高中 | 带电粒子在组合场中的运动问题 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

带电粒子在组合场中的运动问题

如图所示,空间存在着两个方向均垂直纸面向外的匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ,磁感应强度大小分别为$B_{1}$$B_{2}$,且$B_{1}=B_{0}$$B_{2}=4B_{0}$$MN$为两个磁场的边界。一质量为$m$、电荷量为$q$的带正电粒子(不计重力)从边界上的$A$点以一定的初速度垂直$MN$竖直向上射入匀强磁场区域Ⅰ中,边界$MN$上的$C$点与$A$点的距离为$d$。若粒子恰能经过$C$点,则该粒子从$A$点射入磁场的速度$v_{0}$大小可能为$(\quad\ \ \ \ )$

["

$\\dfrac{dqB_{0}}{8m}$

","

$\\dfrac{dqB_{0}}{2m}$

","

$\\dfrac{2dqB_{0}}{3m}$

","

$\\dfrac{dqB_{0}}{m}$

"]
[["ABC"]]

粒子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力得:

$qBv_{0}=m\dfrac{v_0^2}{r}$

解得圆周运动半径为:$r=\dfrac{mv_0}{qB}$

设粒子在区域Ⅰ中的半径为$r_{1}$,在区域Ⅱ中的半径为$r_{2}$,可得:

${r}_{1}=\dfrac{m{v}_{0}}{q{B}_{0}}$${r}_{2}=\dfrac{m{v}_{0}}{4q{B}_{0}}$

可得:$r_{1}=4r_{2}$

粒子的运动轨迹如下图所示,轨迹与分界线$MN$的交点为$C_{1}$$C2$$C_{3}$$C_{4}$$\cdots \cdots$

$C_{1}$$C_{3}$$C_{5}$$C_{7}$$\cdots \cdots$作为$C$点时,需满足:

$n(2r_{1}-2r_{2})=d$

联立解得:$r_{1}=\dfrac{2d}{3n}$$n=1$$2$$3\cdots \cdots$

此时可得:$v_{0}=\dfrac{2dqB_0}{3nm}$

$n=1$时,$v_{0}=\dfrac{2dqB_0}{3m}$

$C_{2}$$C_{4}$$C_{6}$$C_{8}$$\cdots \cdots$作为$C$点时,需满足:

$2r_{1}+k(2r_{1}-2r_{2})=d$

联立解得:$r_{1}=\dfrac{2d}{4+3k}$$k=0$$1$$2$$3\cdots \cdots$

此时可得:$v_{0}=\dfrac{2dqB_0}{(4+3k)m}$

$k=0$时,$v_{0}=\dfrac{dqB_0}{2m}$;当$k=4$时,$v_{0}=\dfrac{dqB_0}{8m}$

综上所述,可知$ABC$正确,$D$错误。

故选:$ABC$

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如图所示,在平面内有以虚线为理想边界的匀强电场和匀强磁场区域,与轴成角,与轴之间的磁场方向垂直纸面向外,与轴之间的电场平行于轴向右,电场强度为,在轴上有一点,到点的距离为,现有一个质量为,带电量为的带电粒子从静止经电压为的电场加速后从点以垂直轴的速度方向进入磁场区域(加速电场图中没有画出),不计带电粒子的重力,求 现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。如图所示,平面直角坐标系中第象限存在垂直于纸面向外的匀强磁场(大小未知);第象限存在沿轴正方向的大小未知的匀强电场;第象限交替分布着沿方向的匀强电场和垂直平面向里的匀强磁场,电场、磁场的宽度均为,边界与轴垂直,电场强度,磁感应强度。一质量为,电量为的粒子从点以平行于轴的初速度进入第象限,恰好从点进入第象限,然后又垂直于轴进入第象限,多次经过电场和磁场后某时刻粒子的速度沿轴正方向。粒子始终在电场、磁场中运动,不计粒子重力及运动时的电磁辐射。求: 如图所示,真空中水平正对放置的两块带电金属板,板间形成匀强电场,电场强度大小为,板间同时存在与匀强电场正交的匀强磁场,磁感应强度大小为,方向垂直于纸面向里。金属板右端以为圆心的圆形区域内存在另一方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。一带电粒子从点射入金属板间,沿直线运动,从点射出。已知为直径,长度为,与夹角为,不计粒子重力。则 同步辐射光源中储存环的简化模型如图所示,内、外半径分别为、的两个半圆环区域、中均有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。与间有一电势差为的加速电场,与间有一个插入件,电子每次经过插入件后,速度减小为通过前的倍。现有一个质量为、电荷量为的电子,垂直于射入插入件,经过磁场、电场再次到达的速度增加,多次循环后到达的速度不再增加,达到稳定值。不考虑相对论效应,忽略经过电场和插入件和的时间。 如图所示是质谱仪的结构简化图。在速度选择器上方存在有界磁场区域,该区域上边界为直线,下边界由直线、半圆、直线组成,、、、共线,与上边界平行且相距为,、之间放置足够长的照相底片,包含边界在内该区域存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。粒子源发射出质量为、电荷量为的粒子恰能沿直线通过速度选择器,并从距离点的小空隙竖直向上射入磁场区域,并全部打在照相底片上。已知速度选择器中磁感应强度大小为,电场强度大小为,不计粒子重力,求∶ 如图所示的三维空间中,平面左侧区域记为Ⅰ,区域Ⅰ内存在沿轴负方向的匀强电场;平面与垂直于轴足够大的荧光屏之间的区域记为Ⅱ,区域Ⅱ内存在沿轴正方向的匀强磁场,磁感应强度大小为,荧光屏与轴交点位置的坐标不确定。一质量为、电荷量为的粒子从坐标处进入区域Ⅰ,粒子初速度大小为,方向沿着轴正方向,经过平面时的坐标为,再经过磁场偏转后击中荧光屏,不计粒子的重力。
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