上一个交变磁场（图甲中未画出），粒子进入y轴右侧后做匀速圆周运动，规定垂直坐标平面向里为正，从粒子经过P点开始计时，交变磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示。取重力加速度大小，不计空气阻力。求：（1）第Ⅱ象限内匀强磁场的磁感应强度大小；（2）y轴右侧匀强电场的电场强度大小与第Ⅱ象限内匀强电场的电场强度大小之比；（3）粒子经过P点后第一次到达x轴的时间t。5.（2023江苏南京市中华中学一模）如图1所示，有一对垂直纸面水平放置的平行金属板，板长为，两板间距为，金属板右侧有一个半径为的圆形匀强磁场区域，圆心O位于平行金属板正中间的水平线上，磁场方向垂直纸面向里。金属板左侧的电子枪不断地沿正中间的水平线发射质量为、电荷量为的电子，发射电子的初速度恒定。若在两金属板上加上如图2所示的交变电压，周期为，电子在金属板内运动时间恒为，最大偏距的电子刚好从极板的边缘飞出。电子进入圆形磁场区域后均从磁场边界P点飞出，P点为竖直线与圆形磁场边缘的交点。不计电子间相互作用和重力，忽略金属板区域外的电场及交变电场产生的磁场。求：（1）发射电子的初速度大小及两板电压；（2）磁感应强度的大小；（3）从平行金属板正中间射出的电子和从上极板边缘射出的电子在磁场区域运动的时间之比。6.（2023辽宁铁岭六校期末联考）如图甲所示，长方形MNPQ区域（MN=PQ=3d），MQ与NP边足够长）存在垂直纸面向里的磁感应强度大小为B的匀强磁场。长为5d、厚度不计的荧光屏ab，其上下两表面均涂有荧光粉，ab与NP边平行，相距为d，且左端a与MN相距也为d。电子枪一个一个连续地发射出电子（已知电子质量为m、电荷量为e、初速度可视为零），经电场加速后，沿MN边进入磁场区域，电子打到荧光屏就会发光（忽略电子间的相互作用）。（1）若加速电压为U，求：电子进入磁场时的速度；（2）改变加速电压，使电子不断打到荧光屏上，求：荧光屏能发光区域的总长度；（3）若加速电压按如图乙所示的图像变化，求：从t=0开始一个周期内，打在荧光屏上的电子数相对总电子数的比例。（电子经加速电场的时间远小于周期T）7.(2023湖南怀化名校联考)在如图所示的正方形平面oabc内存在着垂直于该平面的匀强磁场，磁感应强度的变化规律如图所示．一个质量为m、带电量为的粒子不计重力，在时刻平行于oc边从o点射入磁场中．已知正方形边长为L，规定磁场向外的方向为正，磁感应强度的最大值为求：带电粒子在磁场中做圆周运动的周期；若带电粒子不能从oa边界射出磁场，磁感应强度B变化周期T的最大值；要使带电粒子从b点沿着ab方向射出磁场，满足这一条件的磁感应强度变化的周期T及粒子磁场时的速度．8.(2020·河北省衡水模拟)如图甲所示，在xOy平面内存在磁场和电场，磁感应强度和电场强度大小随时间周期性变化，B的变化周期为4t0，E的变化周期为2t0，变化规律分别如图乙和图丙所示。在t＝0时刻从O点发射一带负电的粒子(不计重力)，初速度大小为v0，方向沿y轴正方向，在x轴上有一点A(图中未标出)，坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(48v0t0,π)，0))。若规定垂直纸面向里为磁感应强度的正方向，y轴正方向为电场强度的正方向，v0、t0、B0为已知量，磁感应强度与电场强度的大小满足：eq\f(E0,B0)＝eq\f(v0,π)；粒子的比荷满足：eq\f(q,m)＝eq\f(π,B0t0)。求：(1)在t＝eq\f(t0,2)时，粒子的位置坐标；(2)粒子偏离x轴的最大距离；(3)粒子运动至A点的时间。9.（2023河北衡水中学一模）如图甲所示，三维坐标系中yOz平面的右侧存在平行于z轴且呈周期性变化的磁场（图中未画出）和沿y轴