易错点10 带电粒子在磁场中的运动与临界问题（6陷阱点7考点4题型）（学生版）-2025版高考物理易错点透析讲义

易错点10不能准确分析带电粒子在磁场中的运动与临界问题目录01易错陷阱易错点一：电流磁场的叠加和安培定则的应用易错点二：安培力的分析和平衡问题易错点三：对洛伦兹力的分析不足易错点四：带电粒子在磁场中运动的时间确定错误易错点五：混淆磁偏转和电偏转易错点六：不能正确分析带电粒子在磁场中的临界问题02易错知识点知识点一、安培力下的平衡知识点二、带电粒子在有界匀强磁场中的匀速圆周运动模型知识点三、直线边界磁场知识点四、平行边界磁场知识点五、圆形边界磁场知识点六、环形磁约束知识点七、数学圆模型在电磁学中的应用模型一“放缩圆”模型的应用模型二“旋转圆”模型的应用模型三“平移圆”模型的应用模型四“磁聚焦”与“磁发散”03举一反三——易错题型题型一：安培力作用下的平衡与运动题型二：带电粒子在有界磁场中的运动分析题型三：带电粒子在磁场中的动态圆分析题型四：“磁聚焦”与“磁发散”问题04易错题通关易错点一：电流磁场的叠加和安培定则的应用1.直流电流或通电螺线管周围磁场磁感线的方向都可以应用安培定则判定.2.磁感应强度是矢量，叠加时符合矢量运算的平行四边形定则.易错点二：安培力的分析和平衡问题(1)安培力的方向特点：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B和I决定的平面。(2)安培力的大小：应用公式F＝IlBsinθ计算弯曲导线在匀强磁场中所受安培力的大小时，有效长度l等于曲线两端点的直线长度。(3)视图转换：对于安培力作用下的力学综合问题，题目往往给出三维空间图，需用左手定则判断安培力方向，确定导体受力的平面，变立体图为二维平面图。(1)类似于力学中用功与能的关系解决问题，通电导体受磁场力时的加速问题也可以考虑从能量的观点解决，关键是弄清安培力做正功还是做负功，再由动能定理列式求解。(2)对于含电路的问题，可由闭合电路欧姆定律求得导体中的电流，再结合安培力分析求解。易错点三：对洛伦兹力的分析不足1.若v∥B,带电粒子以速度v做匀速直线运动，其所受洛伦兹力F=0,2.若ⅴ⊥B,此时初速度方向、洛伦兹力的方向均与磁场方向垂直，粒子在垂直于磁场方向的平面内运动.(1)洛伦兹力与粒子的运动方向垂直，只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小.(2)带电粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，易错点四：带电粒子在磁场中运动的时间确定错误不能明确下图几种情形下的运动时间问题易错点五：混淆磁偏转和电偏转“电偏转”与“磁偏转”的比较垂直电场线进入匀强电场(不计重力)垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)受力情况电场力FE＝qE，其大小、方向不变，与速度v无关，FE是恒力洛伦兹力FB＝qvB，其大小不变，方向随v而改变，FB是变力轨迹抛物线圆或圆的一部分易错点六：不能正确分析带电粒子在磁场中的临界问题（1）关注题目中的“恰好”“最大”“最高”“至少”等关键词语，作为解题的切入点.（2）关注涉及临界点条件的几个结论:①粒子刚好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；②当速度v一定时，弧长越长，圆心角越大，则粒子在有界磁场中运动的时间越长；③当速度v变化时，圆心角越大，对应的运动时间越长.知识点一、安培力下的平衡1．安培力的方向(1)用左手定则判断：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。(2)安培力方向的特点：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B、I决定的平面。(3)推论：两平行的通电直导线间的安培力——同向电流互相吸引，反向电流互相排斥。2．安培力的大小F＝IlBsinθ(其中θ为B与I之间的夹角)。如图所示：(1)I∥B时，θ＝0或θ＝180°，安培力F＝0。(2)I⊥B时，θ＝90°，安培力最大，F＝IlB。3.分析通电导体在磁场中平衡或加速问题的一般步骤(1)确定要研究的通电导体。(2)按照已知力→重力→安培力→弹力→摩擦力的顺序，对导体作受力分析。(3)分析导体的运动情况。(4)根据平衡条件或牛顿第二定律列式求解。知识点二、带电粒子在有界匀强磁场中的匀速圆周运动模型基本思路图例说明圆心的确定①与速度方向垂直的直线过圆心②弦的垂直平分线过圆心③轨迹圆弧与边界切点的法线过圆心P、M点速度垂线交点P点速度垂线与弦的垂直平分线交点某点的速度垂线与切点法线的交点半径的确定利用平面几何知识求半径常用解三角形法：例：(左图)R＝eq\f(L,sinθ)或由R2＝L2＋(R－d)2求得R＝eq\f(L2＋d2,2d)运动时间的确定利用轨迹对应圆心角θ或轨迹长度L求时间①t＝eq\f(θ,2π)T②t＝eq\f(L,v)(1)速度的偏转角φ等于所对的圆心角θ(2)偏转角φ与弦切角α的关系：φ<180°时，φ＝2α；φ>180°时，φ＝360°－2α知识点三、直线边界磁场直线边界，粒子进出磁场具有对称性(如图所示)图a中粒子在磁场中运动的时间t＝eq\f(T,2)＝eq\f(πm,Bq)图b中粒子在磁场中运动的时间t＝(1－eq\f(θ,π))T＝(1－eq\f(θ,π))eq\f(2πm,Bq)＝eq\f(2mπ－θ,Bq)图c中粒子在磁场中运动的时间t＝eq\f(θ,π)T＝eq\f(2θm,Bq)知识点四、平行边界磁场平行边界存在临界条件，图a中粒子在磁场中运动的时间t1＝eq\f(θm,Bq)，t2＝eq\f(T,2)＝eq\f(πm,Bq)图b中粒子在磁场中运动的时间t＝eq\f(θm,Bq)图c中粒子在磁场中运动的时间t＝(1－eq\f(θ,π))T＝(1－eq\f(θ,π))eq\f(2πm,Bq)＝eq\f(2mπ－θ,Bq)图d中粒子在磁场中运动的时间t＝eq\f(θ,π)T＝eq\f(2θm,Bq)知识点五、圆形边界磁场沿径向射入圆形磁场的粒子必沿径向射出，运动具有对称性(如图所示)粒子做圆周运动的半径r＝eq\f(R,tanθ)粒子在磁场中运动的时间t＝eq\f(θ,π)T＝eq\f(2θm,Bq)θ＋α＝90°1．圆形有界磁场问题（1）正对圆心射入圆形磁场区域正对圆心射出，两圆心和出（入）射点构成直角三角形，有tan∂2=Rr磁偏转半径r=Rtan∂2，根据半径公式r=mV0qB2．圆形有界磁场问题（2）不对圆心射入圆形磁场区域两个等腰三角形，一个共同的底边若r=R，构成菱形知识点六、环形磁约束临界圆临界半径r=r=勾股定理(R2-R1)2=R12+r2解得：r=知识点七、数学圆模型在电磁学中的应用模型一“放缩圆”模型的应用适用条件速度方向一定，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。可以发现这些带电粒子射入磁场后，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，将半径放缩作轨迹圆，从而探索出临界条件，这种方法称为“放缩圆”法模型二“旋转圆”模型的应用适用条件速度大小一定，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运动的半径相同，若射入初速度为v0，则圆周运动半径为R＝eq\f(mv0,qB)。如图所示轨迹圆圆心共圆带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点P为圆心、半径R＝eq\f(mv0,qB)的圆上界定方法将一半径为R＝eq\f(mv0,qB)的圆以入射点为圆心进行旋转，从而探索粒子的临界条件，这种方法称为“旋转圆”法模型三“平移圆”模型的应用适用条件速度大小一定，方向一定，但入射点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v0，则半径R＝eq\f(mv0,qB)，如图所示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＝eq\f(mv0,qB)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”法模型四“磁聚焦”与“磁发散”1．带电粒子的会聚如图半径与磁场圆半径相等(R＝r)，则所有的带电粒子将从磁场圆的最低点B点射出．(会聚)证明：四边形OAO′B为菱形，必是平行四边形，对边平行，OB必平行于AO′(即竖直方向)，可知从A点发出的带电粒子必然经过B点．2．带电粒子的发散如图乙所示，有界圆形磁场的磁感应强度为B，圆心为O，从P点有大量质量为m、电荷量为q的正粒子，以大小相等的速度v沿不同方向射入有界磁场，不计粒子的重力，如果正粒子轨迹圆半径与有界圆形磁场半径相等，则所有粒子射出磁场的方向平行．(发散)证明：所有粒子运动轨迹的圆心与有界圆圆心O、入射点、出射点的连线为菱形，也是平行四边形，O1A(O2B、O3C)均平行于PO，即出射速度方向相同(即水平方向)．题型一：安培力作用下的平衡与运动【例1】（2024•海珠区校级模拟）如图所示，安装在固定支架（图中未画出）上的光滑绝缘转动轴OO'两端通过等长的轻质细软导线（导线不可伸长）连接并悬挂长为L、质量为m的导体棒ab，导体棒横截面的直径远远小于悬线的长度，空间存在辐向分布磁场（磁极未画出），导体棒摆动过程中磁场方向总是垂直于导体棒，导体棒所在处的磁感应强度大小均为B，开始时导体棒静止在最低点。现给导体棒通以方向向里的电流（电路未画出），若仅通过逐渐改变导体棒中的电流大小，使导体棒由最低点缓慢移动到悬线呈水平状态，则在这个过程中（）A．悬线对导体棒的拉力先增大后减小 B．导体棒中的电流一直减小 C．转动轴OO'受到绳子在竖直方向的作用力一直不变 D．转动轴OO'受到绳子在水平方向的作用力先增大后减小【变式1-1】（2023•雁塔区校级模拟）如图a所示，一根用某种单一材料制成的均匀金属杆长为3L，用两根长L的电阻不计的轻质导线竖直悬挂在三等分点，导线与金属杆相接处接触良好，并将金属杆置于垂直纸面向里的匀强磁场中。导线的悬挂点间不加电压时，单根导线上的拉力为F，加上电压U后，单根导线上的拉力是2F。若把导线长度变成2L，如图b所示悬挂在金属杆两端，仍然加上电压U，则此时单根导线上的拉力是（）A．22F B．4F C．42F D．8F【变式1-2】（多选）（2023•鲤城区校级一模）实验室里有三根等长细直通电导体棒a、b、c水平放置，如图所示，P、M、N分别是三根导体棒上的点且在同一竖直面内，导体棒b、c中的电流方向垂直纸面向里，导体棒之间的距离PM＝PN＝L，PM与PN之间的夹角为120°，导体棒b、c固定，导体棒a所受的重力G刚好与它所受的安培力的合力平衡，则下列说法中正确的是（）A．导体棒a中的电流方向垂直纸面向里 B．导体棒b对c的安培力方向水平向左 C．导体棒b、c对导体棒a的安培力大小均为G2D．导体棒b、c在P点产生的合磁场方向水平向右【变式1-3】（多选）（2023•安康二模）竖直面内有一内壁光滑、半径为R的固定半圆柱形轨道，在半圆柱形轨道中放置两根长为L的通电直导线，其截面如图所示。O为半圆的圆心，导线a固定在O点正下方的C处，且通有大小为I0、方向垂直纸面向里的电流。当质量为m的导线b中通入大小为I1（未知）的电流时，刚好能静止在与圆心等高的A点。已知导线a中电流在其周围某点产生磁场的磁感应强度大小为B＝kI0A．导线b中电流的方向垂直于纸面向外，且位于A点时，电流的大小为I1=2B．若导线b的质量不发生改变，则导线b在D处受到轨道的支持力等于在A处受到的支持力C．可能仅是导线b的质量变为2m D．可能仅是两导线电流的乘积减小为原来的2题型二：带电粒子在有界磁场中的运动分析【例2】（2023•东莞市校级模拟）如图所示，质量为m、电荷量为q的带正电粒子从M点以大小为v0、方向与竖直方向成θ角斜向下的初速度垂直于磁场方向射入边界线竖直的匀强磁场，最后从边界上的N点射出磁场。已知磁场的磁感应强度大小为B，不计粒子受到的重力，则M、N两点间的距离为（）A．mv0cosθqBC．2mv0【变式2-1】（多选）（2024•石家庄二模）利用磁场控制带电粒子的运动，在现代科学实验和技术设备中有广泛的应用。如图所示，以O点为圆心、半径为R的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，圆形区域外有垂直纸面向外的匀强磁场，两磁场的磁感应强度大小均为B。有一质量为m、电荷量为+q的粒子从P点沿半径射入圆形区域，粒子n次穿越圆形区域边界（不包括经过P点）后又回到P点，此过程中粒子与圆心O的连线转过角度为2π，不计粒子重力，下列说法正确的是（）A．n的最小值为2 B．n＝3时，粒子速度大小为3qBRC．n＝4时，粒子从P出发到回到P点的时间为23πm5qBD．粒子连续两次穿越圆形区域边界过程中，粒子与圆心的连线转过的角度为2π【变式2-2】（多选）（2023•湖北模拟）如图所示，在边长为L的等边三角形内分布着垂直于纸面向外，磁感应强度大小为B的匀强磁场，在三角形的中心有一个点状的粒子源O，它可沿平行纸面的各个方向发射质量为m，电荷量为+q，速率为3qBLA．有部分粒子能够击中三角形的顶点 B．粒子在磁场中运动的最短时间为πm3qBC．粒子在磁场中运动的最长时间为πmqBD．若磁感应强度大于2B，所有粒子均不能射出三角形区域【变式2-3】（2024•盐城三模）如图所示，在以半径为R和2R的同心圆为边界的区域中，有磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场。在圆心O处有一粒子源（图中未画出），在纸面内沿各个方向发射出比荷为qmA．粒子速度的最大值为2qBRmB．粒子速度的最大值为qBR4mC．某粒子恰好不从大圆边界射出磁场，其在磁场中运动的时间为127πm90qB（不考虑粒子再次进入磁场的情况）D．某粒子恰好不从大圆边界射出磁场，其在磁场中运动的时间为4πm3qB题型三：带电粒子在磁场中的动态圆分析【例3】（多选）（2024•青山湖区校级模拟）如图所示，足够长的荧屏板MN的上方分布了水平方向的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里。距荧屏板d处有一粒子源S，能够在纸面内不断均匀地向各个方向发射速度大小为v=qBdA．粒子能打到板上的区域长度为23B．打到板上的粒子数为12C．从粒子源出发到板的最短时间为πm2qBD．同一时刻发射的粒子打到荧光板上的最大时间差为7πm【变式3-1】（多选）（2023•道里区校级三模）如图，长度为a的竖直薄挡板MN处在垂直纸面向里的匀强磁场中（磁场空间足够大、图中未画出），磁感应强度为B。挡板左侧O点有一粒子源在纸面内向各方向均匀发射电荷量为+q、质量为m的带电粒子，所有粒子的初速度大小相同。已知图中初速度与ON夹角为60°发射的粒子恰好经过N点，ON=3A．粒子在磁场中做圆周运动的半径为32aB．挡板左侧能被粒子击中的竖直长度为a C．粒子能击中挡板右侧的粒子数占粒子总数的16D．挡板的右侧被粒子击中的竖直长度为a【变式3-2】（多选）（2023•贵州模拟）如图所示，匀强磁场垂直纸面向里，其边界如图所示，磁场的磁感应强度大小为B，半圆形边界的半径为R，O为半圆的圆心，ab是半圆的直径，边界上c点到a的距离为R，a、b、c、O在同一直线上，从c点沿垂直边界、垂直磁场向上射出速度大小不同的质量为m、电荷量为q的带负电的粒子，粒子均能从圆弧（含a、b点）上射出磁场，不计粒子的重力和粒子间作用，则能从圆弧边界射出的粒子（）A．粒子速度大小范围为qBR2mB．粒子的速度越大，粒子在磁场中运动的时间越短 C．从圆弧面射出后能到达b点的粒子速度大小可能为qBRmD．从圆弧面射出后经过O点的粒子在磁场中做圆周运动的半径为R【变式3-3】（2024•沙坪坝区校级模拟）如图所示，有一厚度不计的薄板MN水平固定放置，薄板长为2L。空间中存在范围足够大的、垂直于纸面水平向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B。粒子源P位于薄板中心O的正上方L处，可在纸面内向各个方向发射质量为m、电荷量为q的带正电粒子，所有粒子的速率相同，若粒子碰到薄板上表面（含左、右缓点）会被吸收，碰到下表面会被反弹，反弹前后粒子沿板方向的分速度不变，垂直于板的分速度等大反向，不计粒子重力及相互作用力，落到上板表面的电荷被导走，不会对其它粒子运动产生影响，与下板表面碰撞的粒子电量不变。求；（1）粒子要能打到板上，速度至少多大；（2）若粒子以速率v=qBL①直接打到板的上表面（含左，右端点）的粒子中，求运动的最长时间；②粒子与薄板下表面碰撞一次后反弹，恰能返回P点，最终落到上表面，求该粒子发射的速度方向与竖直方向的夹角θ以及该粒子在磁场中运动的总路程。题型四：“磁聚焦”与“磁发散”问题【例4】（2023•涟源市二模）如图所示，在x轴的上方存在一个垂直xoy平面向里、半径为R的有界匀强圆磁场，磁场的直径在y轴上，磁感应强度大小为B。坐标原点O处有一粒子源，可沿与x轴正方向成30°～150°范围内垂直磁场方向均匀发射速度大小相等、质量为m、带电量为e的电子，这些电子都能够打到右侧与y轴平行放置的屏MN上，被屏反弹后以原速率沿原方向返回，其中沿y轴正向射入的电子能够垂直打到屏上，屏的横坐标为3R（1）电子射入磁场时的速度大小；（2）电子打到屏MN上的长度；（3）电子从O点出发到返回磁场右边界的最短时间。【变式4-1】（2023•宁德模拟）如图所示，半径为R、磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外的圆形磁场区域，右侧与y轴相切于C点，下侧与x轴相切于O点，感光板（足够大）与y轴的距离为1.5R。已知质量为m，电量为q的粒子过O点垂直于x轴射入，从C点垂直于y轴射出。不计粒子的重力。（1）求该粒子速率v0；（2）若在y轴与感光板之间充满垂直纸面的匀强磁场，求能使该粒子击中感光板的磁感应强度大小范围；（3）现有大量速率为v0的同种粒子沿不同方向从坐标O点处射入磁场。若在y轴与感光板之间加沿y轴正方向E0【变式4-2】（2024•郫都区校级二模）如图所示，一半径为R的圆与x轴相切于原点O，圆内有直于纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大为B。与x轴垂直的竖直虚线与磁场最右端相切，其右侧的第Ⅰ象限内存在沿﹣y方向的匀强电场。现有一束比荷为qm（1）粒子射入磁场时的速度；（2）电场强度的大小；（3）若仅使从O点射入的带电粒子初速度方向与﹣x轴方向成30°角，求粒子从O点出发到再次打到x轴上所用的时间。【变式4-3】（2024•龙岩三模）如图所示，在xOy坐标平面内，半径为R的圆形匀强磁场区域的边界与x轴相切于原点O，与PM相切于A点，PM＝2R。PQ、MN间存在着匀强电场，MC＝R，MD=2R。现有一个质量为m、电荷量为q的正离子，从O点以速率v0（1）求磁感应强度大小B；（2）若其他条件不变，仅将该离子从O点以偏向y轴正方向左侧30°方向射入磁场，求离子在磁场中运动的时间t；（3）若其他条件不变，将大量的上述离子从O点均匀向各个方向射入y＞0的区域，不计离子间的相互作用。求在CD区域接收到的离子数占发射出的总离子数的比例η。（2023•定远县模拟）如图，质量为m、长为L的直导线用两绝缘细线悬挂于O、Oʹ，并处于匀强磁场中．当导线中通以沿x正方向的电流I，且导线保持静止时，悬线与竖直方向夹角为θ．则磁感应强度方向和大小可能为（）A．x正向，mgIL B．y正向，mgILcosC．z负向，mgILtanθ D．y负向，mgIL（2023•弋阳县校级一模）如图所示，质量为m，长为L的金属棒MN两端用等长的轻质细线水平悬挂，静止于方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中．已知棒中通过的电流大小为I，两悬线与竖直方向夹角θ＝60°，重力加速度为g，下列说法正确的是（）A．金属棒中的电流由N流向M B．匀强磁场的磁感应强度B=3C．若仅改变磁场的方向，其他条件不变，则磁感应强度B的最小值为mg2ILD．若仅改变磁场的方向，其他条件不变，则磁感应强度B的值可能为mg（2024•浑南区校级三模）如图所示，射线AB、AC为一足够大的匀强磁场区域的边界，内部磁场方向垂直纸面向里。两个质量相同且带异种电荷的粒子a、b以相同的速度先后从AB边上的D点垂直AB边射入磁场，两粒子运动的轨迹均与AC相切，忽略粒子受到的重力及粒子间的相互作用力，sin∠BAC＝0.6，下列说法正确的是（）A．a粒子带负电 B．a、b两粒子运动轨迹半径之比为3：1 C．a、b两粒子所带的电荷量之比为1：4 D．b粒子在磁场中的轨迹直径等于两切点的距离（2024•九龙坡区模拟）如图，静止在匀强磁场中的原子核A发生一次衰变后放出的射线粒子和新生成的反冲核均垂直于磁感线方向运动。已知大小圆半径和周期之比分别为n、k，且绕大圆轨道运动的质点沿顺时针方向旋转。设该过程释放的核能全部转化成射线粒子和反冲核的动能，已知该衰变前后原子核质量亏损为m，光速为c。下列说法正确的是（）A．反冲核的动能为nn+kB．原子核A的原子序数是n+1 C．大圆是反冲核的运动轨迹 D．该匀强磁场的方向垂直于纸面向外（多选）（2024•长安区二模）如图所示的直角三角形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场（图中未画出），磁感应强度的大小为B，边界Ⅰ、Ⅱ的长度分别为3L、L；大量均匀分布的带电粒子由边界Ⅰ的左侧沿平行边界Ⅱ的方向垂直射入磁场，粒子的速率均相等，已知从边界Ⅰ离开磁场的带电粒子占总数的3A．带电粒子射入磁场后沿顺时针方向做匀速圆周运动 B．带电粒子在磁场中运动的最长时间为