浙江2020高考物理尖子生核心素养提升专题06平移圆、放缩圆、旋转圆问题(解析版)

浙江省高中物理解题能力提升之平移圆、放缩圆、旋转圆问题题型1平移圆问题.适用条件（1）速度大小一定，方向一定，入射点不同但在同一直线上粒子源发射速度大小、方向一定，入射点不同但在同一直线上的带电粒子进入匀强磁场时,它们做匀速圆周运动的半径相同，若入射速度大小为,、 mvo它们做匀速圆周运动的半径相同，若入射速度大小为V0,则圆周运动半径R=%B'如图所示（图中只画出粒子带负电的情景 ）。（2）轨迹圆圆心共线带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在同一直线上，该直线与入射点的连线平行。.界定方法将半径为R=mvoqB将半径为R=mvoqB的圆进行平移，从而探索粒子的临界条件，这种方法叫平移圆法［例1］（多选）利用如图所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子。图中板MN上方是磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，板上有两条宽度分别为2d和d的缝,两缝近端相距为L。一群质量为m、电荷量为q、速度不同的粒子，从宽度为2d的缝垂直于板MN进入磁场，对于能够从宽度为d的缝射出的粒子，下列说法正确的是（）XXXXXXXX

XXXXXXXX

xxxxx^xxxA.射出粒子带正电B.射出粒子的最大速度为B.射出粒子的最大速度为qB3d+L

2mC.保持d和L不变，增大B,射出粒子的最大速度与最小速度之差增大D.保持d和B不变，增大L,射出粒子的最大速度与最小速度之差增大［解析］利用左手定则可判定，射出粒子带负电， A项错误；利用qvB=mv^Dr=mv,能射出的粒子半径满足L*芍生因此射出粒子的最大速度叱=呻吟晅射,B项正确；射出粒子的最小速度qBrmin确；射出粒子的最小速度qBrminqBLVmin= =：—m2mAsvmax一爪=黑，由此可判定，C项正确，D项错误。［答案］［答案］BC题型2放缩圆问题.适用条件(1)速度方向一定，大小不同粒子源发射速度方向一定、 大小不同的带电粒子进入匀强磁场时， 这些带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径随速度的变化而变化。(2)轨迹圆圆心共线如图所示(图中只画出粒子带正电的情景)，速度v越大，运动半径也越大。带电粒子沿同一方向射入磁场后，它们运动轨迹的圆心在垂直初速度方向的直线 PP上。*其乂X**其乂X*XO点沿纸面以( )A.O点沿纸面以( )A.若该带电粒子在磁场中经历的时间是B.若该带电粒子在磁场中经历的时间是C.若该带电粒子在磁场中经历的时间是D.若该带电粒子在磁场中经历的时间是53电则匕--7E从cd边射出磁场23t°，3则它一*从ad边射出磁场54t0,则它一*从bc边射出磁场to,则它0从ab边射出磁场P| X X X X XX X X X XxxxX X X X XI X X X X X.界定方法以入射点P为定点，圆心位于PP直线上，将半径放缩做轨迹，从而探索出临界条件，这种方法称为放缩圆法”。［例2］(多选)如图所示，垂直于纸面向里的匀强磁场分布在正方形 abcd区域内，。点是cd边的中点。一个带正电的粒子仅在磁场力的作用下， 从。点沿纸面以垂直于cd边的速度射入正方形内，经过时间to后刚好从c点射出磁场。现设法使该带电粒子从与Od成30°角的方向，以大小不同的速率射入正方形内，下列说法中正确的是［解析］如图所示，作出带电粒子以与Od成30。角的方向的速度射入正方形内时， 刚好从ab边射出的轨迹①、刚好从bc边射出的轨迹②、从cd边射出的轨迹③和刚好从 ad边射出的轨迹④。由从。点沿纸面以垂直于cd边的速度射入正方形内，经过时间 to后刚好从c点射出磁场可知，带电粒子在磁场中做圆周运动的周期是 2to。由图中几何关系可知，从ad边射出磁场经1 1 5 历的时间一te小于？0；从ab边射出磁场经历的时间一定大于 §to,小于下。；从bc边射出磁5 4 5场经历的时间一7E大于己0,小于3t0；从cd边射出磁场经历的时间一7E是§to。综上所述，A、C正确。［答案］AC题型3旋转圆问题.适用条件(1)速度大小一定，方向不同粒子源发射速度大小一定、方向不同的带电粒子进入匀强磁场时， 它们在磁场中做匀速圆周qB运动的半径相同，若射入初速度为 vo,则圆周运动半径为R=mV0,如图所示。qB(2)轨迹圆圆心共圆qB带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点为圆心、半径 R=mV0的圆上。qB.界定方法将半径为R=mV0的圆以带电粒子入射点为圆心进行旋转，从而探索粒子的临界条件，这种qB方法称为旋转圆法”。［例3］边长为L的等边三角形OAB区域内有垂直纸面向里的匀强磁场。在纸面内从 O点向磁场区域AOB各个方向瞬时射入质量为m、电荷量为q的带正电的粒子，所有粒子的速率均为V。如图所示，沿OB方向射入的粒子从AB边的中点C射出，不计粒子之间的相互作用和重力的影响，已知sin35°=0.57点：

(1)匀强磁场的磁感应强度的大小;(2)带电粒子在磁场中运动的最长时间;(1)OC=Lcos30(3)沿OB方向射入的粒子从AB边的中点C射出时，还在磁场中运动的粒子占所有粒子的比例。(1)OC=Lcos30［解析］沿OB方向射入的粒子从AB边的中点C射出，由几何知识得，粒子做圆周运动的圆弧对应的圆心角为60°半径r=OC=*L由qvB=由qvB=mv2

r(2)从A点射出的粒子在磁场中运动时间最长，设弦 OA对应的圆心角为 “，由几何关系得La2~^~3sin£=r=3 0.577片70日m日m, 7027m取长时间tm淘运7v3社36v(3)从(3)从OA上D点射出的粒子做圆周运动的弦长OD=OC,粒子做圆周运动的圆弧对应的圆心角也为60°,如图所示，由几何知识得入射速度与 OD的夹角应为30°,即沿OC方向射入的粒子在磁场中运动的时间与沿 OB方向射入的粒子从AB边的中点C射出的时间相等,从OB方向到OC方向这30°范围内的粒子此时都还在磁场中， 而入射的范围为60°,故还在磁场中运动的粒子占所有粒子的比例是［答案］2v3mv,”7Yl37t,0、1⑴3qL(2)36v (3)2［答案］［集训冲关］

.（2019广州^^测）不计重力的两个带电粒子 M和N沿同一方向经小孔S垂直进入匀强磁场,在磁场中的运动轨迹如图所示。分别用vM与VN、tM与tN、■器与黑表示它们的速率、在磁场中运动的时间、比荷，则（A•如果mM端，则vM>vNC.A•如果mM端，则vM>vNC.如果VM=VN,D.qMqNmMmNB.如果贝UvM<VN如果tM=tN,则qMqNmMmN解析：选A由qvB=mR导m=BR,由题图可知rm>rn,如果黑=黑，则vM>VN,A正确,B错误；如果VM=VN,则mM<mN，C错误；由题图可知t=-2=-q-,如果tM=tN,则需=北，D错误。.（多选）如图所示，S处有一电子源，可向纸面内任意方向发射电子， 平板MN垂直于纸面，在纸面内的长度L=9.1cm,中点。与S间的距离d=4.55cm,MN与SO直线的夹角为以磁感应强度B=2.0M0磁感应强度B=2.0M0To电子质量m=9.11031kg,电荷量大小e=1.61019C,不计电子重力，电子源发C.0=45°时,D.0=30°C.0=45°时,D.0=30°时，l=4.55cml=4.55cml,则（）解析：选AD电子在磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，有解析：选AD电子在磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，有「mv2-mv,一、“evB=-z-,R=_z_=4.55>10R'Be2m=4.55cm2m=4.55cmL-,0=90°时，击中板的范围如图甲所示,l=2R=9.1cm,选项A正确；0B错误；0=30°时，击中板的范=60°时，击中板的范围如图乙所示， lB错误；0=30°时，击中板的范l>R=4.55cm,围如图丙所示，l=R=4.55cm,当0=45°l>R=4.55cm,故选项D正确，C错误。

3.如图所示，磁感应强度大小为 B=0.15T、方向垂直纸面向里的匀强磁场分布在半径为 R=0.10m的圆形区域内，圆的左端跟y轴相切于直角坐标系原点 O,右端跟很大的荧光屏MN相切于x轴上的A点。置于原点的粒子源可沿x轴正方向射出速度不同的带正电的粒子流，粒子的重力不计，比荷 1=1.0M08C/kg。(1)请判断当粒子分别以vi=1.5^3X106m/s和v2=0.5^3X106m/s的速度射入磁场时，能否打到荧光屏上；(2)要使粒子能打在荧光屏上，求粒子的速度 V0的大小应满足的条件；(3)若粒子的速度v0=3.0106m/s,且以过。点并垂直于纸面的直线为轴，将圆形磁场逆时针缓慢旋转90。，求此过程中粒子打在荧光屏上离 A点的最远距离。解析:(1)粒子以不同速度射入磁场的轨迹示例如图甲所示，由几何知识得当粒子做圆周运动的半径r>R时，粒子沿图中①方向射出磁场能打到荧光屏上，当粒子做圆周运动的半径 r尔时,将沿图中②、③方向射出磁场，不能打到荧光屏上。V1当粒子速度为vi时，由洛伦兹力提供向心力，得 qviB=m*ri，解得ri=J3R>R,故能打到荧光屏上；同理，当粒子的速度为V2时，解得「2=^R<R,故不能打到荧光屏上。3(2)设当V0=V3时，粒子恰好打不到荧光屏上，则这时粒子沿图甲中②方向从磁场的最高点竖直向上射出磁场。由几何关系可知，粒子在磁场中的轨迹半径 「3=R,由洛伦兹力提供向心力，得 qv3B=m叵，r3解得V3=1.5106m/s。由分析可知，当vo>1.5106m/s时，粒子能打到荧光屏上。⑶j/inM.一2R-设速度Vo=v4=3.0106m/s时，粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径为 「4,由洛伦兹力提供向心力，V42得qv4B=m—,「4解得r4=2R,如图乙所示，粒子在磁场中运动的轨迹是以 E点为圆心，以「4为半径的一段圆弧