专题12 与科技相关的带电粒子在电磁场中运动-2021年高考真题物理分项汇编（新高考）

专题12 与科技相关的带电粒子在电磁场中运动 1．（14分）（2021高考新课程I卷山东卷）某离子束实验装置的基本原理如图甲所示。Ⅰ区宽度为d，左边界与x轴垂直交于坐标原点O，其内充满垂直于平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为；Ⅱ区宽度为L，左边界与x轴垂直交于点，右边界与x轴垂直交于点，其内充满沿y轴负方向的匀强电场。测试板垂直x轴置于Ⅱ区右边界，其中心C与点重合。从离子源不断飘出电荷量为q、质量为m的正离子，加速后沿x轴正方向过O点，依次经Ⅰ区、Ⅱ区，恰好到达测试板中心C。已知离子刚进入Ⅱ区时速度方向与x轴正方向的夹角为。忽略离子间的相互作用，不计重力。 （1）求离子在Ⅰ区中运动时速度的大小v； （2）求Ⅱ区内电场强度的大小E； （3）保持上述条件不变，将Ⅱ区分为左右两部分，分别填充磁感应强度大小均为B（数值未知）、方向相反且平行y轴的匀强磁场，如图乙所示。为使离子的运动轨迹与测试板相切于C点，需沿x轴移动测试板，求移动后C到的距离s。 【名师解析】（1）设离子在Ⅰ区内做匀速圆周运动的半径为r，由牛顿第二定律得 ① 根据几何关系得 ② 联立①②式得 ③ （2）离子在Ⅱ区内只受电场力，x方向做匀速直线运动，y方向做匀变速直线运动，设从进入电场到击中测试板中心C的时间为t，y方向的位移为，加速度大小为a，由牛顿第二定律得 ④ 由运动的合成与分解得 ⑤ ⑥ ⑦ 联立①②④⑤⑥⑦式得 ⑧ （3）Ⅱ区内填充磁场后，离子在垂直y轴的方向做匀速圆周运动，如图所示。设左侧部分的圆心角为，圆周运动半径为，运动轨迹长度为，由几何关系得 ⑨ ⑩ 离子在Ⅱ区内的运动时间不变，故有 ⑪ C到的距离 ⑫ 联立⑨⑩⑪⑫式得 ⑬ 2.（13分）（2021新高考湖南卷） 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 、电荷量为 ）以初速度 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 平面内的粒子，求解以下问题。 （1）如图（a），宽度为 的带电粒子流沿 轴正方向射入圆心为 、半径为 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 ，求该磁场磁感应强度 的大小； （2）如图（a），虚线框为边长等于 的正方形，其几何中心位于 。在虚线框内设计一个区域面积最小的匀强磁场，使汇聚到 点的带电粒子流经过该区域后宽度变为 ，并沿 轴正方向射出。求该磁场磁感应强度 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 的正方形，虚线框Ⅲ和Ⅳ均为边长等于 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 的带电粒子流沿 轴正方向射入Ⅰ和Ⅱ后汇聚到坐标原点 ，再经过Ⅲ和Ⅳ后宽度变为 ，并沿 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）。 【命题意图】本题考查洛伦兹力和牛顿运动定律及其相关知识点，主要考查灵活运用知识能力. 【名师解析】 (1)最上面的粒子绕磁场边界到达O点，即轨迹半径为r1，由qvB1=m ，解得B1= （2）最上面的粒子绕磁场边界到达O点，方向沿着x轴负方向，则需要继续逆时针绕半圈到达矩形边界的最低点，即轨迹半径为r2，由qvB2=m ，解得B2= ，由左手定则可判断出磁场方向为垂直纸面向里，磁场区域面积为S=πr22. （3）图b中最下方的粒子绕1/4圆周运动到O，即qvBIII=m ，解得BIII= 接着绕1/4圆周运动从第I象限右上角射出磁场，即qvBI=m ，解得BI= 在第II象限和第IV象限中磁场区域最小面积为月牙形，即SII=（π/2-1）r32，SIV=（π/2-1）r42。 3. （2021年6月浙江选考物理） 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