专题14 带电粒子在交变电场和磁场中的运动-2023年高三物理二轮高频考点冲刺突破
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高考真题
1.某装置用电场控制带电粒子运动,工作原理如图所示,矩形区域内存在多层紧邻的匀强电场,每层的高度均为d,电场强度大小均为E,方向沿竖直方向交替变化,边长为,边长为,质量为m、电荷量为的粒子流从装置左端中点射入电场,粒子初动能为,入射角为,在纸面内运动,不计重力及粒子间的相互作用力。
(1)当时,若粒子能从边射出,求该粒子通过电场的时间t;
(2)当时,若粒子从边射出电场时与轴线的距离小于d,求入射角的范围;
(3)当,粒子在为范围内均匀射入电场,求从边出射的粒子与入射粒子的数量之比。
2.两块面积和间距均足够大的金属板水平放置,如图1所示,金属板与可调电源相连形成电场,方向沿y轴正方向。在两板之间施加磁场,方向垂直平面向外。电场强度和磁感应强度随时间的变化规律如图2所示。板间O点放置一粒子源,可连续释放质量为m、电荷量为、初速度为零的粒子,不计重力及粒子间的相互作用,图中物理量均为已知量。求:
(1)时刻释放的粒子,在时刻的位置坐标;
(2)在时间内,静电力对时刻释放的粒子所做的功;
(3)在点放置一粒接收器,在时间内什么时刻释放的粒子在电场存在期间被捕获。
3.如图1所示的竖直平面内,在原点O有一粒子源,可沿x轴正方向发射速度不同、比荷均为的带正电的粒子。在的区域仅有垂直于平面向内的匀强磁场;的区域仅有如图2所示的电场,时间内和时刻后的匀强电场大小相等,方向相反(时间内电场方向竖直向下),时间内电场强度为零。在磁场左边界直线上的某点,固定一粒子收集器(图中未画出)。0时刻发射的A粒子在时刻经过左边界进入磁场,最终被收集器收集;B粒子在时刻以与A粒子相同的发射速度发射,第一次经过磁场左边界的位置坐标为;C粒子在时刻发射,其发射速度是A粒子发射速度的,不经过磁场能被收集器收集。忽略粒子间相互作用力和粒子重力,不考虑边界效应。
(1)求电场强度E的大小;
(2)求磁感应强度B的大小;
(3)设时刻发射的粒子能被收集器收集,求其有可能的发射速度大小。
4.如图甲所示,空间站上某种离子推进器由离子源、间距为d的中间有小孔的两平行金属板M、N和边长为L的立方体构成,其后端面P为喷口。以金属板N的中心O为坐标原点,垂直立方体侧面和金属板建立x、y和z坐标轴。M、N板之间存在场强为E、方向沿z轴正方向的匀强电场;立方体内存在磁场,其磁感应强度沿z方向的分量始终为零,沿x和y方向的分量和随时间周期性变化规律如图乙所示,图中可调。氙离子()束从离子源小孔S射出,沿z方向匀速运动到M板,经电场加速进入磁场区域,最后从端面P射出,测得离子经电场加速后在金属板N中心点O处相对推进器的速度为v0。已知单个离子的质量为m、电荷量为,忽略离子间的相互作用,且射出的离子总质量远小于推进器的质量。
(1)求离子从小孔S射出时相对推进器的速度大小vS;
(2)不考虑在磁场突变时运动的离子,调节的值,使得从小孔S射出的离子均能从喷口后端面P射出,求的取值范围;
(3)设离子在磁场中的运动时间远小于磁场变化周期T,单位时间从端面P射出的离子数为n,且。求图乙中时刻离子束对推进器作用力沿z轴方向的分力。
带电粒子在交变电场中的直线运动
5.如图1所示,在两平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力),当两板间的电压分别如图2中甲、乙、丙、丁所示时,电子在板间运动(假设不与板相碰),下列说法正确的是( )
A.电压是甲图时,在0~T时间内,电子的电势能一直减少
B.电压是乙图时,在0~时间内,电子的电势能先增加后减少
C.电压是丙图时,电子在板间做往复运动
D.电压是丁图时,电子在板间做往复运动
6.如图甲所示,一平行板电容器两板间距为d,在一板内侧附近有一带电量为q、质量为m的正离子,为使该离子能在两极间来回振动而不撞在两极上,在两极间加上如图乙所示交变电压,此交变电压的周期应有( )
A.T<4dB.T>4d
C.T<2dD.T>2d
7.如图甲所示,直线加速器由一个金属圆板(序号为0)和多个横截面积相同的金属圆筒组成,其中心轴线在同一直线上,圆筒的长度遵照一定的规律依次增加。圆板和圆筒与交流电源相连,序号为奇数的圆筒和电源的一极相连,圆板和序号为偶数的圆筒和该电源的另一极相连,交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。若电压的绝对值为U,电子电量大小为e,电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。在t=0时刻,圆板中央的一个电子在圆板和圆筒之间的电场中由静止开始加速,沿中心轴线冲进圆筒1,电子在每个圆筒中运动的时间均小于T,且电子均在电压变向时恰从各圆筒中射出,不考虑相对论效应,则( )
A.由于静电屏蔽作用,圆筒内不存在电场
B.电子运动到第n个圆筒时动能为neU
C.在时奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为负值
D.第n个和第n+1个圆筒的长度之比为
8.现有某种直线加速器结构如图甲所示,编号为1~4号的4块电极板平行放置,极板中心均有一小孔供粒子通过.其中1号和3号板与A接线柱相连,2号和4号板与B接线柱相连,在A、B接线柱间通以如图乙所示的交变电压,其中电压U已知,周期T可以根据需调节.现有一质子从1号板由静止释放,沿直线保持加速运动状态,穿过小孔达到4号板.设质子的电荷量为e,质量为m,1、2号板间距为d,忽略电场边缘效应及电压变化瞬间所产生的影响,则( )
A.质子离开3号板时的动量大小为2
B.交变电压的周期为
C.3、4号板间距为
D.整个运动过程中质子作匀加速直线运动
带电粒子在交变电场中的曲线运动
9.如图甲所示,两平行金属板水平放置,间距为,金属板长为,两金属板间加如图乙所示的电压(,初始时上金属板带正电)。一粒子源射出的带电粒子恰好从上金属板左端的下边缘水平进入两金属板间。该粒子源能随时间均匀发射质量为、电荷量为的带电粒子,初速度,重力忽略不计,则( )
A.能从板间飞出的粒子在板间运动的时间为
B.能从板间飞出的粒子束进入极板的时刻为
C.若粒子在时刻进入两极板之间,粒子飞出极板时的偏移量是
D.若发射时间足够长,则能够从两金属板间飞出的粒子占总入射粒子数的比例为
10.两块水平平行放置的金属板如图甲所示,一个电子(质量为m、电荷量为e)由静止开始,经电压为U0的电场加速后射入两板之间,若两板均不带电时,电子通过两板之间的时间为3t0。当在两板间加如图乙所示的周期为2t0、最大值恒为U0的周期性电压时,电子在t=0时刻沿平行板的方向从两板正中间射入两板之间。不计电子重力,对于该电子在极板之间的运动,以下说法正确的是( )
A.该电子在两极板间一直做曲线运动
B.该电子在垂直于两板方向上一定先加速再匀速再加速
C.若该电子恰好能从下板右端离开,则离开下板时的动能为3eU0
D.若该电子恰好能从下板右端离开,则两板之间的距离为
11.在真空中有水平放置的两个平行、正对金属平板,板长为l,两板间距离为d,在两极板间加一交变电压如图乙,质量为m,电荷量为e的电子以速度v0(v0接近光速的)从两极板左端中点沿水平方向连续不断地射入两平行板之间。若电子经过两极板间的时间相比交变电流的周期可忽略不计,不考虑电子间的相互作用和相对论效应,则在任意0.2s内( )
A.当时,所有电子都能从极板的右端射出
B.当时,将没有电子能从极板的右端射出
C.当时,有电子从极板右端射出的时间与无电子从极板右端射出的时间之比为1:2
D.当时,有电子从极板右端射出的时间与无电子从极板右端射出的时间之比为
12.如图甲所示,在空间中建立xOy坐标系,α射线管由平行金属板A、B和平行于金属板的细管C组成,放置在第II象限,细管C到两金属板距离相等,细管C开口在y轴上。放射源P在A板左端,可以沿特定方向发射某一初速度的α粒子。若金属板长为L、间距为d,当A、B板间加上某一电压时,α粒子刚好能以速度从细管C水平射出,进入位于第I象限的静电分析器中。静电分析器中存在着辐向电场,α粒子在该电场中恰好做匀速圆周运动,该电场的电场线沿半径方向指向圆心O,α粒子运动轨迹处的场强大小为。时刻α粒子垂直x轴进入第IV象限的交变电场中,交变电场随时间的变化关系如图乙所示,规定沿x轴正方向为电场的正方向。已知α粒子的电荷量为2e(e为元电荷)、质量为m,重力不计。以下说法中正确的是( )
A.α粒子从放射源P运动到C的过程中动能的变化量为
B.α粒子从放射源P发射时的速度大小为
C.α粒子在静电分析器中运动的轨迹半径为
D.当时,α粒子的坐标为
四、带电粒子在交变电磁场中的运动
13.如图甲所示,在平面的第一象限内(含轴和轴的正半轴)存在周期性变化的磁场,规定垂直纸面向内的方向为正,磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示。某质量为、电荷量为的粒子,在时刻沿轴正方向从坐标原点射入磁场。图乙中为未知量.已知,,。求:
(1)时间内粒子做匀速圆周运动的角速度;
(2)若粒子不能从轴正半轴射出磁场,磁感应强度变化周期的最大值;
(3)若粒子能沿轴正方向通过坐标为(,)的点,其射入磁场时速率。
14.如图(a)所示,M、N为竖直放置的彼此平行的两块平板,两板间的距离为,两板中央各有一个孔、,且正对,两板间有一垂直于纸面方向的磁场,磁感应强度随时间的变化图像(垂直纸面向里为正)如图(b)所示,有一正离子在时刻垂直于M板从小孔进入磁场,已知正离子质量为,带电量为,正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期为,速度为(不考虑磁场变化而产生的电场的影响,不计正离子所受重力,其中、、、、为已知量)。求:
(1)磁感应强度的大小;
(2)若正离子从时刻开始进入,则打到N板上离点的距离。
15.在如图甲所示的平面直角坐标系xOy(其中Ox水平,Oy竖直)内,矩形区域OMNP充满磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场(边界处有磁场),,其中=d,,P点处放置一垂直于x轴的荧光屏,现将质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从OM边的中点A处以某一速度垂直于磁场且沿与y轴负方向夹角为45°的方向射入磁场,不计粒子重力。
(1)求粒子恰好能打在荧光屏上与A等高的点的速度大小;
(2)求粒子能从OM边射出磁场的最大速度及其对应的运动时间。
(3)若规定垂直纸面向外的磁场方向为正方向,磁感应强度B的变化规律如图乙所示(图中B0已知),调节磁场的周期,满足,让上述粒子在t=0时刻从坐标原点O沿与x轴正方向成60°角的方向以一定的初速度射入磁场,若粒子恰好垂直打在屏上,求粒子的可能初速度大小及打在光屏上的位置。
16.如图甲所示,水平放置的平行金属板P和Q,相距为d,两板间存在周期性变化的电场或磁场。P、O间的电势差UPQ随时间的变化规律如图乙所示,磁感应强度B随时间变化的规律如图丙所示,磁场方向垂直纸面向里为正方向。t=0时刻,一质量为m、电荷量为+q的粒子(不让重力),以初速度v0由P板左端靠近板面的位置,沿平行于板面的方向射入两板之间,q、m、d、v0、U0为已知量。
(1)若仅存在交变电场,要使电荷飞到Q板时,速度方向恰好与Q板相切,求交变电场周期T;
(2)若仅存在匀强磁场,且满足,粒子经一段时间恰能垂直打在Q板上(不考虑粒子反弹),求击中点到出发点的水平距离。
专练目标
专练内容
目标1
高考真题(1T—4T)
目标2
带电粒子在交变电场中的直线运动(5T—8T)
目标3
带电粒子在交变电场中的曲线运动(9T—12T)
目标4
带电粒子在交变电磁场中的运动(13T—16T)
新高考物理三轮冲刺突破练习专题15带电粒子在磁场中的运动(含解析): 这是一份新高考物理三轮冲刺突破练习专题15带电粒子在磁场中的运动(含解析),共26页。
专题12 带电粒子在磁场中的运动-冲刺高考物理大题突破+限时集训(全国通用): 这是一份专题12 带电粒子在磁场中的运动-冲刺高考物理大题突破+限时集训(全国通用),文件包含专题12带电粒子在磁场中的运动-冲刺高考物理大题突破+限时集训全国通用解析版docx、专题12带电粒子在磁场中的运动-冲刺高考物理大题突破+限时集训全国通用原卷版docx等2份试卷配套教学资源,其中试卷共34页, 欢迎下载使用。
专题18 带电粒子在组合场和叠加场中的动力学问题-2023年高三物理二轮高频考点冲刺突破: 这是一份专题18 带电粒子在组合场和叠加场中的动力学问题-2023年高三物理二轮高频考点冲刺突破,文件包含专题18带电粒子在组合场和叠加场中的动力学问题解析版docx、专题18带电粒子在组合场和叠加场中的动力学问题原卷版docx等2份试卷配套教学资源,其中试卷共46页, 欢迎下载使用。