课时跟踪检测(二十八) 带电粒子在组合场中的运动

课时跟踪检测(二十八)带电粒子在组合场中的运动对点训练：质谱仪回旋加速器1(多选) (2015苏北三市一模)如图1所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点。不计粒子重力。下列说法中正确的是()图1A极板M比极板N电势高B加速电场的电压UERC直径PQ2BD若一群离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该群离子具有相同的比荷2(多选)(2015武汉摸底)图2甲是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。若带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示，不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，下列判断正确的是()图2A在Ekt图中应该有tn1tntntn1B在Ekt图中应该有tn1tntntn1C在Ekt图中应该有En1EnEnEn1D在Ekt图中应该有En1En0)的粒子由S1静止释放，粒子在电场力的作用下向右运动，在t时刻通过S2垂直于边界进入右侧磁场区。(不计粒子重力，不考虑极板外的电场)(1)求粒子到达S2时的速度大小v和极板间距d。(2)为使粒子不与极板相撞，求磁感应强度的大小应满足的条件。(3)若已保证了粒子未与极板相撞，为使粒子在t3T0时刻再次到达S2，且速度恰好为零，求该过程中粒子在磁场内运动的时间和磁感应强度的大小。图5对点训练：带电粒子在组合场中的运动6(多选)如图6所示，两个重心重合的正三角形容器内分别存在着垂直于纸面向里和垂直于纸面向外的匀强磁场，已知内部三角形容器ABC边长为2a，内部磁感应强度大小为B，且每条边的中点开有一个小孔。有一带电荷量为q、质量为m的粒子从AB边中点D垂直AB进入内部磁场。如果要使粒子恰好不经过碰撞在磁场中运动一段时间后又能从D点射入，下列说法正确的是()图6A容器ABC与ABC之间的磁感应强度大小也为BB容器ABC的边长为2aC粒子的速度大小为D粒子再次回到D点的最短时间为7如图7所示，在第象限内有水平向右的匀强电场，电场强度为E，在第、象限内分别存在如图所示的匀强磁场，磁感应强度大小相等。有一个带电粒子以垂直于x轴的初速度v0从x轴上的P点进入匀强电场中，并且恰好与y轴的正方向成45角进入磁场，又恰好垂直于x轴进入第象限的磁场。已知OP之间的距离为d，则带电粒子在磁场中第二次经过x轴时，在电场和磁场中运动的总时间为()图7A.B.(25)C. D.8(2014重庆高考)如图8所示，在无限长的竖直边界NS和MT间充满匀强电场，同时该区域上、下部分分别充满方向垂直于NSTM平面向外和向内的匀强磁场，磁感应强度大小分别为B和2B，KL为上下磁场的水平分界线，在NS和MT边界上，距KL高h处分别有P、Q两点，NS和MT间距为1.8h。质量为m、带电荷量为q的粒子从P点垂直于NS边界射入该区域，在两边界之间做圆周运动，重力加速度为g。图8(1)求电场强度的大小和方向。(2)要使粒子不从NS边界飞出，求粒子入射速度的最小值。(3)若粒子能经过Q点从MT边界飞出，求粒子入射速度的所有可能值。答 案1选AD粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转，说明粒子带正电荷，极板M比极板N电势高，选项A正确；由Uqmv2和Eq可得U，选项B错误；直径PQ2r2，可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点，先项C错误，D正确。2选AC根据带电粒子在匀强磁场中运动的周期与速度无关可知，在Ekt图中应该有tn1tntntn1，选项A正确B错误；由于带电粒子在电场中加速，电场力做功相等，所以在Ekt图中应该有En1EnEnEn1，选项C正确D错误。3解析：(1)设粒子P的质量为m，电荷量为q，速度为v，粒子P在洛伦磁力作用下，在xOy平面内做圆周运动，用R表示圆周的半径，T表示运动周期，则有：qvB0mR2，v。由上式及已知条件得：TT。粒子P在t0到t时间内，沿顺时针方向运动半个圆周，到达x轴上B点，此时磁场方向反转；继而，在t到tT时间内，沿逆时针方向运动半个圆周，到达x轴上A点，如图(a)所示。OA与x轴夹角0。(2)粒子P在t0时刻开始运动，在t到t时间内，沿顺时针方向运动个圆周，到达C点，此时磁场方向反转；继而，在t到tT时间内，沿逆时针方向运动半个圆周，到达B点，此时磁场方向再次反转；在tT到t时间内，沿顺时针方向运动个圆周，到达A点，如图(b)所示。由几何关系可知，A点在y轴上，即OA与x轴夹角。答案：(1)OA与x轴夹角0(2)OA与x轴夹角4解析：(1)质量为m0的粒子在磁场中做匀速圆周运动qvBm0，T0则T0当粒子的质量增加m0时，其周期增加TT0则根据题图乙可知，粒子第一次的加速电压u1U0粒子第二次的加速电压u2U0射出时的动能Ek2qu1qu2解得Ek2qU0。(2)磁屏蔽管的位置如图所示。(3)在uab0时，粒子被加速，则最多连续被加速的次数N25分析可得，当粒子在连续被加速的次数最多，且uU0时也被加速时，最终获得的动能最大。粒子由静止开始加速的时刻t(n)T0(n0,1,2，)最大动能Ekm2()qU0qU0解得EkmqU0。答案：(1)qU0(2)见解析(3)t(n)T0(n0,1,2，)qU05解析：(1)粒子由S1至S2的过程，根据动能定理得qU0mv2由式得v 设粒子的加速度大小为a，由牛顿第二定律得qma由运动学公式得da()2联立式得d (2)设磁感应强度大小为B，粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R，由牛顿第二定律得qvBm要使粒子在磁场中运动时不与极板相撞，须满足2R联立式得B (3)设粒子在两边界之间无场区向左匀速运动的过程用时为t1，有dvt1联立式得t1若粒子再次到达S2时速度恰好为零，粒子回到极板间应做匀减速运动，设匀减速运动的时间为t2，根据运动学公式得dt2联立式得t2设粒子在磁场中运动的时间为tt3T0t1t2联立式得t设粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期为T，由式结合运动学公式得T由题意可知Tt联立式得B。答案：见解析6选ACD根据题意可画出如图所示粒子运动的轨迹图，要想使粒子恰好不经过碰撞在磁场中运动一段时间后又能从D点射入，容器ABC与ABC之间的磁感应强度大小也为B，选项A正确；利用几何知识可知容器ABC的边长为2a2a，选项B错误；因轨道半径Ra，所以v，选项C正确；粒子再次回到D点的最短时间为t，选项D正确。7选D带电粒子的运动轨迹如图所示。由题意知，带电粒子到达y轴时的速度vv0，这一过程的时间t1。又由题意知，带电粒子在磁场中的偏转轨道半径r2d。故知带电粒子在第象限中的运动时间为：t2带电粒子在第象限中运动的时间为：t3故t总。8解析：(1)设电场强度大小为E由题意有mgqE得E，方向竖直向上(2)如图甲所示，设粒子不从NS边飞出的入射速度最小值为vmin，对应的粒子在上、下区域的运动半径分别为r1和r2，圆心的连线与NS的夹角为。甲由r，有r1，r2r1由(r1r2)sin r2r1r1cos hvmin(96)。乙(3)如图乙所示，设粒子入射速度为v，粒子在上、下方区域的运动半径分别为r1和r2，粒子第一次通过KL时距离K点为x。由题意有3nx1.8 h(n1,2,3，)xx得r1(1)，n3.5即n1时，v；n2时，v；n3时，v。答案：见解析