专题25 带电粒子在有界匀强磁场中的运动（学生版）-2025版高考物理热点题型讲义

专题25带电粒子在有界匀强磁场中的运动目录TOC\o"1-3"\h\u题型一带电粒子在有界匀强磁场中的运动 1类型1带电粒子在直线边界磁场中运动 3类型2带电粒子在圆形边界磁场中运动 6类型3带电粒子在环形边界磁场中运动 8类型4带电粒子在三角形或四边形边界磁场 12题型二带电粒子在匀强磁场中的临界问题 15类型1带电粒子在磁场中运动的临界问题 16类型2带电粒子在磁场中运动的极值问题 19题型三带电粒子在有界匀强磁场中运动的多解问题 22题型一带电粒子在有界匀强磁场中的运动一、粒子轨迹圆心的确定，半径、运动时间的计算方法1．圆心的确定方法(1)若已知粒子轨迹上的两点的速度方向，分别确定两点处洛伦兹力F的方向，其交点即为圆心，如图甲．(2)若已知粒子运动轨迹上的两点和其中某一点的速度方向，弦的中垂线与速度垂线的交点即为圆心，如图乙．(3)若已知粒子轨迹上某点速度方向，又能根据r＝eq\f(mv,qB)计算出轨迹半径r，则在该点沿洛伦兹力方向距离为r的位置为圆心，如图丙．2．半径的计算方法方法一由R＝eq\f(mv,qB)求得方法二连半径构出三角形，由数学方法解三角形或勾股定理求得例如：如图甲，R＝eq\f(L,sinθ)或由R2＝L2＋(R－d)2求得常用到的几何关系①粒子的偏转角等于半径扫过的圆心角，如图乙，φ＝α②弦切角等于弦所对应圆心角一半，θ＝eq\f(1,2)α.3．时间的计算方法方法一利用圆心角、周期求得t＝eq\f(θ,2π)T方法二利用弧长、线速度求得t＝eq\f(l,v)二、带电粒子在有界磁场中的运动1．直线边界(进出磁场具有对称性，如图所示)2．平行边界(往往存在临界条件，如图所示)3．圆形边界(进出磁场具有对称性)(1)沿径向射入必沿径向射出，如图甲所示．(2)不沿径向射入时，如图乙所示．射入时粒子速度方向与半径的夹角为θ，射出磁场时速度方向与半径的夹角也为θ.类型1带电粒子在直线边界磁场中运动【例1】一匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，其边界如图中虚线所示，，，一束粒子，在纸面内从a点垂直于ab射入磁场，这些粒子具有各种速率。不计粒子之间的相互作用。已知粒子的质量为3m，电荷量为q。以下正确的为（）A．粒子能到达de中点B．从bc边界出的粒子运动时间相等C．在磁场中运动时间最长的粒子，其运动率为D．粒子在磁场中运动的最长时间为【例2】如图所示，在xOy平面的的区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，速率相等的大量质子从原点O朝各个方向均匀发射到第一象限内，发现从磁场上边界射出的质子数占总数的，不计质子间相互作用及重力，则质子在磁场中做匀速圆周运动的半径为（）A． B． C． D．【例3】．如图所示，在直线边界的上方存在垂直纸面向里磁感应强度为的匀强磁场，点在上。现从点垂直在纸面内向上发射速度大小不同、质量均为、电量均为的粒子，已知，不计粒子的重力及粒子间的相互作用，则粒子在磁场中运动的最长时间为（）A． B． C． D．【例4】如图所示，直线MN上方有垂直纸面向里的匀强磁场，电子1从磁场边界上的a点垂直MN和磁场方向射入磁场，经t1时间从b点离开磁场．之后电子2也由a点沿图示方向以相同速率垂直磁场方向射入磁场，经t2时间从a、b连线的中点c离开磁场，则eq\f(t1,t2)为()A．3B．2C.eq\f(3,2)D.eq\f(2,3)【例5】如图，一个质量为m，电荷量为q的带负电的粒子，不计重力，从x轴上的P点以速度v射入第一象限内的匀强磁场中，并恰好垂直于y轴射出第一象限。已知v与x轴成45°角。OP=a。则以下说法正确的是（）

A．带电粒子运动轨迹的半径为aB．磁场的磁感应强度为C．OQ的长度为D．粒子在第一象限内运动的时间为【例6】如图所示，两个速度大小相同、比荷不同的带电粒子1、2，沿水平方向从同一点垂直射入匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里。当它们从磁场下边界飞出时相对入射方向的偏转角分别为90°、60°，则它们在磁场中运动的（）A．轨迹半径之比为2∶1 B．比荷之比为2∶1C．时间之比为3∶2 D．周期之比为2∶1类型2带电粒子在圆形边界磁场中运动【例1】如图所示，圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，一带电粒子从圆周上的点沿半径方向射入磁场。若粒子射入磁场时的速度大小为，运动轨迹为；若粒子射入磁场时的速度大小为，运动轨迹为。不计粒子的重力，下列判断正确的是（）A．粒子带负电B．速度小于速度C．粒子以速度射入时，在磁场中运动时间较长D．粒子以速度射入时，在磁场中受到的洛伦兹力较大【例2】．如图所示，在纸面内半径为R的圆形区域中充满了垂直于纸面向里，磁感应强度大小为B的匀强磁场。一点电荷从图中A点以速度v0沿和直径成角的方向垂直磁场射入，经磁场偏转后恰能从点射出。已知为区域磁场的一条直径，不计电荷的重力，下列说法正确的是（）

A．该点电荷带负电B．该点电荷在磁场中做圆周运动的半径为RC．该点电荷的比荷为D．该点电荷在磁场中的运动时间为【例3】．如图所示，在平面中的圆形区域内有一个垂直纸面向里匀强磁场，其边界过原点O和y轴上的点a（0，L）。一电子从a点以初速度v平行于x轴正方向射入磁场，并从x轴上的b点射出磁场，此时速度方向与x轴正方向的夹角为。电子在磁场中运动的时间为（）A． B． C． D．【例4】如图所示，半径为R的圆形区域中有垂直纸面向外的匀强磁场（图中未画出），磁感应强度B，一比荷为的带正电粒子，从圆形磁场边界上的A点以的速度垂直直径MN射入磁场，恰好从N点射出，且，下列选项正确的是（）

A．粒子在磁场中运动的时间为B．粒子从N点射出方向竖直向下C．若粒子改为从圆形磁场边界上的C点以相同的速度入射，一定从N点射出D．若要实现带电粒子从A点入射，从N点出射，则所加圆形磁场的最小面积为【例5】如图所示，半径为R的圆形区域内存在垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场（未画出），一质量为m、带电荷量为的微粒从圆上的N点以一定的速度沿图中虚线方向射入磁场，从圆上的M点离开磁场时的速度方向与虚线垂直。已知圆心O到虚线的距离为，不计微粒所受的重力，下列说法正确的是（）A．微粒在磁场区城内运动的时间为B．微粒射入磁场时的速度大小为C．微粒在磁场中运动的轨迹半径为D．微粒到圆心O的最小距离为类型3带电粒子在环形边界磁场中运动【例1】2023年4月，我国有“人造太阳”之称的托卡马克核聚变实验装罫创造了新的世界纪录。其中磁约束的简化原理如图：在半径为和的真空同轴圆柱面之间，加有与轴线平行的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，。假设氘核沿内环切线向左进入磁场，氚核沿内环切线向右进入磁场，二者均恰好不从外环射出。不计重力及二者之间的相互作用，则和的动量之比为（）A．1∶2 B．2∶3 C．1∶3 D．3∶1【例2】真空中有一匀强磁场，磁场边界为两个半径分别为a和3a的同轴圆柱面，磁场的方向与圆柱轴线平行，其横截面如图所示。一速率为v的电子从圆心沿半径方向进入磁场。已知电子质量为m，电荷量为e，忽略重力。为使该电子的运动被限制在图中实线圆围成的区域内，磁场的磁感应强度最小为()A.eq\f(3mv,2ae) B.eq\f(mv,ae)C.eq\f(3mv,4ae) D.eq\f(3mv,5ae)【例3】2023年7月5日，中核集团正式签约承建全球首个全高温超导核聚变实验装置，彰显了我国在此领域技术水平居国际前列。在可控核聚变中用磁场来约束带电粒子的运动，叫磁约束。如图所示为核聚变中磁约束装置的简化图，圆环状匀强磁场区域的内半径为R1，外半径为R2，磁感应强度大小为B，方向垂直于环面，中空区域内带电粒子的质量为m，电荷量为q，具有各个方向的速度。下列说法正确的是（）A．要使所有带电粒子约束在半径为R2的区域内，则带电粒子的最大速度为B．从内环边缘相切射出的所有带电粒子都约束在磁场区域内运动的最大速度为C．要使粒子以速度v由圆心沿半径方向运动的带电粒子不离开半径为R2的区域，D．要使粒子以速度v由圆心沿半径方向运动的带电粒子不离开半径为R2的区域，【例4】2023年1月7日，中科院聚变大科学团队利用有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置（EAST），发现并证明了一种新的高能量约束模式，对国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。其基本原理是由磁场约束带电粒子运动，使之束缚在某个区域内。如图所示，环状磁场的内半径为，外半径为，被束缚的带电粒子的比荷为k，中空区域内带电粒子具有各个方向的速度，速度大小为v。中空区域中的带电粒子都不会穿出磁场的外边缘而被约束在半径为的区域内，则环状区域内磁场的磁感应强度大小可能是（）A． B．C． D．【例5】．如图所示，半径分别为R和2R的同心圆处于同一平面内，O为圆心。两圆形成的圆环内（含边界）有垂直圆面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B。一质量为m、电荷量为q（）的粒子由大圆上的A点以速率v沿大圆切线方向进入磁场，粒子仅在磁场中运动，不计粒子的重力，则粒子运动速率v可能为（）A． B． C． D．【例6】2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，该装置通过磁场将粒子约束在小范围内实现核聚变。其简化模型如图所示，核聚变主要原料氕核和氘核均从圆心O沿半径方向射出，被约束在半径为和两个同心圆之间的环形区域，该区域存在与环面垂直的匀强磁场。则下列说法正确的是（

）A．若有粒子从该约束装置中飞出，则应减弱磁场的磁感应强度B．若两种粒子速率相同，氕核不会从该约束装置中飞出，则氘核也一定不会从该约束装置中飞出C．若两种粒子在磁场中做圆周运动的半径相同，则两种粒子具有相同大小的动量D．若氘核在磁场中运动的半径，则氘核会从该约束装置中飞出类型4带电粒子在三角形或四边形边界磁场【例1】如图所示，边长为L的等边三角形abc区域外存在着垂直于abc所在平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B。P、Q均为ab边的三等分点。时刻，磁场方向正好垂直于abc所在平面向里，带负电的粒子在abc平面内以初速度v0从a点垂直于ac边射出，并从P点第一次进入三角形abc区域。磁感应强度大小始终为B。不计带电粒子重力，求：（1）粒子的荷质比；（2）粒子第一次到达c点的时刻。【例2】如图，边长为l的正方形abcd内存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面(abcd所在平面)向外．ab边中点有一电子发射源O，可向磁场内沿垂直于ab边的方向发射电子．已知电子的比荷为k.则从a、d两点射出的电子的速度大小分别为()A.eq\f(1,4)kBl，eq\f(\r(5),4)kBl B.eq\f(1,4)kBl，eq\f(5,4)kBlC.eq\f(1,2)kBl，eq\f(\r(5),4)kBl D.eq\f(1,2)kBl，eq\f(5,4)kBl【例3】如题图，直角三角形ABC区域内有垂直纸面向里的匀强磁场（图中未画出），AC边长为l，为，一群比荷为的带负电粒子以相同速度从C点开始一定范围垂直AC边射入，射入的粒子恰好不从AB边射出，已知从BC边垂直射出的粒子在磁场中运动的时间为，在磁场中运动时间最长的粒子所用时间为，则以下说法中正确的是（

）

A．磁感应强度大小为 B．粒子运动的轨道半径为C．粒子射入磁场的速度大小为 D．粒子在磁场中扫过的面积为【例4】．如图所示，边长为L的正方形内表面涂有荧光材料，粒子打在表面会被吸收并发出荧光。正方形区域内存在方向垂直该平面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场，粒子源从正方形边的中点P沿垂直磁场方向持续发射质量为m、电量为q的带正电的某种粒子，发射速度方向斜向上，速度大小与发射角的关系为，为发射速度方向与水平方向的夹角，，其中的粒子恰好从边中点射出。不计粒子间的相互作用力和粒子的重力，下列说法正确的是（）

A．粒子从P点运动至与边相切所需的时间为B．粒子在边发出荧光的总长度为LC．打在B点的粒子轨道半径为D．粒子在磁场中运动的最长时间为【例5】如图所示的正方形区域存在垂直纸面向里的匀强磁场，一带电粒子从ad边中点e沿ec方向射入磁场。当射入速度大小为v时，恰好从bc边中点f飞出磁场。不计粒子所受重力。下列说法正确的是（）A．当粒子速度大小为时，粒子离开磁场时的速度方向与磁场边界垂直B．当粒子速度大小为时，粒子在磁场区域运动过程中速度方向改变了90°C．粒子两次射入速度大小分别为，在磁场中运动时间分别为，若，则有D．若粒子射入速度大小合适，可能从ab边界上任一点飞出磁场【例6】．如图所示，正三角形ABC内有垂直纸面向里的匀强磁场（图中末画出），磁感应强度的大小为B，三角形的边长为L，B点有一离子源，能发出速率相同、方向不同的带电粒子，粒子的质量为m、电荷量为，粒子的速率，粒子的重力忽略不计，不考虑粒子之间的相互作用，（已知）。下列说法正确的是（）A．粒子在磁场中运动的最长时间为B．与BC边夹角为的粒子从BC边射出，且射出的速度方向与BC边夹角仍为C．从BC边射出的粒子轨迹可能与AC边相切D．当粒子射入磁场速度方向与BC边夹角为时，从AC边射出的粒子在磁场中运动的时间最短【例7】．在矩形区域内存在一个垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场，边长为，边长为。带正电的粒子从O点沿方向以不同速率射入，已知粒子的质量为m、电荷量为q，粒子所受重力及粒子间的相互作用均忽略不计。取，下列说法正确的是（）A．粒子在磁场中运动的最长时间为 B．粒子在磁场中运动的最长时间为C．垂直边界射出时，粒子的速度大小为 D．垂直边界射出时，粒子的速度大小为题型二带电粒子在匀强磁场中的临界问题解决带电粒子在磁场中运动的临界问题的关键，通常以题目中的“恰好”“最大”“至少”等为突破口，寻找临界点，确定临界状态，根据磁场边界和题设条件画好轨迹，建立几何关系求解．1．临界条件带电粒子刚好穿出(不穿出)磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切，故边界(边界的切线)与轨迹过切点的半径(直径)垂直．2．几种常见的求极值情况(速度一定时)(1)最长时间：弧长最长，一般为轨迹与直线边界相切．圆形边界：公共弦为小圆直径时，出现极值，即：当运动轨迹圆半径大于圆形磁场半径时，以磁场直径的两端点为入射点和出射点的轨迹对应的圆心角最大，粒子运动时间最长．(2)最短时间：弧长最短(弦长最短)，入射点确定，入射点和出射点连线与边界垂直．如图，P为入射点，M为出射点．此时在磁场中运动时最短．类型1带电粒子在磁场中运动的临界问题【例1】如图所示，在空间中存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的有界匀强磁场，其边界AB、CD相距为d，在左边界的Q点处有一质量为m、带电量为-q的粒子沿与左边界成30°的方向射入磁场，粒子重力不计。求：（本题要求3个小问都要在答题卡上画出带电粒子在磁场区域内运动的轨迹）（1）带电粒子能从AB边界飞出的最大速度；（2）若带电粒子能垂直CD边界飞出磁场，粒子在磁场中运动的速度和时间各是多少？（3）若带电粒子的速度是（2）中的倍，并可以从Q点沿纸面各个方向射入磁场，则粒子能打到CD边界的距离大小？【例2】如图所示，在xOy坐标系中，垂直于x轴的虚线与y轴之间存在磁感应强度大小为B的匀强磁场含边界，磁场方向与xOy平面垂直。一质子束从坐标原点射入磁场，所有质子射入磁场的初速度大小不同但初速度方向都与x轴正方向成角向下。PQ是与x轴平行的荧光屏质子打到荧光屏上不再反弹，P、Q两点的坐标分别为，。已知质子比荷，。求：结果均可用分数表示（1）质子在磁场中运动的最长时间是多少;（2）如果让荧光屏PQ发光长度尽可能长且质子的运动轨迹未出磁场，质子初速度大小的取值范围是多少。【例3】空间存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面，线段是屏与纸面的交线，长度为，其左侧有一粒子源S，可沿纸面内各个方向不断发射质量为m、电荷量为q、速率相同的粒子；，P为垂足，如图所示，已知，若上所有的点都能被粒子从其右侧直接打中，则粒子的速率至少为（）A． B． C． D．【例4】如图所示，一个质量为、带负电荷粒子的电荷量为、不计重力的带电粒子从轴上的点以速度沿与轴成的方向射入第一象限内的匀强磁场中，恰好垂直于轴射出第一象限。已知。（1）求匀强磁场的磁感应强度的大小；（2）让大量这种带电粒子同时从轴上的点以速度沿与轴成0到的方向垂直磁场射入第一象限内，求轴上有带电粒子穿过的区域范围；（3）为了使该粒子能以速度垂直于轴射出，实际上只需在第一象限适当的地方加一个垂直于平面、磁感强度为的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个矩形区域内，试求这矩形磁场区域的最小面积。【例5】如图所示，真空区域有左右宽度为l、上下足够长的匀强磁场，匀强磁场的磁感应强度大小为B，磁场方向垂直于纸面向里，MN、PQ是磁场的左右竖直边界。一质量为m、电荷量为q的粒子（不计粒子重力），在竖直平面内，沿着与MN夹角为的方向射入磁场中。则下列说法正确的是（）

A．若带电粒子带负电，入射速度只要大于，粒子就会从PQ射出B．粒子在磁场中运动的最长时间可能是C．MN边界上，从入射点下方射出的所有粒子，在磁场中运动时间均为D．若在该空间再加一个匀强电场，粒子有可能做匀加速直线运动类型2带电粒子在磁场中运动的极值问题【例1】如图所示，OACD是一长为OA=l的矩形，其内存在垂直纸面向里的匀强磁场，一质量为m、带电量为q的粒子从O点以速度v0垂直射入磁场，速度方向与OA的夹角为，粒子刚好从A点射出磁场，不计粒子的重力，则（）A．粒子一定带正电B．匀强磁场的磁感应强度为C．粒子从O到A所需的时间为D．矩形磁场的宽度最小值为【例2】如图，空间分布着磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外的匀强磁场。关于O点对称的薄板MN的长度为3a，O点到MN的距离为a。O点有一粒子源，能沿纸面内任意方向发射速率相同、质量为m、电荷量为q的正电粒子。已知水平向右发射的粒子恰能垂直打在MN上，打到MN上、下表面的粒子均被吸收。不计粒子的重力，则被MN吸收的粒子在磁场中运动的最长时间为（）

A． B． C． D．【例3】如图所示，空闻有半径为R的圆形匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面，在距圆心O为处有一粒子源，时刻沿纸面内的任意方向上均匀发射出速度大小相同的大量带电粒子，粒子比荷为k，粒子在磁场中运动的半径为，则（）A．粒子在圆形磁场区域中运动的最短时问为B．粒子在圆形磁场区城中运动的最短时间为C．时刻，出磁场与未出磁场的粒子数之比为D．时刻，出磁场与未出磁场的粒子数之比为【例4】．如图所示，竖直平面内半径为R、圆心为O的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的收集板。三角形MON为等腰直角三角形，，从圆形磁场最高点P沿PO方向向圆形区域内射入大量速率不同的同种粒子，粒子所带电荷量均为q、质量均为m且带正电。忽略粒子之间的相互作用力和粒子重力，关于打在MN区域的粒子，下列说法正确的是（）A．粒子在磁场中运动的最长时间B．打在收集板上的粒子的最大速率C．整个过程中位移最小的粒子速率D．整个过程中位移最小的粒子运动的时间【例5】如图所示，直角三角形abc区域存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B，ab边长为2L，∠a=30°，一粒子源固定在ac边的中点d，粒子源垂直ac边向磁场中发射不同速率的带正电的粒子，粒子均从bc边界射出，已知粒子质量为m、电荷量为q，下列说法正确的是（

）A．粒子运动的速率可能为B．粒子在磁场中运动的时间可能为C．bc边界上有粒子射出的区域长度最大为D．有粒子经过的磁场区域的面积最大为题型三带电粒子在有界匀强磁场中运动的多解问题带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，由于带电粒子电性不确定、磁场方向不确定、临界状态不确定、运动的往复性造成带电粒子在有界匀强磁场中运动的多解问题．(1)找出多解的原因．(2)画出粒子的可能轨迹，找出圆心、半径的可能情况．类型分析图例带电粒子电性不确定带电粒子可能带正电荷，也可能带负电荷，初速度相同时，正、负粒子在磁场中运动轨迹不同，形成多解如带正电，其轨迹为a；如带负电，其轨迹为b磁场方向不确定只知道磁感应强度大小，而未具体指出磁感应强度方向，由于磁感应强度方向不确定而形成多解若B垂直纸面向里，其轨迹为a，若B垂直纸面向外，其轨迹为b临界状态不唯一带电粒子飞越有界磁场时，可能穿过磁场飞出，也可能转过180°从入射界面一侧反向飞出，于是形成多解运动具有周期性带电粒子在部分是电场、部分是磁场空间运动时，运动往往具有周期性，因而形成多解【例1】如图所示，以OP为分界线将直角MON分为区域Ⅰ和Ⅱ，区域Ⅰ内存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场，区域Ⅱ内存在方向垂直纸面向里、磁感应强度大小为2B的匀强磁场，OP与OM间的夹角为30°。一质量为m、带电量为的粒子从分界线上的P点以速度v、沿与分界线OP成60°角的方向射入区域Ⅰ，在区域Ⅰ偏转后直接从O点离开磁场区域，不计粒子的重力。（1）求OP之间的距离；（2）若