带电粒子在磁场中运动之圆形磁场边界问题.docx
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带电粒子在磁场中运动之圆形磁场边界问题
考点4.3圆形磁场边界问题
考点4.3.1“粒子沿径向射入圆形磁场”边界问题
特点：
沿径向射入必沿径向射出，如图所示。
对称性：
入射点与出射点关于
磁场圆圆心与轨迹圆圆心连线对称，两心连线将轨迹弧平分、弦平分，圆心
角平分。
［来源:
学
1.如图所示，一半径为R的圆内有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度为B,
CD是该圆一直径.一质量为m电荷量为q的带电粒子（不计重力），自
A点沿指向0点方向垂直射入磁场中，恰好从D点飞出磁场，A点到
R
CD勺距离为?
根据以上内容（）
A.可判别圆内的匀强磁场的方向垂直纸面向里
B.不可求出粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径
C.可求得粒子在磁场中的运动时间
D.不可求得粒子进入磁场时的速度
2.如图所示，为一圆形区域的匀强磁场，在0点处有一放射源，沿半径方向射出速度为v
的不同带电粒子，其中带电粒子
1从A点飞出磁场，带电粒子
2从B点飞出磁场，不考
虑带电粒子的重力，则（
如图所示，一半径为R的圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一质量为m电荷量为q的正电荷（重力忽略不计）以速度v沿正对
5.如图所示圆形区域内，有垂直于纸面方向的匀强磁场，一束质量和电荷量都相同的带电
粒子，以不同的速率，沿着相同的方向，对准圆心0射入匀强磁场，又都从该磁场中射
出，这些粒子在磁场中的运动时间有的较长，有的较短，若带电粒子在磁场中只受磁场
力的作用，则在磁场中运动时间越长的带电粒子（
A.速率一定越小
B.速率一定越大
C.在磁场中通过的路程越长
D.在磁场中的周期一定越大
6.在以坐标原点0为圆心、半径为r的圆形区域内，存在磁感应强度大小为B方向垂直于纸面向里的匀强磁场，如图11所示.一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x轴的交点A
处以速度v沿一x方向射入磁场，它恰好从磁场边界与y轴的交点C处沿+y方向飞出.
（1）请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷m
（2）若磁场的方向和所在空间范围不变，而磁感应强度的大小
变为B',该粒子仍从A处以相同的速度射入磁场，但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60°角，求磁感应强度B'多大？
此次粒子在磁场中运动所用时间t是多少？
7.如右图所示，在某空间实验室中，有两个靠在一起的等大的圆柱形区域，分别存在着等
大反向的匀强磁场，磁感应强度B=0.10T,磁场区域半径r=-3m，左侧区圆心为
_26
C.今有质量m=3.2x10「kg.带
A点以速度v=106m/s正对O的
O,磁场向里，右侧区圆心为Q,磁场向外.两区域切点为电荷量q=1.6x1019C的某种离子，从左侧区边缘的方向垂直磁场射入，它将穿越C点后再从右侧区穿
出.求：
（1）该离子通过两磁场区域所用的时间.
（2）离子离开右侧区域的出射点偏离最初入射方向的侧移距离为多大？
（侧移距离指垂直初速度方向上移动的距离）
8.如图所示，有一对平行金属板，两板相距为0.05m.电压为10V;两板之间有匀强磁场,
_3
3T,方向
磁感应强度大小为B0=0.1T，方向与金属板面平行并垂直于纸面向里.图中右边有一半径
R为0.1m、圆心为O的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为
垂直于纸面向里.一正离子沿平行于金属板面，从A点垂直于磁场的方向射入平行金属
板之间，沿直线射出平行金属板之间的区域，并沿直径CD方向射入圆形磁场区域，最后
从圆形区域边界上的F点射出.已知速度的
偏向角3，不计离子重力.求：
（1）离子速度v的大小；
（2）离子的比荷q/m;
（3）离子在圆形磁场区域中运动时间t.
9.如图所示，在两个水平平行金属极板间存在着向下的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强
磁场，电场强度和磁感应强度的大小分别为E=2X106N/C和Bi=0.1T，极板的长度1=3m
间距足够大•在板的右侧还存在着另一圆形区域的匀强磁场，磁场的方向为垂直于纸面
向外，圆形区域的圆心0位于平行金属极板的中线上，圆形区域的半径R=m.有一带
正电的粒子以某速度沿极板的中线水平向右飞入极板后恰好做匀速直线运动，然后进入圆形磁场区域，飞出圆形磁场区
考点432“粒子不沿半径方向射入圆形磁场”边界问
特点：
入射点与出射点关于磁场圆圆心与轨迹圆圆心连线对称，两心连线
将轨迹弧平分、弦平分，圆心角平分。
【例题】如图所示是某离子速度选择器的原理示意图，在一半径为R
的绝缘圆柱形筒内有磁感应强度为B的匀强磁场，方向平行于轴线向
夕卜.在圆柱形筒上某一直径两端开有小孔MN,现有一束速率不同、
比荷均为k的正、负离子，从M孔以a角入射，一些具有特定速度的
离子未与筒壁碰撞而直接从N孔射出（不考虑离子间的作用力和
11.如图所示，在圆形区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场，ab是
圆的直径。
一不计重力的带电粒子从a点射入磁场，速度大小为
v,当速度方向与ab成30°角时，粒子从b点射出，在磁场中运动时间为t;若相同的带电粒子从a点沿ab方向射入磁场，也经时间t飞出磁场，则其速度大小为（）
.3
v
A.
（2016•全国卷n,18）一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场
中，磁场方向与筒的轴平行，筒的横截面如图所示。
图中直径MN
的两端分别开有小孔，筒绕其中心轴以角速度3顺时针转动。
在该
截面内，一带电粒子从小孔M射入筒内，射入时的运动方向与MN
成30。
角。
当筒转过90°时，该粒子恰好从小孔N飞出圆筒。
不
计重力。
若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞，则带电粒子的比荷为（）
33323
A.3BB.2BC.BD_B
13.
（多选）如图所示，在半径为R的圆形区域内有一磁感应强度方向垂
直于纸面向里的匀强磁场，一质量为m且带正电的粒子（重力不计）以
初速度Vo从圆形边界上的A点正对圆心射入该磁场区域，若该带电粒
子在磁场中运动的轨迹半径为则下列说法中正确的是（）
A.该带电粒子在磁场中将向右偏转
B.若增大磁场的磁感应强度，则该带电粒子在磁场中运动的轨迹半径将变大
C.该带电粒子在磁场中的偏转距离为-^R
D.该带电粒子在磁场中运动的时间为
Vo
14.如图，半径为R的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面（纸面），磁感应
…rVWj9V«
强度大小为B,方向垂直于纸面向外.一电何量为q（q>0）、质量为m/
r*B
的粒子沿平行于直径ab的方向射入磁场区域，射入点与ab的距离为I****/
2J
已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60°,则粒子的7-計-小
速率为（不计重力）（）
qBRqBR3qBR2qBR
A.■B.'C.D.
2mm2mm
15.离子推进器是太空飞行器常用的动力系统.某种推进器设计的简化原理如图（a），截面半
径为R的圆柱腔分为两个工作区，i为电离区，将氙气电离获得1价正离子；n为加速
区，长度为L,两端加有电压，形成轴向的匀强电场.1区产生的正离子以接近0的初速
度进入n区，被加速后以速度vm从右侧喷出.1区内有轴向的匀强磁场，磁感应强度大
小为B,在离轴线R2处的C点持续射出一定速度范围的电子.假设射出的电子仅在垂直
于轴线的截面上运动，截面如图（b）所示（从左向右看）.电子的初速度方向与中心O点和
C点的连线成a角（0离的最小速度为V0,电子在I区内不与器壁相碰且能到达的区域越大，电离效果越好.已
知离子质量为M电子质量为m电量为e.（电子碰到器壁即被吸收，不考虑电子间的碰
撞）.
（1）求n区的加速电压及离子的加速度大
小；
⑵为取得好的电离效果，请判断I区中的磁场方向（按图（b）说明是“垂直纸面向里”
或“垂直纸面向外”）；
（3）a为90°时，要取得好的电离效果，求射出的电子速率V的范围;
（4）要取得好的电离效果，求射出的电子最大速率Vm与a的关系.
考点4.3.3“磁聚焦”与“磁发散”
1.带电粒子的汇聚
如图所示，大量的同种带正电的粒子，速度大小相同，平行入射
到圆形磁场区域，如果轨迹圆半径与磁场圆半径相等即R=r，则
所有的带电粒子将从磁场圆的最低点B点射出.
平行四边形OAOB为菱形，可得BO为轨迹圆的半径，可知从A
点发出的带电粒子必然经过B点.
2•带电粒子的发散
xOy平面内有与y轴
如图所示，有界圆形磁场磁感应强度为B,圆心0,从P点有
大量质量为m电量为q正离子，以大小相等的速度v沿不同方向射入有界磁场，不计粒子的重力，如果正离子轨迹圆半径与有界圆形磁场半径相等，则所有的运动轨迹的圆心与有界圆圆心O入射点、出射点的连线为菱形，即出射速度方向相同.
【例题】如图所示，x轴正方向水平向右，y轴正方向竖直向上•在
平行的匀强电场，在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场.在圆的左边放置
带电微粒发射装置，它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m电荷量q（q>0）和初
速度v的带电微粒.发射时，这束带电微粒分布在0的区间内.已知重力加速度大小为g.
（1）从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域，并从坐标原点0沿y轴负方向离开，求电场强度和磁感应强度的大小和方向.
（2）请指出这束带电微粒与x轴相交的区域，并说明理由.
⑶若这束带电微粒初速度变为2v,那么它们与x轴相交的区域又在哪里？
并说明理由.
16.如图所示，在半径为R=的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B,
Bq
圆形区域右侧有一竖直感光板，圆弧顶点P有一速度为V0的带正电粒子平行于纸面进入
磁场，已知粒子的质量为m电荷量为q,粒子重力不计.
（1）若粒子对准圆心射入，求它在磁场中运动的时间;
r6x
1XX-Xxl
\xxxy
（2）若粒子对准圆心射入，且速率为：
3v。
，求它打到感光
板上时速度的垂直分量；
（3）若粒子以速度vo从P点以任意角射入，试证明它离开磁场后均垂直打在感光板上.
17.如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为0（a,0），圆内分
布有垂直纸面向里的匀强磁场。
在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿y
轴负方向的匀强电场，场强大小为E。
一质量为m电荷量为+q（q>0）的粒子以速度v
从0点垂直于磁场方向且速度方向沿x轴正方向射入第一象限，粒子恰好从0点正上方
的A点射出磁场，不计粒子重力。
（1）求磁感应强度B的大小；
（2）求粒子从0点进入磁场到最终离开磁场所通过的路程。
（3）若粒子以速度v从0点垂直于磁场方向且与x轴正
方向的夹角9=30°射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的时间t。
18.在如图的x0y坐标系中.A（-L,0）、C是x轴上的两点，P点的坐标为（0,L）.在第二象限内以D（-L,L）为圆心、L为半径的*圆形区域内，分布着方向垂直x0y平面
向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场；在第一象限三角形OPC之外的区域，分布着沿y
轴负方向的匀强电场.现有大量质量为m电荷量为+q的相同粒子，从A点平行xOy平
面以相同速率、沿不同方向射向磁场区域，其中沿AD方向射入的粒子恰好从P点进入电
场，经电场后恰好通过C点•已知a=30°,不考虑粒子间的相互作用及其重力，求:
（1）电场强度的大小；
（2）x正半轴上有粒子穿越的区间.
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19.如图所示，在xOy平面的第n象限内存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E。
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和第W象限内有一个半径为R的圆，其圆心坐标为（R0），圆内存在垂直于xOy平面
向里的匀强磁场，一带正电的粒子（重力不计）以速度vo从第n象限的P点平行于x轴
进入电场后，恰好从坐标原点O进入磁场，速度方向与x轴成60°角，最后从Q点平行
于y轴射出磁场。
P点所在处的横坐标x=-2R。
求：
20.如图所示，在直角坐标系xOy平面的第n象限内有半径为R的圆O分别与x轴、y轴相
（1）带电粒子的比荷；
i
（2）磁场的磁感应强度大小；|
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（3）粒子从P点进入电场到从Q点射出磁场的
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总时间。
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某一速率垂直于x轴从P点射入磁场，经磁场偏转恰好从Q点进入电场，最后从M点以
与x轴正向夹角为45°的方向射出电场.求：
（1）0M之间的距离;
（2）该匀强电场的电场强度E;
（3）若另有一个与A的质量和电荷量相同、速率也相同的粒子A',从P点沿与x
轴负方向成30°角的方向射入磁场，则粒子A'再次回到x轴上某点时，该点的坐标值为多
少？
21.如图所示，ABCD是边长为a的正方形.质量为m电荷量为e的电子以大小为v的初速
度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域•在正方形内适当区域中有匀强磁场•电子从BC
边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场•不计重力，求：
（1）
此匀强磁场区域中磁感应强度的方向和大小;
（2）此匀强磁场区域的最小面积.
22.如图所示，在xOy平面内，紧挨着的三个“柳叶”形有界区域①②③内（含边界上）有磁
11
感应强度为B的匀强磁场，它们的边界都是半径为a的；圆，每个；圆的端点处的切线要
44
么与x轴平行、要么与y轴平行.①区域的下端恰在点，①②区域在A点平滑连接、②③区域在C点平滑
连接•大量质量均为m电荷量均为q的带正电的粒子依次从坐标原点O以相同的速率、
各种不同的方向射入第一象限内（含沿x轴、y轴方向），它们只要在磁场中运动，轨道半
径就都为a.在yw—a的区域，存在场强为E的沿一x方向的匀强电场.整个装置在真空中，不计粒子重力、不计粒子之间的相互作用•求：
（1）粒子从0点射出时的速率Vo；
（2）这群粒子中，从O点射出至运动到x轴上的最长时间；
（3）这群粒子到达y轴上的区域范围.
23.如图所示，圆心为坐标原点O半径为R的圆将xOy平面分为两个区域，即圆内区域I和圆外区域n.区域I内有方向垂直于xOy平面的匀强磁场B.平行于x轴的荧光屏垂直于xOy平面，放置在坐标y=—2.2R的位置.一束质量为m电荷量为q、动能为E）的带正电粒子从坐标为（一R,0）的A点沿x轴正方向射入区域I,当区域n内无磁场时，粒子全部打在荧光屏上坐标为（0，—2.2R）的M点，且此时，若将荧光屏沿y轴负方向平移，粒
子打在荧光屏上的位置不变.若在区域n内加上方向垂直于xOy平面的匀强磁场R,上
述粒子仍从A点沿x轴正方向射入区域I,则粒子全部打在荧光屏上坐标为（0.4R,—2.2R）
的N点，求：
（1）打在M点和N点的粒子运动速度vi、V2的大小；
（2）在区域I和n中磁感应强度Bi、B2的大小和方向；
（3）若将区域n中的磁场撤去，换成平行于x轴的匀强电
场，仍从A点沿x轴正方向射入区域I的粒子恰好也打在荧光屏上的N点，则电场的场强为多大？
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