2024年高考物理一轮复习（新人教版） 第11章 专题强化18　动态圆.docx

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1、专题强化十八动态圆目标要求1.进一步掌握带电粒子在有界磁场中运动的临界、极值问题.2.会用“平移圆”“旋转圆”“放缩圆”找出对应临界状态或极值的轨迹.3.理解“磁聚焦”和“磁发散”模型题型一“平移圆”模型适用条件粒子源发射速度大小、方向一定，入射点不同但在同一直线上的同种带电粒子进入匀强磁场时，它们做匀速圆周运动的半径相同，若入射速度大小为v0，则半径R，如图所示轨迹圆圆心共线带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在同一直线上，该直线与入射点的连线平行界定方法将半径为R的圆进行平移，从而探索粒子的临界条件，这种方法叫“平移圆”法例1如图所示，在xOy平面的第、象限内有一圆心为O、半径为R的半圆形

2、匀强磁场，线状粒子源从y轴左侧平行于x轴正方向不断射出质量为m、电荷量为q、速度大小为v0的带正电粒子磁场的磁感应强度大小为、方向垂直平面xOy向里不考虑粒子间的相互作用，不计粒子受到的重力所有从不同位置进入磁场的粒子中，在磁场中运动的时间最长为()A. B. C. D.答案C解析粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qv0Bm，解得r2R，如图所示，当粒子在磁场中的运动轨迹对应的圆心角最大时，粒子在磁场中运动的时间最长，由于sin ，要使圆心角最大，FE最长，经分析可知，当粒子从y轴上的D点射入、从x轴上的E点射出磁场时，粒子在磁场中运动的时间最长，有sin m，解得m，从D点射入磁场的粒子在磁场中

3、运动的时间最长，且tm，解得tm，故选C.题型二“旋转圆”模型适用条件粒子源发射速度大小一定、方向不同的同种带电粒子进入匀强磁场时，它们在磁场中做匀速圆周运动的半径相同，若入射初速度大小为v0，则圆周运动轨迹半径为R，如图所示轨迹圆圆心共圆如图，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点P为圆心、半径R的圆上界定方法将一半径为R的圆以入射点为圆心进行旋转，从而探索出临界条件，这种方法称为“旋转圆”法例2(2023浙江温州市英才学校模拟)如图所示，竖直平面内有一xOy平面直角坐标系，第一、四象限中存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小记为B(B未知)坐标原点O处有一放射源，放射源可以源

4、源不断向一、四象限180范围内均匀地辐射出质量为m、电荷量为q的正离子在y轴上固定一能吸收离子的收集板MN，M点坐标为(0，a)，N点坐标为(0,2a)，当辐射的离子速率为v0时离子打在收集板上的位置最远到N点，最近到M点不计离子的重力及离子间的相互作用的影响，求：(1)恰好打到M点的离子在磁场中运动的时间；(2)能打到收集板上的离子数占辐射总数的比例答案(1)或(2)解析(1)由题意可知，沿x轴正方向出射的离子，经半圆到达N点，由此可得ra，可知通过M点的离子有两个出射方向，如图甲，一个轨迹转过的圆心角为60，即t1T，另一个轨迹转过的圆心角为300，即t2T，离子做匀速圆周运动，周期T，即

5、T，解得t1，t2(2)如图乙所示，由动态圆分析结果可知，能打到收集板上的离子分布在速度方向与x轴正方向成60角的范围内，因为放射源均匀打出离子，因此打到收集板上的离子数占辐射总数的比例为.题型三“放缩圆”模型适用条件粒子源发射速度方向一定，大小不同的同种带电粒子进入匀强磁场时，这些带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径随速度的变化而变化轨迹圆圆心共线如图所示(图中只画出粒子带正电的情景)，速度v越大，运动半径也越大可以发现这些带电粒子射入磁场后，它们运动轨迹的圆心在垂直初速度方向的直线PP上界定方法以入射点P为定点，圆心位于PP直线上，将半径放缩作轨迹圆，从而探索出临界条件，这种方法称为“

6、放缩圆”法例3(2020全国卷18)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圆围成的区域内，磁场的磁感应强度最小为()A. B. C. D.答案C解析磁感应强度取最小值时对应的临界状态如图所示，设电子在磁场中做圆周运动的半径为r，由几何关系得a2r2(3ar)2，根据牛顿第二定律和圆周运动知识得evBm，联立解得B，故选C.例4(多选)如图所示，正方形abcd区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，O点是cd边的中点若一个带

7、正电的粒子(重力忽略不计)从O点沿纸面以垂直于cd边的某一速度射入正方形内，经过时间t0刚好从c点射出磁场现设法使该带电粒子从O点沿纸面以与Od成30角的方向，以各种不同的速率射入正方形内，那么下列说法正确的是()A该带电粒子不可能刚好从正方形的某个顶点射出磁场B若该带电粒子从ab边射出磁场，它在磁场中经历的时间可能是t0C若该带电粒子从bc边射出磁场，它在磁场中经历的时间可能是t0D若该带电粒子从cd边射出磁场，它在磁场中经历的时间一定是t0答案AD解析带电粒子以垂直于cd边的某一速度射入正方形内，经过时间t0刚好从c点射出磁场，则知带电粒子的运动周期T2t0.该粒子从O点以与Od成30角的

8、方向射入磁场，随着粒子速度逐渐增大，轨迹由依次渐变，由图可知粒子在四个边射出时，射出范围分别为OG、FE、DC、BA之间，不可能从四个顶点射出，故A正确由上述分析知粒子运动周期为2t0，由图分析可知，从ab边射出的粒子所用时间不可能为t0，从bc边射出的粒子所用时间不超过T，所有从cd边射出的粒子圆心角都是300，所用时间为，故B、C错误，D正确题型四“磁聚焦”与“磁发散”模型1带电粒子的会聚如图甲所示，大量同种带正电的粒子，速度大小相等，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(Rr)，则所有的带电粒子将从磁场圆的最低点B点射出(会聚)证明：四边形OAOB为菱形，必是平行四边形

9、，对边平行，OB必平行于AO(即竖直方向)，可知从A点发出的带电粒子必然经过B点2带电粒子的发散如图乙所示，有界圆形磁场的磁感应强度为B，圆心为O，从P点有大量质量为m、电荷量为q的正粒子，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，如果正粒子轨迹圆半径与有界圆形磁场半径相等，则所有粒子射出磁场的方向平行(发散)证明：所有粒子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，也是平行四边形，O1A、O2B、O3C均平行于PO，即出射速度方向相同(即水平方向)例5(2021湖南卷13)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

10、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)，虚线框和均为边长等于r

11、3的正方形，虚线框和均为边长等于r4的正方形在、和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轴正方向射入和后汇聚到坐标原点O，再经过和后宽度变为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和中磁场磁感应强度的大小，以及和中匀强磁场区域的面积(无需写出面积最小的证明过程)答案(1)(2)垂直于纸面向里r22(3)(1)r32(1)r42解析(1)粒子垂直y轴进入圆形磁场，在坐标原点O汇聚，满足磁聚焦的条件，即粒子在磁场中运动的半径等于圆形磁场的半径r1，粒子在磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，qvB1m解得B1(2)粒子从O点进入下方虚线区域，若要从聚焦的O

12、点飞入然后沿x轴正方向飞出，为磁发散的过程，即粒子在下方圆形磁场运动的轨迹半径等于磁场半径，粒子轨迹最大的边界如图甲中所示，图中圆形磁场即为最小的匀强磁场区域磁场半径为r2，根据qvB2m，可知磁感应强度为B2根据左手定则可知磁场的方向为垂直纸面向里，圆形磁场的面积为S2r22(3)画出磁场区域面积最小时的情形，如图乙所示在、区域的磁场中，由几何关系可知带电粒子运动的轨迹半径R3r3，由洛伦兹力提供向心力有qvB3，解得B3，中磁场区域的面积S12r32.在、区域的磁场中，由几何关系可知带电粒子运动的轨迹半径R4r4，由洛伦兹力提供向心力有qvB4，解得B4，中磁场区域的面积S42r42.课时

13、精练1.(多选)如图所示，在、两个区域内存在磁感应强度大小均为B的匀强磁场，磁场方向分别垂直于纸面向外和向里，AD、AC边界的夹角DAC30，边界AC与边界MN平行，区域宽度为d.质量为m、电荷量为q的粒子可在边界AD上的不同点射入，入射速度垂直AD且垂直磁场，若入射速度大小为，不计粒子重力，则()A粒子在磁场中运动的半径为B粒子在距A点0.5d处射入，不会进入区域C粒子在距A点1.5d处射入，在区域内运动的时间为D能够进入区域的粒子，在区域内运动的最短时间为答案CD解析带电粒子在磁场中的运动半径rd，选项A错误；设从某处E进入磁场的粒子，其轨迹恰好与AC相切(如图所示)，则E点与A点的距离为

14、AOEO2ddd，粒子在距A点0.5d处射入，会进入区域，选项B错误；粒子在距A点1.5d处射入，不会进入区域，在区域内的轨迹为半圆，运动的时间为t，选项C正确；进入区域的粒子，弦长最短时的运动时间最短，且最短弦长为d，与半径相同，故对应圆心角为60，最短时间为tmin，选项D正确2.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，在纸面内沿不同的方向射入磁场，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v2v1

15、 为()A.2 B.1C.1 D3答案C解析根据作图分析可知，当粒子在磁场中运动半个圆周时，打到圆形磁场边界的位置距P点最远，则粒子射入的速率为v1，轨迹如图甲所示，设圆形磁场半径为R，由几何知识可知，粒子运动的轨迹半径为r1Rcos 60R；若粒子射入的速率为v2，轨迹如图乙所示，由几何知识可知，粒子运动的轨迹半径为r2Rcos 30R；根据轨迹半径公式r可知，v2v1r2r11，故选项C正确甲乙3.(多选)如图所示，纸面内有宽为L、水平向右飞行的带电粒子流，粒子质量为m、电荷量为q(q0)、速率为v0，不考虑粒子的重力及粒子间的相互作用，要使粒子都会聚到一点，可以在粒子流的右侧虚线框内设计

16、一匀强磁场区域，则磁场区域的形状及对应的磁感应强度可以是下列选项中的(其中B0，A、C、D选项中曲线均为半径为L的圆弧，B选项中曲线为半径为的圆)()答案AB4.如图所示，在x轴的上方(y0)存在着垂直于纸面向里的匀强磁场(未画出)，磁感应强度大小为B.在原点O有一个离子源向x轴上方的各个方向发射出质量为m、带电荷量为q的正离子，速率都为v.对那些在xOy平面内运动的离子，在磁场中可能到达的位置中离x轴及y轴最远距离分别为()A. B.C. D.答案A解析若让沿x轴正方向射出的离子的轨迹圆绕O点缓慢转动(如图所示)，不难得出离y轴最远为|x|2r，离x轴最远为y2r，所以A项正确5.(多选)如

17、图所示，平行线MN、PQ间有垂直纸面向外的匀强磁场，磁场的磁感应强度大小为B，MN、PQ间的距离为L.在MN上的a点有一粒子源，可以沿垂直于磁场的各个方向射入质量为m、电荷量为q的带负电的粒子，且这些粒子的速度大小相等这些粒子经磁场偏转后，穿过PQ边界线的最低点为b点已知c是PQ上的一点，ac垂直于PQ，c、b间的距离为L，则下列说法正确的是()A粒子在磁场中做圆周运动的半径为LB粒子在磁场中运动的速度大小为C粒子从PQ边射出的区域长为LD沿斜向下与MN夹角为30方向射入的粒子恰好从c点射出磁场答案BC解析作出一些粒子的运动轨迹如图所示，根据几何关系有R2(LR)2()2，求得RL，A项错误；

18、由qvBm得粒子做圆周运动的速度大小v，B项正确；设粒子从PQ射出区域的上端d点到c点的距离为s，根据几何关系有R2(LR)2s2，求得s，因此bdL，C项正确；从c点射出磁场的粒子，在a点时速度与MN的夹角满足2Rcos L，可得cos 0.8，则30，D项错误6(2020全国卷18)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(q0)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.

19、D.答案C解析粒子在磁场中运动的时间与速度大小无关，由在磁场中的运动轨迹对应的圆心角决定设轨迹交半圆于e点，ce中垂线交bc于O点，则O点为轨迹圆的圆心，如图所示圆心角2，当最大时，有最大值，由几何知识分析可知，当ce与相切时，最大，此时30，可得，则tT，故选C.7.如图所示，真空中垂直于纸面向里的匀强磁场只在两个同心圆所夹的环状区域存在(含边界)，两圆的半径分别为R、3R，圆心为O.一重力不计的带正电粒子从大圆边缘的P点沿PO方向以速度v1射入磁场，其运动轨迹如图，轨迹所对的圆心角为120.当将该带电粒子从P点射入的速度大小变为v2时，不论其入射方向如何，都不可能进入小圆内部区域，则v1v

20、2至少为()A. B. C. D2答案B解析粒子在磁场中做匀速圆周运动，由几何知识得r1R，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得qv1Bm，解得v1，粒子竖直向上射入磁场，恰好不能进入小圆区域时粒子的轨迹半径r2R，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得qv2Bm，解得v2，则v1v2，B项正确8(2023广东佛山市模拟)如图所示，宽为d的混合粒子束由速率为3v、4v、5v的三种带正电的离子组成所有离子的电荷量均为q、质量均为m，当三种速率的离子水平向右进入匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外在入口处，紧靠粒子束的下边缘竖直放置一个长度为2d的薄吞噬板MN.忽略离子重力及离子间相互作用，若使这些离子都

21、能打到吞噬板MN上，则磁感应强度大小的取值范围是()A.B B.BC.B D.B答案C解析由分析可知，粒子束上边缘进入速率为v13v的离子到达吞噬板上边缘时，半径最小，磁感应强度最大，根据qv1B1m，由几何关系得R1，可得B1；粒子束下边缘进入速率为v25v的离子到达吞噬板下边缘时，半径最大，磁感应强度最小，此时qv2B2m，R2d，得B2，所以磁感应强度大小的取值范围为B，故C正确，A、B、D错误9(多选)(2023湖南省模拟)在电子技术中，科研人员经常通过在适当的区域施加磁场控制带电粒子的运动如图所示，圆心为O、半径为R的圆形区域内存在垂直纸面的匀强磁场(图中未画出)，PQ、EF是两条相

22、互垂直的直径，圆形区域左侧有一平行EF、关于PQ对称放置的线状粒子源，可以沿平行于PQ的方向发射质量为m、电荷量为q、速率均为v0的带正电的粒子，粒子源的长度为R，从粒子源上边缘发射的粒子经磁场偏转后从F点射出磁场不计粒子重力及粒子间的相互作用下列说法正确的是()A匀强磁场的方向垂直纸面向里B粒子源发射的粒子均从F点射出磁场C匀强磁场的磁感应强度大小为D粒子在磁场中运动的最短时间为答案BD解析带正电的粒子向下偏转，根据左手定则可知匀强磁场的方向垂直纸面向外，故A错误；如图甲所示，设粒子的运动半径为r，根据几何关系可得CF，2()2r2，解得rR，根据洛伦兹力提供向心力，有qv0Bm，解得B，故

23、C错误；所有粒子在磁场中运动半径都相等，运动的圆弧越短，在磁场中运动的时间越短，如图乙所示，由几何关系可得sinHO2F，解得HO2F30，粒子在磁场中运动的周期T，则粒子在磁场中运动的最短时间tminT，故D正确；任意一点射入磁场，粒子的运动半径等于R，如图丙所示，由几何关系可知四边形OIJF恒为一个菱形，OFIJ，所以所有的粒子都从F点射出，故B正确10.如图所示，正方形区域abcd内(含边界)有垂直纸面向里的匀强磁场，abl，Oa0.4l，大量带正电的粒子从O点沿与ab边成37角的方向以不同的初速度v0射入磁场，不计粒子重力和粒子间的相互作用，已知带电粒子的质量为m、电荷量为q，磁场的磁

24、感应强度大小为B，sin 370.6，cos 370.8.(1)求带电粒子在磁场中运动的最长时间；(2)若带电粒子从ad边离开磁场，求v0的取值范围答案(1)(2)v0解析(1)粒子从ab边离开磁场时，在磁场中运动的时间最长，如图甲所示，有qBv0，又T，解得T；又由几何关系得74，则粒子在磁场中运动的最长时间tT(2)当粒子轨迹与ad边相切时，如图乙所示，设此时初速度为v01，轨道半径为R1，由几何关系可得R1R1sin 370.4l又qBv01，解得v01当粒子运动轨迹与cd边相切时，如图丙所示，设此时初速度为v02，轨道半径为R2，由几何关系可得R2R2cos 37l，又qBv02，解得

25、v02综上可得v0.11.(2023湖北省襄阳五中模拟)如图所示，在竖直边界MN左侧有磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，竖直边界O处有一小孔，大量带正电的相同粒子从各种不同方向沿纸面以相同速率从小孔射入磁场紧贴小孔的下方有一可绕O转动的足够长挡板OA(忽略小孔的大小，认为小孔与转动轴在同一位置)，射入磁场的带电粒子能全部打在挡板上不计粒子重力及其相互作用，当挡板和边界MN的夹角由0增大到180的过程中，从小孔射入的带电粒子击中挡板区域的长度将()A不断增大B先增大，后减小，其长度变化情况先后对称C先增大，后减小，其长度变化情况先后不对称D先增大，后不变答案D解析由题意知带正电的粒子进入磁场后，由左手定则得轨迹如图，则当挡板和边界MN的夹角由0增大到180的过程中，在位置1时，粒子打在板上长度比直径小，从位置2开始粒子打在板上区域的长度等于直径，此后维持不变，直到增大到180，故选D.