一质量为 m、电荷量为 q(q>0) 的带电粒子始终在同一…——2024 高考物理第 13 题答案解析

2024_新课标卷 (2024·物理)

2024 全国 第 13 题 解答题 区分题
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13.一质量为 $m$ 、电荷量为 $q(q>0)$ 的带电粒子始终在同一水平面内运动,其速度可用图示的直角坐标系内,一个点 $P\left(v_{x}, v_{y}\right)$ 表示,$v_{x} , v_{y}$ 分别为粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量。粒子出发时 $P$ 位于图中 $a\left(0, v_{0}\right)$ 点,粒子在水平方向的匀强电场作用下运动,$P$ 点沿线段 $a b$ 移动到 $b\left(v_{0}, v_{0}\right)$ 点;随后粒子离开电场,进入方向坚直、磁感应强度大小为 $B$ 的匀强磁场,$P$ 点沿以 $O$ 为圆心的圆弧移动至 $c\left(-v_{0}, v_{0}\right)$点;然后粒子离开磁场返回电场,$P$ 点沿线段 $c a$ 回到 $a$ 点。已知任何相等的时间内 $P$ 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等。不计重力。求

(1) 粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期;
(2) 电场强度的大小;
(3) $P$ 点沿图中闭合曲线移动 1 周回到 $a$ 点时,粒子位移的大小。

参考答案(1) $\frac{\sqrt{2} m v_{0}}{B q}, \frac{2 \pi m}{B q}$; (2) $E=\sqrt{2} B v_{0}$; (3) $\frac{(2-\sqrt{2}) m v_{0}}{B q}$

完整解析 · 逐步详解

【答案】①$\frac{\sqrt{2} m v_{0}}{B q}, \frac{2 \pi m}{B q}$ ;②$E=\sqrt{2} B v_{0}$ ;③$\frac{(2-\sqrt{2}) m v_{0}}{B q}$

【解析】
【详解】(1)粒子在磁场中做圆周运动时的速度为

$$ v=\sqrt{v_{0}^{2}+v_{0}^{2}}=\sqrt{2} v_{0} $$

根据洛伦兹力提供向心力

$$ B q v=m \frac{v^{2}}{r}=m \frac{2 \pi}{T} v $$

解得做圆周运动的半径为

$$ r=\frac{\sqrt{2} m v_{0}}{B q} $$

周期为

$$ T=\frac{2 \pi m}{B q} $$

(2)根据题意,已知任何相等的时间内 $P$ 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等,由于曲线表示的为速度相应的曲线,根据 $a=\frac{\Delta v}{\Delta t}$ 可知任意点的加速度大小相等,故可得

$$ \frac{B q \cdot \sqrt{2} v_{0}}{m}=\frac{E q}{m} $$

解得

$$ E=\sqrt{2} B v_{0} $$

(3)根据题意分析可知从 $b$ 点到 $c$ 点粒子在磁场中转过的角度为 $270^{\circ}$ ,绕一圈的过程中两次在电场中运动,根据对称性可知粒子的运动轨迹如图,$\alpha$ 角为两次粒子在电场中运动时初末位置间的位移与 $x$ 轴方向的夹角,从 $a$ 到 $b$ 过程中粒子做类平抛运动,得

$$ \frac{E q}{m} t=v_{0} $$

故可得该段时间内沿 $y$ 方向位移为

$$ L=v_{0} t $$

根据几何知识可得

$$ b c=\sqrt{2} r $$

由粒子在两次电场中运动的对称性可知移动一周时粒子位移的大小为

$$ x_{a a^{\prime}}=x_{b c}-2 L $$

联立解得

$$ x_{a a^{\prime}}=\frac{(2-\sqrt{2}) m v_{0}}{B q} $$

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