备考2025高考物理“二级结论”精析与培优争分练讲义-13.带电粒子在复合场、组合场中的运动（学生版）

13.带电粒子在复合场、组合场中的运动——备考2025高考物理“二级结论”精析与培优争分练一、常见粒子的运动及解题方法磁场与磁场的组合问题实质就是两个有界磁场中的圆周运动问题，带电粒子在两个磁场中的速度大小相同，但轨迹半径和运动周期往往不同．解题时要充分利用两段圆弧轨迹的衔接点与两圆心共线的特点，进一步寻找边角关系．例题1.（2023·浙江绍兴·二模）霍尔推进器将来可能安装在飞船上用于星际旅行，其简化的工作原理如图所示，放电通道两端电极间存在加速电场，该区域内有与电场近似垂直的约束磁场（未画出）用于提高工作物质被电离的比例，工作时，工作物质氙气进入放电通道后被电离为氙离子，再经电场加速喷出，形成推力，某次测试中，氙气被电离的比例为，氙离子喷射速度为，推进器产生的推力为，推进器质量，已知氙离子的比荷为；计算时，取氙离子的初速度为零，忽略磁场对离子的作用力及粒子之间的相互作用，则（）

A．将该推进器用于宇宙航行时，飞船获得的加速度B．氙离子的加速电压约为C．氙离子向外喷射形成的电流约为D．每秒进入放电通道的氙气质量约为练1.（2023·贵州六盘水·二模）如图所示为一带电粒子探测器装置的侧视图：在一水平放置、厚度为d的薄板上下，有磁感应强度大小均为B但方向相反的匀强磁场：上方的磁场方向垂直纸面向里，而下方磁场方向垂直纸面向外。有一电荷量为q、质量为m的粒子进入该探测器，其运动轨迹如图中曲线所示，粒子的轨迹垂直于磁场方向且垂直穿过薄板。如果薄板下方轨迹的半径R大于薄板上方轨迹的半径r，设粒子重力与空气阻力可忽略不计，则下列说法正确的是（）A．粒子带正电，由O点沿着轨迹运动至P点B．穿过薄板后，粒子的动能为C．穿过薄板导致的粒子动能改变D．粒子穿过薄板时，所受到的平均阻力大小为二、电场与磁场的组合1．带电粒子先在匀强电场中做匀加速直线运动，然后垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动，如图甲．2．带电粒子先在匀强电场中做类平抛运动，然后垂直进入磁场做匀速圆周运动，如图乙．3．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)．4．进入电场时粒子速度方向与电场方向垂直(如图乙所示)．例题2.（2021·浙江·模拟预测）如图所示，在平面的第Ⅱ象限内有半径为的圆分别与轴、轴相切于、两点，圆内存在垂直于面向外的匀强磁场。在第Ⅰ象限内存在沿轴负方向的匀强电场，电场强度为。一带正电的粒子（不计重力）以速率从点射入磁场后恰好垂直轴进入电场，最后从点射出电场，出射方向与轴正方向夹角为，且满足。下列判断中正确的是（）A．粒子将从点射入第Ⅰ象限B．粒子在磁场中运动的轨迹半径为C．带电粒子的比荷D．磁场磁感应强度的大小练2.如图所示，在第一象限内有沿，轴负方向的匀强电场，在第二象限内有垂直纸面向外的匀强磁场，一个速度大小为v0的带正电的重力不计的带电粒子从距O点为L的A点射入磁场，速度方向与x轴正方向成60°时，粒子恰好垂直于y轴进入电场，之后通过x轴上的C点，C点距O点距离也为L。则电场强度E与磁感应强度B的大小比值为（）A． B． C． D．例题3.（2024·贵州安顺·一模）如图，在平面直角坐标系xOy的第一、四象限存在方向沿x轴正方向的匀强电场，在第二、三象限的区域存在方向垂直于xOy平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。一个带负电的粒子（重力不计）从x轴上的A点以大小为的初速度沿y轴正方向射出，粒子在电场和磁场中运动后回到A点。则场强E的大小为（

）A． B． C． D．练3.2022·辽宁大连·模拟预测）如图所示，竖直放置的两块很大的平行金属板a、b，相距为d，a、b间的电场强度为E，今有一带正电的微粒从a板下边缘以初速度v0竖直向上射入电场，当它飞到b板时，速度大小不变，而方向变为水平方向，且刚好从高度也为d的狭缝穿过b板而进入bc区域，bc区域的宽度也为d，所加电场强度大小为E，方向竖直向上，磁感应强度方向垂直纸面向里，磁场磁感应强度大小等于，重力加速度为g，则下列关于粒子运动的说法正确的是（）

A．粒子在ab区域的运动时间为B．粒子在bc区域中做匀速圆周运动，圆周半径r＝dC．粒子在bc区域中做匀速圆周运动，运动时间为D．粒子在ab、bc区域中运动的总时间为三、电磁流量计电磁流量计如图30所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动，导电流体中的自由电荷(正负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a、b间出现电势差．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定．图30由qvB＝qE＝qeq\f(U,d)可得v＝eq\f(U,Bd)流量Q＝Sv＝eq\f(πd2,4)·eq\f(U,Bd)＝eq\f(πdU,4B).例题4.（2023·天津红桥·二模）为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为和，左、右两端开口与排污管相连，如图所示。在垂直于上、下底面加磁感应强度为向下的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为的相互平行且正对的电极和，和与内阻为的电流表相连。污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况。下列说法中正确的是（）A．板比板电势高B．污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小C．污水流量大小，对电流表的示数无影响D．若只增大所加磁场的磁感强度，则电流表的示数也增大练4.（2023·北京东城·一模）工业上常用电磁流量计来测量高黏度及强腐蚀性流体的流量Q（单位时间内流过管道横截面的液体体积），原理如图甲所示，在非磁性材料做成的圆管处加一磁感应强度大小为B的匀强磁场，当导电液体流过此磁场区域时，测出管壁上下M、N两点间的电势差U，就可计算出管中液体的流量。为了测量某工厂的污水排放量，技术人员在充满污水的排污管末端安装了一个电磁流量计，如图乙所示，已知排污管和电磁流量计处的管道直径分别为20和10。当流经电磁流量计的液体速度为10时，其流量约为280，若某段时间内通过电磁流量计的流量为70，则在这段时间内（

）A．M点的电势一定低于N点的电势B．通过排污管的污水流量约为140C．排污管内污水的速度约为2.5D．电势差U与磁感应强度B之比约为0.25四、磁流体发电机磁流体发电机如图是磁流体发电机，等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上，产生电势差，设A、B平行金属板的面积为S，相距为L，等离子气体的电阻率为ρ，喷入气体速度为v，板间磁场的磁感应强度为B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过A、B板间时，板间电势差最大，离子受力平衡：qE场＝qvB，E场＝vB，电动势E＝E场L＝BLv，电源内电阻r＝ρeq\f(L,S)，故R中的电流I＝eq\f(E,R＋r)＝eq\f(BLv,R＋ρ\f(L,S))＝eq\f(BLvS,RS＋ρL).例题5.（2023·河北·三模）如图为磁流体发电机的示意图，间距为d的平行金属板A、B之间的磁场可看成匀强磁场，磁感应强度大小为B，板A、B和电阻R连接，将一束等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向喷入磁场，已知金属板A、B的正对面积为S，A、B及其板间的等离子体的等效电阻率为，下列说法正确的是（）

A．金属板A为正极 B．电阻R两端的电压为C．电阻R两端的电压为 D．流过电阻R的电流大小为练5.（2023·广东佛山·模拟预测）法拉第曾提出一种利用河流发电的设想，并进行了实验研究。实验装置示意图如图所示，两块面积均为的矩形平行金属板正对地浸在河水中，金属板间距为。水流速度处处相同大小为，方向水平向左，金属板面与水流方向平行。地磁场磁感应强度竖直向下的分量为，水的电阻率为，水面上方有一阻值为的电阻通过绝缘导线和开关连接到两金属板上。忽略边缘效应，则下列说法正确的是（）

A．电阻上的电流方向从里向外B．河水流速减小，两金属板间的电压增大C．该发电装置的电动势大小为D．流过电阻的电流大小为五、霍尔效应霍尔效应如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流流过导体板时，在导体板上下侧面间会产生电势差，U＝keq\f(IB,d)(k为霍尔系数)．例题6.（2024·黑龙江齐齐哈尔·一模）利用霍尔效应可将直流电转化为交流电，如图所示，宽度为h、厚度为d的霍尔元件放在与它垂直的磁感应强度大小为的磁场中（竖直向下为磁场正方向），当恒定电流I向右通过霍尔元件时，在它的两个表面之间会产生霍尔电压，已知该霍尔元件中的载流子为电子，电荷量大小为e，每单位体积内有n个电子，下列说法正确的是（）A．时，霍尔元件上表面的电势高于下表面B．时，霍尔元件前侧面的电势低于后侧面C．输出霍尔电压的表达式为D．输出霍尔电压的有效值为练6.（2024·江西·一模）利用霍尔元件可以进行微小位移的测量，如图甲所示，在两块磁感应强度相同、N极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件．该霍尔元件长为，宽为，厚为，建立如图乙所示的空间坐标系，保持沿方向通过霍尔元件的电流不变，霍尔元件沿方向移动时，由于不同位置处磁感应强度不同，在表面间产生的霍尔电压不同，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度为0，为0，将该点作为位移的零点，在小范围内，磁感应强度的大小与位移的大小成正比，这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表，下列说法中正确的是（）A．该仪表的刻度线是不均匀的B．该仪表只能测量微小位移的大小，不能确定位移的方向C．某时刻测得霍尔电压为，则霍尔电场的场强大小为D．若霍尔元件中导电的载流子为电子，则当时，表面电势低于表面的电势六、回旋加速器回旋加速器如图所示，是两个D形金属盒之间留有一个很小的缝隙，有很强的磁场垂直穿过D形金属盒．D形金属盒缝隙中存在交变的电场．带电粒子在缝隙的电场中被加速，然后进入磁场做半圆周运动．(1)粒子在磁场中运动一周，被加速两次；交变电场的频率与粒子在磁场中圆周运动的频率相同．T电场＝T回旋＝T＝eq\f(2πm,qB).(2)粒子在电场中每加速一次，都有qU＝ΔEk.(3)粒子在边界射出时，都有相同的圆周半径R，有R＝eq\f(mv,qB).(4)粒子飞出加速器时的动能为Ek＝eq\f(mv2,2)＝eq\f(B2R2q2,2m).在粒子质量、电量确定的情况下，粒子所能达到的最大动能只与加速器的半径R和磁感应强度B有关，与加速电压无关．例题7.（2024·黑龙江·一模）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氘核（）加速，所需的高频电源的频率为f，磁感应强度为B，已知元电荷为e，下列说法正确的是（

）A．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大B．高频电源的电压越大，氘核最终射出回旋加速器的速度越大C．氘核的质量为D．该回旋加速器接频率为f的高频电源时，也可以对氦核（）加速练7.（23-24高三上·湖南长沙·阶段练习）应用磁场工作的四种仪器如图所示，则下列说法中正确的是（）

A．甲中回旋加速器加速带电粒子的最大动能与加速电压成正比B．乙中不改变质谱仪各区域的电场磁场时击中光屏同一位置的粒子一定是同种粒子C．丙中通上如图所示电流和加上如图磁场时，，则霍尔元件的自由电荷为正电荷D．丁中长宽高分别为a、b、c的电磁流量计加上如图所示磁场，若流量Q恒定，前后两个金属侧面的电压与a、b无关七、质谱仪1．质谱仪原理图：2．质谱仪工作原理(1)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU＝eq\f(1,2)mv2。(2)偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得：qvB＝meq\f(v2,r)，联立解得：r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，如果测出半径，就可以判断带电粒子比荷的大小，如果测出半径且已知电荷量，就可求出带电粒子的质量。例题8.（2024·广西贵港·二模）质谱仪在物理研究中起着非常重要的作用。如图是质谱仪的工作原理示意图。粒子源（在加速电场上方，未画出）产生的带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片。平板S下方有磁感应强度为的匀强磁场。不计带电粒子的重力和粒子间的作用力，下列表述正确的是（）A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于C．粒子打在胶片上的位置离狭缝P越远，粒子的比荷越大D．某种元素同位素的原子核，打在胶片上的位置离狭缝P越远，表明其质量数越大练8.（2023·云南昭通·模拟预测）有、、、d四个粒子均带正电荷且电荷量相等，质量关系为，四个粒子以不同的速率（）先后从如图所示的S点沿虚线（虚线与两金属板平行）进入速度选择器（同时存在匀强磁场和匀强电场）后，只有两个粒子沿直线从速度选择器射出，经匀强磁场偏转后分别打在点和点，另外两个粒子分别打在板和板上（图中未画出），不计粒子重力，则（）

A．打在点的是粒子 B．打在点的是d粒子C．偏向板的是粒子 D．偏向板的是粒子（建议用时：60分钟）一、单选题1．（2023·新疆阿勒泰·三模）如图所示，在的区域存在方向沿轴正方向的匀强电场，场强大小为，在的区域存在方向垂直于平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为。一个带负电的粒子（重力不计）从轴上的A点以大小为的初速度沿轴正方向射出，粒子在电场和磁场中运动后回到A点。则（）

A． B．C． D．2．（2023·浙江金华·模拟预测）范德格拉夫静电加速器由两部分组成，一部分是产生高电压的装置，叫作范德格拉夫起电机，加速罩（金属球壳）是半径a=0.5m的一个铝球，由宽度D=10cm、运动速度的一条橡胶带对它充电，从而使金属壳与大地之间形成500kV的高电压。另一部分是加速管和偏转电磁铁，再加上待加速的质子源就构成了一台质子静电加速器，如图中所示。抽成真空的加速管由20个金属环及电阻组成（图中仅画出电阻中的6个），金属环之间由玻璃隔开，各环与500MΩ的电阻串联。从质子源引出的质子进入加速管加速，然后通过由电磁铁产生的一个半径b=10cm的圆形匀强磁场区域引出打击靶核。已知质子束的等效电流为25μA，质子的比荷。下列说法不正确的是（）

A．若不考虑传送带和质子源的影响，加速罩内的电场强度E=0B．若不考虑传送带和质子源的影响，加速罩内的电势=500kVC．要维持加速罩上500kV的稳定电压，喷射到充电带表面上的面电荷密度为37.5μC/m2D．质子束进入电磁铁，并做角度的偏转，磁感应强度B的大小为0.29T3．（23-24高三上·河北·期末）大型强子对撞机是将质子加速后对撞的高能物理设备，如图甲所示，对撞机的主要结构由两个质子束发射器、两个半圆环轨道质子加速器和质子对撞区域组成。半圆环轨道中的电场线是与圆环共圆心的同心圆弧，且到圆心距离相同的位置电场强度大小相等，质子沿圆环轨道中心进入半圆环轨道后，在磁束缚装置作用下沿圆环中心加速运动，最终在对撞区域碰撞。已知质子质量m=1.6×10-27kg、电荷量e=1.6×10-19C，半圆环加速轨道中心处到圆心距离R=50m，该处电场强度的大小E=×105V/m。发射器发射出的质子初速度忽略不计。计算时取=10，不考虑质子质量的相对论效应。若某次实验时将右侧加速器和发射器往上平移d=0.2m，平移后对撞区域如图乙所示，质子进入对撞区域时的位置的水平距离D=0.4m，入射点分别为A点和B点，其他装置不变，为了使质子在对撞区域恰好相撞，可以在对撞区域内加一个垂直纸面向里的匀强磁场。不计质子受到的重力，取sin37°=0.6，cos37°=0.8，下列说法正确的是（）A．质子在所加磁场中运动的半径为0.5mB．所加匀强磁场的磁感应强度大小为8TC．两质子在对撞区域的磁场中各运动，s时相撞D．若所加匀强磁场为两个直径相同、垂直纸面向里的匀强磁场，则每个圆形磁场的最小面积为m24．（2019·陕西宝鸡·模拟预测）如图所示为一种质谱仪的示意图，该质谱仪由速度选择器、静电分析器和磁分析器组成。速度选择器中电场强度大小为E1，磁感应强度大小为B1、方向垂直于纸面向里；静电分析器通道中心线为圆弧，圆弧的半径（OP）为R，通道内有均匀辐向分布的电场，在中心线处的电场强度大小为E；磁分析器中有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外。一带电粒子以速度v沿直线经过速度选择器后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直于边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点，不计粒子重力。下列说法正确的是（）A．速度选择器的极板P1的电势比极板P2的低B．粒子的速度C．粒子的比荷为D．P、Q两点间的距离为5．（2024·广东中山·模拟预测）以下装置中都涉及到磁场的具体应用，关于这些装置的说法正确的是（）

A．甲图为回旋加速器，增加电压U可增大粒子的最大动能B．乙图为磁流体发电机，可判断出A极板比B极板电势低C．丙图为质谱仪，打到照相底片D同一位置粒子的电荷量相同D．丁图为速度选择器，特定速率的粒子从左右两侧沿轴线进入后都做直线运动6．（2023·云南昆明·模拟预测）如图所示，两块平行板带有异种电荷，两板中间有垂直纸面向里的匀强磁场，不计重力的两离子从两板的左侧沿中线做匀速直线运动，经小孔垂直进入另一匀强磁场（方向也垂直纸面向里），运行的半圆轨迹如图中虚线所示，最终两离子打到了隔板上被吸收。下列说法正确的是（

）A．板带负电，板带正电B．离子带正电，离子带负电C．在右侧磁场中，离子的运行时间大于离子的运行时间D．洛伦兹力对离子做正功7．（2024·甘肃白银·一模）一霍尔元件的简化示意图如图所示，其长为a，宽为b，厚度为d，单位体积内的自由电子数为n，其导电粒子是电荷量为e的自由电子，元件中通有方向向右的电流，匀强磁场的磁感应强度大小为B、方向竖直向上。稳定时，霍尔元件前、后表面间的电压为U。下列关于霍尔元件说法正确的是（）A．霍尔元件前表面的电势比后表面的高 B．电压U与元件单位体积内的自由电子数n无关C．元件中通有的电流为 D．每个自由电子所受洛伦兹力的大小为8．（2023·山东潍坊·三模）如图所示，在轴下方宽度为的区域中，的区域有沿轴正方向的匀强电场，场强，的区域无电场。在和的区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度。一比荷的带正电粒子从点由静止释放，不计粒子重力，以下判断正确的是（）

A．粒子第一次经过轴时速度大小为B．粒子第三次经过轴时速度方向与轴垂直C．粒子第三次经过轴时的位置坐标为D．粒子从开始释放到第五次经过轴所用的时间为二、多选题9．（2024·河北邯郸·一模）如图所示，直角坐标系xOy的x轴上方存在匀强磁场和匀强电场，y轴是磁场和电场的分界线，磁场方向垂直xOy平面向外，电场方向与y轴平行，指向y轴负方向，M、P两点的坐标为、。一质量为m、电荷量为q的带正电粒子以初速度从P点射入电场，经电场偏转后从M点垂直于y轴进入磁场，然后从x轴上的N点离开磁场。已知粒子到达N点时与x轴负方向的夹角为60°，粒子的重力不计。下列说法正确的是（

）A．匀强电场的场强大小为 B．匀强电场的场强大小为C．匀强磁场的磁感应强度大小为 D．匀强磁场的磁感应强度大小为10．（2024·湖南张家界·二模）如图所示，在xOy平面第一象限内，直线y=0与直线y=x之间存在磁感应强度为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场，x轴下方有一直线CD与x轴平行且与x轴相距为a，x轴与直线CD之间（包含x轴）存在沿y轴正方向的匀强电场，在第三象限，直线CD与直线EF之间存在磁感应强度也为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场。纸面内有一束宽度为a的平行电子束，如图，沿y轴负方向射入第一象限的匀强磁场，各电子的速度随入射位置不同大小各不相等，电子束的左边界与y轴的距离也为a，经第一象限磁场偏转后发现所有电子都可以通过原点并进入x轴下方的电场，最后所有电子都垂直于EF边界离开磁场。其中电子质量为m，电量大小为e，电场强度大小为则下列说法正确的是（）A．电子进入x轴上方磁场前的最大速度B．电子经过直线CD时的最小速度C．速度最小的电子在第三象限磁场中做圆周运动的圆心坐标（，）D．直线EF的方程11．（2024·湖南长沙·一模）蜜蜂飞行时依靠蜂房、采蜜地点和太阳三个点进行定位做“8”字形运动，以此告知同伴蜜源方位。某兴趣小组用带电粒子在电场和磁场中的运动模拟蜜蜂的运动。如图所示，空间存在范围足够大垂直纸面、方向相反的匀强磁场Ⅰ、Ⅱ，其上、下边界分别为MN、PQ，间距为d。MN与PQ之间存在沿水平方向且大小始终为的匀强电场，当粒子通过MN进入电场中运动时，电场方向水平向右；当粒子通过PQ进入电场中运动时，电场方向水平向左。现有一质量为m、电荷量为的粒子在纸面内以初速度从A点垂直MN射入电场，一段时间后进入磁场Ⅱ，之后又分别通过匀强电场和磁场Ⅰ，以速度回到A点，磁场Ⅱ的磁感应强度，不计粒子重力。则下列说法正确的是（

）A．粒子在水平向右的电场中运动的位移大小为dB．粒子在磁场Ⅱ中运动的速度大小C．粒子在磁场Ⅱ中做匀速圆周运动的弦长为D．磁场Ⅰ的磁感应强度大小12．（2024·四川·一模）在精密的电子仪器中常用磁场或电场来改变带电粒子的运动轨迹。如图所示，直线AE把纸面分成上下两部分，在纸面内有矩形ABCD，AB边长为，BC边长为。一个不计重力的电子（其质量为m、电量为）从A点以初速度沿DA方向射入，第一次在整个平面内加垂直纸面的匀强磁场，电子恰好能通过C点；第二次保持AE上方的磁场不变，而将AE下方区域磁场改为沿AE方向匀强电场，电子仍通过C点．则（

）A．匀强磁场的方向为垂直纸面向里 B．匀强磁场的磁感应强度大小为C．电子两次从A运动到C所用的时间相同 D．电子两次通过C点时速度的大小相同三、解答