高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

如图所示,真空室中$y$轴右侧存在连续排列的$4$个圆形边界磁场,圆心均在$x$轴上,相邻两个圆相切,半径均为$R$,磁感应强度均为$B$。其中第$1$$3$个圆形边界的磁场方向垂直于纸面向里,第$2$$4$个圆形边界的磁场方向垂直于纸面向外,第$4$个磁场右侧有一个粒子接收屏与$x$轴垂直,并与第$4$个磁场相切,切点为$M$,在磁场上方和下方分别有一条虚线与磁场相切,上方虚线以上有一向下的范围无限大的匀强电场,下方虚线以下有一向上的范围无限大的匀强电场,电场强度大小均为$E$。现将一群质量均为$m$、电荷量均为$+q(q\gt 0)$的带电粒子从坐标原点$O$向第一、四象限各个方向发射(不考虑平行于$y$轴方向发射的粒子),射出速度大小均为$v=\dfrac{qBR}{m}$,不计粒子重力,则下列说法正确的是$(\qquad)$

["

所有粒子从$O$点射出到最终被接收屏接收的过程中在电场中运动的时间均为$\\dfrac{4mv}{qE}$

","

所有粒子从$O$点射出到最终被接收屏接收的过程中在磁场中运动的时间均为$\\dfrac{4\\pi m}{qB}$

","

所有粒子从$O$点射出到最终被接收屏接收的时间不相同

","

所有被接收屏接收的粒子均从$M$点沿$x$轴正方向射出

"]
[["BC"]]

$\rm AD$.粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力有$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

解得$r=\dfrac{mv}{qB}=R$

可知粒子的运动满足磁聚焦与磁发散的条件,粒子每次出磁场时速度与$y$轴平行,或会聚于磁场边界与$x$轴的交点,粒子在电场中做匀变速直线运动,且最终会聚与$M$点离开磁场打在接收屏上,其轨迹如图所示

根据牛顿第二定律得$a=\dfrac{qE}{m}$

粒子在电场中运动的时间$t_{1}=4 \times \dfrac{2v}{a}=\dfrac{8mv}{qE}$,故$\rm AD$错误;

$\rm B$.粒子在磁场中运动的周期$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$

粒子在磁场中运动时,在每个圆形磁场中轨迹的圆心角都为$180^\circ$,故粒子在磁场中运动的总时间为$t_{2}=4 \times \dfrac{T}{2}=\dfrac{4\pi m}{qB}$,故$\rm B$正确;

$\rm C$.根据前面的分析可知,所以粒子在电场、磁场中运动的总时间都相同,但是在真空无电磁场的区域的运动路程不同,时间不同,所以从$O$点射出到最终被接收屏接收的时间不相同,故$\rm C$正确。

故选:$\rm BC$

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如图所示,一粒子源持续发射某种带电粒子,这些粒子恰能沿竖直线通过平行金属板、,两板间存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为,两板间的电压为,距离为。在粒子源的正下方足够远处,有一个长为的水平粒子收集板,板的中点有一小孔。板的下方存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。粒子恰能击中的中点。不计粒子重力及其相互间作用力。 如图所示,竖直平面内固定一直角坐标系,在轴上水平固定光滑绝缘轨道,在第二象限存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为,在第一象限存在竖直方向的匀强电场。质量为、电荷母为的带电小球,在水平向右的外力作用下运动,到点时恰好对轨道无压力地进入第一象限,此时撤除外力,要使小球进入第一象限后速度方向偏转再做匀速直线运动,必须在适当区域加上垂直纸面向外的匀强磁场Ⅱ,磁感应强度大小为。重力加速度为。 如图所示,在绝缘水平面上方,相距为的竖直边界、之间存在水平向左的匀强电场,场强大小为。边界右侧有一直角三角形区域,区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场和大小为、方向竖直向下的匀强电场。在边界上的点静止释放一个质量为、电量大小为的带电小球(大小忽略不计),小球从点进入三角形场区,最终从边界上的点离开。已知间的距离为,,不计一切摩擦。 如图所示,一个质量为的带电液滴在相互垂直的匀强磁场和匀强电场中的竖直面内做半径为的匀速圆周运动,电场和磁场的方向如图。那么这个液滴的电性与转动方向应是 如图所示,质量为、电荷量为的粒子从静止开始经加速电压加速后,从三维直角坐标系的原点处沿不同方向射入匀强磁场,磁感应强度大小为、方向沿轴正方向。已知加速电压调节范围为,其中。轴上距离点处有一长为的吸收板,吸收板接地,粒子打在板上即被吸收。不计粒子重力,下列说法正确的是 如图所示,在直角坐标系的坐标平面内,边长为的正方形区域内有沿轴负方向的匀强电场,点在轴正半轴上,点在轴正半轴上,区域外有垂直于坐标平面向外的匀强磁场,在坐标为 ,点以大小为的速度沿轴正向射出一个质量为、带正电荷量为的粒子。粒子第一次经电场偏转从的中点射出电场,此后粒子恰好从点第二次进入电场,不计粒子的重力,求:
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