高考物理模型全归纳 第77讲+带电粒子在磁场中的动态圆模型

高考物理全归纳——模型专题

在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。

一、什么是物理模型

自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。

物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）

二、为什么要建立物理模型

1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标

3、提高学生解决问题能力

三、如何帮助学生的建立物理模型

（一）提高认识，重视过程：

对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。

（二）概括总结，触类旁通：

新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。

第77讲 带电粒子在磁场中的动态圆模型

1．（2021•乙卷）如图，圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，质量为m、电荷量为q（q＞0）的带电粒子从圆周上的M点沿直径MON方向射入磁场。若粒子射入磁场时的速度大小为v1，离开磁场时速度方向偏转90°；若射入磁场时的速度大小为v2，离开磁场时速度方向偏转60°。不计重力。则为（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：根据题意，粒子两次射入磁场的运动轨迹如图所示：

设磁场的圆形区域半径为r，由几何关系可知，两次轨迹圆的半径分别为：

R1＝r，

R2r

由洛伦兹力提供向心力可知：

则粒子的速度：v

则粒子两次的入射速度之比为：，解得：，故B正确，ACD错误；

故选：B。

一.知识回顾

1．模型构建

此类模型较为复杂，常见的磁场边界有单直线边界、双直线边界、矩形边界和圆形边界等。因为是有界磁场，则带电粒子运动的完整圆周往往会被破坏，可能存在最大、最小面积，最长、最短时间等问题。

2．模型条件

(1)在匀强磁场中做匀速圆周运动。(2)磁场有一定范围。

3．模型分类

(一)动态放缩法

带电粒子在矩形有界匀强磁场中运动的临界问题

带电粒子在矩形有界匀强磁场中运动的特点：

(1)若粒子射入的初速度方向和矩形磁场某边界垂直，如图甲所示。

①当粒子速度较小时，粒子将在磁场中做半个圆周运动后从原边界射出磁场区域；

②当粒子速度在某一范围内时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从侧面边界飞出磁场；

③当粒子速度较大时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从对面边界飞出磁场。

(2)若粒子射入的初速度方向和矩形磁场某边界成一夹角，如图乙所示。

①当粒子速度较小时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从原边界飞出磁场；

②当粒子速度在某一范围内时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从上侧面边界飞出磁场；

③当粒子速度较大时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从右侧面边界飞出磁场；

④当粒子速度更大时，粒子将在磁场中做部分圆周运动后从下侧面边界飞出磁场。

综合以上分析可知，求解带电粒子在矩形有界匀强磁场区域运动的时间范围、速度范围等的问题时，寻找“相切或相交”的临界点是解决问题的关键；另外可知在磁场边界上还有粒子不能达到的区域即“盲区”。

(二)定圆旋转法

(1)解决带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，关键在于运用动态思维，寻找临界点，确定临界状态，根据粒子的速度方向，找出半径方向，同时由磁场边界和题设条件画好轨迹，定好圆心，建立几何关系。粒子射出或不射出磁场的临界状态是粒子运动轨迹与磁场边界相切。

(2)要重视分析时的尺规作图，规范而准确的作图可突出几何关系，使抽象的物理问题更形象、直观。

(三)平移圆法

二.例题精析

题型一： 动态放缩圆

（多选）例1．如图所示，在正方形区域abcd内有方向垂直于纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场．在t＝0时刻，位于正方形中心O的离子源向平面abcd内各个方向发射出大量带正电的粒子，所有粒子的初速度大小均相同，粒子在磁场中做圆周运动的半径恰好等于正方形的边长，不计粒子的重力以及粒子间的相互作用力．已知平行于ad方向向下发射的粒子在t＝t0时刻刚好从磁场边界cd上某点离开磁场，下列说法正确的是（　　）

A．粒子在该磁场中匀速圆周运动的周期为6t0 

B．粒子的比荷为 

C．粒子在磁场中运动的轨迹越长，对应圆弧的圆心角越大 

D．初速度方向正对四个顶点的粒子在磁场中运动时间最长

【解答】解：粒子在磁场中做匀速圆周运动，初速度平行于ad方向发射的粒子运动轨迹如图，其圆心为O1．设正方形边长为L，由几何关系得：

sin∠OO1k①

得：∠OO1k

则t＝t0②

又T③

解得：；故B正确；

由②式得：T＝12t0，故A错误；

由于粒子的初速度大小相等，所有粒子的轨迹半径相等，运动轨迹最长的粒子转过的圆心角最大，在磁场中运动时间也最长，故C正确D错误；

故选：BC。

题型二：旋转圆

（多选）例2．如图所示，在荧屏MN上方分布了水平方向的匀强磁场，方向垂直纸面向里。距离荧屏d处有一粒子源S，能够在纸面内不断地向各个方向同时发射电荷量为q，质量为m的带正电粒子，不计粒子的重力，已知粒子做圆周运动的半径也恰好为d，则（　　）

A．粒子能打到板上的区域长度为2d 

B．能打到板上最左侧的粒子所用的时间为 

C．粒子从发射到达到绝缘板上的最长时间为 

D．同一时刻发射的粒子打到绝缘板上的最大时间差

【解答】解：A、粒子受到的洛伦兹力充当向心，粒子运动的半径：R＝d

粒子运动到绝缘板的两种临界情况如图，设SC垂直于MN与C点，由几何关系可知，左侧最远处与S之间的距离恰好是圆的直径，

则左侧最远处A离C距离为d，右侧离C最远处为B，距离为d，所以粒子能打在板上的区域长度是（1）d，故A错误；

B、左侧最远处与S之间的距离恰好是圆的直径，所以S到A的时间恰好是半个周期，则：，故B正确；

C、在磁场中运动时间最长和最短的粒子运动轨迹示意图如下：

粒子做整个圆周运动的周期

由几何关系可知最短时间：

如图所示粒子在磁场中最长时间：

，故C错误，D正确

故选：BD。

题型三：平移圆

（多选）例3．如图所示，在直角三角形ABC内充满垂直纸面向外的匀强磁场（图中未画出），AB边长度为d，∠B．现垂直AB边射入一质量均为m、电荷量均为q、速度大小均为v的带正电粒子，已知垂直AC边射出的粒子在磁场中运动的时间为t0，而运动时间最长的粒子在磁场中的运动时间为t0（不计重力）．则下列判断中正确的是（　　）

A．粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期为4t0 

B．该匀强磁场的磁感应强度大小为 

C．粒子在磁场中运动的轨道半径为d 

D．粒子进入磁场时速度大小为

【解答】解：A、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，垂直AC边射出的粒子在磁场中运动的时间是T，即为：T＝t0，则得周期为：T＝4t0，故A正确；

B、由 T＝4t0，R，T，

得：B，故B正确；

C、运动时间最长的粒子在磁场中运动的轨迹如图所示，根据几何关系有：Rsind，

解得：Rd，故C正确；

D、根据粒子在磁场中运动的速度为：v，周期为：T＝4t0，半径为：Rd，联立可得：v，故D错误。

故选：ABC。

三.举一反三，巩固练习

1. 如图所示，在直角坐标系xoy中，x轴上方有匀强磁场，磁感应强度的大小为B，磁场方向垂直于纸面向外。许多质量为m、电荷量为+q的粒子，以相同的速率v沿纸面内，由x轴负方向与y轴正方向之间各个方向从原点O射入磁场区域。不计重力及粒子间的相互作用。下列图中阴影部分表示带电粒子在磁场中可能经过的区域，其中R，正确的图是（　　）

A． B． 

C． D．

【解答】解：粒子在磁场中做匀速圆周运动，以x轴为边界的磁场，粒子从x轴进入磁场后在离开，速度v与x轴的夹角相同，根据左手定和R，

知沿x轴负轴的刚好进入磁场做一个圆周，沿y轴进入的刚好转半个周期，如图，在两图形的相交的部分是粒子不经过的地方，故D正确；

故选：D。

2. （2020•新课标Ⅰ）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，为半圆，ac、bd与直径ab共线，ac间的距离等于半圆的半径。一束质量为m、电荷量为q（q＞0）的粒子，在纸面内从c点垂直于ac

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。在磁场中运动时间最长的粒子，其运动时间为（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：粒子在磁场中运动的时间与速度大小无关，由粒子在磁场中运动轨迹对应圆心角决定，即；

方法一：设半圆的半径为R，采用放缩法如图所示：

粒子垂直ac，则圆心必在ac直线上，将粒子的轨迹半径由零逐渐放大，在r≤0.5R和r≥1.5R时，粒子从ac、bd区域射出，磁场中的轨迹为半圆，运动时间等于半个周期；当0.5R＜r＜1.5R时，粒子从半圆边界射出，逐渐将轨迹半径从0.5R逐渐放大，粒子射出位置从半圆顶端向下移动，轨迹圆心角从π逐渐增大，当轨迹半径为R时，轨迹圆心角最大，然后再增大轨迹半径，轨迹圆心角减小，因此当轨迹半径等于R时轨迹圆心角最大，即；

方法二：O点为半圆弧的圆心，过c点做半圆弧的切线，与圆弧相切与e点，由于co＝2R，oe＝R，且ce⊥eo，故∠oce＝30°，因为只有ce与圆弧相切时，∠oce为最大，如果不相切，∠oce小于30°，ce为轨迹圆的一条弦，则此时弦切角最大为90°+30°＝120°，根据圆心角等于弦切角的2倍，所以最大圆心角为θ＝2×120°＝240°；

即，粒子运动最长时间为，故C正确，ABD错误。

故选：C。

3. （2020•浙江）某种离子诊断测量简化装置如图所示。竖直平面内存在边界为矩形EFGH、方向

垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场，探测板CD平行于HG水平放置，能沿竖直方向缓慢移动且接地。a、b、c三束宽度不计、间距相等的离子束中的离子均以相同速度持续从边界EH水平射入磁场，b束中的离子在磁场中沿半径为R的四分之一圆弧运动后从下边界HG竖直向下射出，并打在探测板的右边缘D点。已知每束每秒射入磁场的离子数均为N，离子束间的距离均为0.6R，探测板CD的宽度为0.5R，离子质量均为m、电荷量均为q，不计重力及离子间的相互作用。

（1）求离子速度v的大小及c束中的离子射出磁场边界HG时与H点的距离s；

（2）求探测到三束离子时探测板与边界HG的最大距离Lmax；

（3）若打到探测板上的离子被全部吸收，求离子束对探测板的平均作用力的竖直分量F与板到HG距离L的关系。

【解答】解：（1）根据洛伦兹力提供向心力可得：qvB＝m

解得：v

设c束离子运动轨迹对应的圆心为O，从磁场边界HG边的Q点射出，根据几何关系可得：OH＝0.6R

c束中的离子射出磁场边界HG时与H点的距离s0.8R；

（2）（2）a束中的离子运动轨迹对应的圆心为O'，从磁场边界HG边射出时距离H点的距离为x，由几何关系可得：

HO'＝aH﹣R＝0.6R，x0.8R，

即a、c束中的离子从同一点Q射出，如图所示；

离开磁场的速度分别与竖直方向的夹角为β、α，由几何关系可得：α＝β，探测到三束离子，则c束中离子恰好达到探测板的D点时，探测板与边界HG的距离最大，根据几何关系可得：

tanα

解得：LmaxR；

（3）a或c束中每个离子动量的竖直分量：Px＝Pcosα＝0.8qBR，根据动量定理可得：

当0＜LR时，F1＝NP+2NPx＝2.6NqBR

当R＜L≤0.4R时，F2＝NP+NPx＝1.8NqBR

当L＞0.4R时，F3＝NP＝NqBR。

答：（1）离子速度v的大小为，c束中的离子射出磁场边界HG时与H点的距离为0.8R；

（2）探测到三束离子时探测板与边界HG的最大距离为R；

（3）当0＜LR时，F1＝2.6NqBR；当R＜L≤0.4R时，F2＝1.8NqBR；当L＞0.4R时，F3＝NqBR。

4. 如图，虚线所示的圆形区域内存在一垂直于纸面的匀强磁场，P为磁场边界上的一点，大量相同的带电粒子以相同的速率经过P点，在纸面内沿不同方向射入磁场。若粒子射入速率为v1，这些粒子在磁场边界的出射点分布在六分之一圆周上；若粒子射入速率为v2，相应的出射点分布在三分之一圆周上。不计重力及带电粒子之间的相互作用。则这两种情况下带电粒子从P点射入到距P点最远处射出，其在磁场中所经历的时间比t1：t2为（　　）

A．1：2 B．2：1 C．：1 D．1：1

【解答】解：粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律得：

qvB＝mm，

解得：r，T，

可知粒子在磁场中运动的周期均相同，通过旋转圆可知，这两种情况下带电粒子从P点射入到距P点最远处射出，入射点和最远射出点连线应是轨迹圆的直径，轨迹所对圆心角均为π，在磁场中所经历的时间比t1：t2＝1：1，故D正确，ABC错误。

故选：D。

5. 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圈围成的区域内，磁场的磁感应强度最小为（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：当电子在磁场中的运动轨迹和外圆相切时，电子在图中实线圆围成的区域内运动的半径最大，

电子的运动轨迹如图，

令电子的半径为r，根据几何知识有r2+a2＝（3a﹣r）2，

所以电子的最大半径为r，

因为，

所以B，

则磁感应强度的最小值为B，故ABD错误，C正确。

故选：C。

6. （多选）如图所示，在x0y平面的第一象限内存在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场。两个相同的带电粒子，先后从y轴上的P点（0，a）和Q点（纵坐标b未知），以相同的速度v0沿x轴正方向射入磁场，在x轴上的M点（c，0）相遇。不计粒子的重力及粒子之间的相互作用，由题中信息可以确定（　　）

A．Q 点的纵坐标b 

B．带电粒子的电荷量 

C．两个带电粒子在磁场中运动的半径 

D．两个带电粒子在磁场中运动的时间

【解答】解：粒子在磁场中运动只受洛伦兹力作用，故粒子做匀速圆周运动，轨迹如图所示：

洛伦兹力做向心力，故有：①；

AC、根据几何关系可得P点粒子的轨道半径，从而可以求出Q点射出粒子半径及坐标，故AC正确；

B、由于是同种粒子，比荷相同，无法具体求解电荷量和质量，但可以求出比荷，故B错误；

D、根据粒子运动轨道半径和粒子转过的圆心角；故根据周期，可求得运动时间，故D正确；

故选：ACD。

7. （2021•湖南）带电粒子流的磁聚焦和磁控束是薄膜材料制备的关键技术之一。带电粒子流（每个粒子的质量为m、电荷量为+q）以初速度v垂直进入磁场，不计重力及带电粒子之间的相互作用。对处在xOy平面内的粒子，求解以下问题。

（1）如图（a），宽度为2r1的带电粒子流沿x轴正方向射入圆心为A（0，r1）、半径为r1的圆形匀强磁场中，若带电粒子流经过磁场后都汇聚到坐标原点O，求该磁场磁感应强度B1的大小；

（2）如图（a），虚线框为边长等于2r2的正方形，其几何中心位于C（0，﹣r2）。在虚线框内设计一个区域面积最小的匀强磁场，使汇聚到O点的带电粒子流经过该区域后宽度变为2r2，并沿x轴正方向射出。求该磁场磁感应强度B2的大小和方向，以及该磁场区域的面积（无需写出面积最小的证明过程）；

（3）如图（b），虚线框Ⅰ和Ⅱ均为边长等于r3的正方形，虚线框Ⅲ和Ⅳ均为边长等于r4的正方形。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中分别设计一个区域面积最小的匀强磁场，使宽度为2r3的带电粒子流沿x轴正方向射入Ⅰ和Ⅱ后汇聚到坐标原点O，再经过Ⅲ和Ⅳ后宽度变为2r4，并沿x轴正方向射出，从而实现带电粒子流的同轴控束。求Ⅰ和Ⅲ中磁场磁感应强度的大小，以及Ⅱ和Ⅳ中匀强磁场区域的面积（无需写出面积最小的证明过程）。

【解答】解：（1）利用圆形区域匀强磁场实现对带电粒子流的磁聚焦，需要满足：粒子匀速圆周

运动半径与圆形磁场区域的半径相等，设粒子做匀速圆周运动的半径为R1，则有R1＝r1，

粒子匀速圆周运动所需向心力等于洛伦兹力，则有：qvB1＝m

解得：B1

（2）在磁场B1中汇聚到O点的带电粒子进入磁场B2后，射出后变为宽度为2r2平行粒子束，此为磁聚焦的逆过程（磁控束），粒子运动轨迹如右图中红色轨迹，则可知需要的区域面积最小的匀强磁场应为以出射的粒子流的宽度为直径的圆形区域磁场，如右图中蓝色圆形区域，设粒子匀速圆周运动半径为R2，需要的最小圆形磁场区域半径为r2′，则有R2＝r2′＝r2，

粒子做匀速圆周运动所需向心力等于洛伦兹力，则有：qvB2＝m，

解得：B2，

带正电粒子在磁场B2中做逆时针匀速圆周运动，由左手定则判断，磁感应强度B2的方向为垂直xOy平面向里，

该磁场区域的面积S

（3）进入区域Ⅰ的粒子经磁聚焦由O点进入区域Ⅳ经磁控束后离开磁场；同理，进入区域Ⅱ的粒子经磁聚焦由O点进入区域Ⅲ经磁控束后离开磁场，则可知在区域Ⅰ和区域Ⅱ中的圆形磁场区域半径为r3，粒子匀速圆周运动半径也为r3，同理，在区域Ⅲ和区域Ⅳ中的圆形磁场区域半径为r4，粒子匀速圆周运动半径也为r4，如右图所示，各区域中的蓝色圆弧为最小区域磁场边界，红色圆弧为入射或出射时离x轴距离最远的粒子运动轨迹，则各区域需要的磁场区域最小面积为蓝色圆弧与红色圆弧围成的区域面积。

设区域Ⅰ中磁场的磁感应强度为B3，则有：qvB3＝m

解得：B3

设区域Ⅲ中磁场的磁感应强度为B4，则有：qvB4

解得：B4

区域Ⅱ中匀强磁场区域的面积S2＝2（）

区域Ⅳ中匀强磁场区域的面积S4＝2（）

答：（1）该磁场磁感应强度B1的大小为；

（2）该磁场磁感应强度B2的大小为，方向为垂直xOy平面向里，以及该磁场区域的面积为；

（3）Ⅰ和Ⅲ中磁场磁感应强度的大小分别为和，以及Ⅱ和Ⅳ中匀强磁场区域的面积分别为和。