- 二一组卷

题型：解答题题类：难易度：困难

2025届浙江省杭州市高三上学期一模物理试题

质谱仪可以用来测量离子的比荷，为了消除离子初速度的影响，某研究小组设计了如图所示的质谱仪。平行金属板板长为l，中心Z与准直孔 $\text{[math]}$ 、 $\text{[math]}$ 共线， $\text{[math]}$ 、 $\text{[math]}$ 连线与平行板轴线ZO夹角为 $\text{[math]}$ 。一束正离子经过准直孔射入偏转电场，调节偏转电场大小，使得入射速度最大的离子恰从O点沿ZO方向以速度 $\text{[math]}$ 射出电场，之后保持电场不变。电场右侧存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场。电场和磁场被与ZO方向垂直的挡板D隔离，挡板D上开有一小圆孔，圆心在O点，半径为b、通过小孔的离子进入磁场后经偏转打在荧光屏上，其余被挡板吸收并中和，已知入射速度最大的离子打在荧光屏上距O点的距离为 $\text{[math]}$ 。已知 $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ ，忽略场的边界效应、离子的重力和离子间的相互作用。

（1）、求该离子的比荷 $\text{[math]}$ ；

（2）、求离子在电场中运动时加速度a的大小；

（3）、若距O点距离为y处进入磁场的离子速度与 $\text{[math]}$ 方向夹角为 $\text{[math]}$ ，求 $\text{[math]}$ 与y的关系；

（4）、若 $\text{[math]}$ ，求荧光屏上被离子击中的区域长度s。[提示：当 $\text{[math]}$ 时， $\text{[math]}$ ]

举一反三

如图所示，半径为 $\text{[math]}$ 的圆形区域的圆心位于直角坐标系的坐标原点 $\text{[math]}$ ，该圆形区域内有垂直于坐标平面的匀强磁场（未画出）在 $\text{[math]}$ 区域存在沿 $\text{[math]}$ 轴负方向的匀强电场，场强大小为 $\text{[math]}$ ，磁场区域外右侧有宽度为 $\text{[math]}$ 的粒子源， $\text{[math]}$ 为粒子源两端点， $\text{[math]}$ 连线垂直于 $\text{[math]}$ 轴，粒子源中点 $\text{[math]}$ 位于 $\text{[math]}$ 轴上，且均匀持续向 $\text{[math]}$ 轴负方向发射质量为 $\text{[math]}$ ，电荷量为 $\text{[math]}$ ，速率为 $\text{[math]}$ 的粒子，已知从粒子源中点 $\text{[math]}$ 发生的粒子，经过磁场后，恰能从圆与 $\text{[math]}$ 轴负半轴的交点 $\text{[math]}$ 处沿 $\text{[math]}$ 轴负方向射出磁场。不计粒子重力及粒子间的相互作用，求：

（1）匀强磁场的磁感应强度及方向；

（2）从进入磁场开始计时，至第3次经过 $\text{[math]}$ 轴，粒子经历的最长时间；

（3）粒子离开 $\text{[math]}$ 点进入电场后，再次经过 $\text{[math]}$ 轴时离 $\text{[math]}$ 点的最大距离。

如图所示，矩形区域 $\text{[math]}$ 内有竖直向上的匀强电场；半径为 $\text{[math]}$ 的圆形区域内有垂直纸面向外的匀强磁场，磁场的磁感应强度大小为 $\text{[math]}$ ，矩形与圆相切于 $\text{[math]}$ 的中点 $\text{[math]}$ ，以 $\text{[math]}$ 所在直线为 $\text{[math]}$ 轴、 $\text{[math]}$ 轴与圆的切点为原点建立平面直角坐标系 $\text{[math]}$ ，现有一个质量为 $\text{[math]}$ 、电荷量为 $\text{[math]}$ 的正离子，从 $\text{[math]}$ 点沿 $\text{[math]}$ 轴正方向射入磁场，而后经过 $\text{[math]}$ 点进入电场，最后恰好从 $\text{[math]}$ 点离开电场。已知 $\text{[math]}$ 长度为 $\text{[math]}$ ，不计离子重力，求：

（1）正离子射入时的初速度 $\text{[math]}$ ；

（2）电场的场强大小 $\text{[math]}$ ；

（3）离子从 $\text{[math]}$ 点到 $\text{[math]}$ 点的时间。

现代科学研究中，经常用磁场和电场约束带电粒子的运动轨迹，如图所示，有一棱长为L的正方体电磁区域 $\text{[math]}$ ，其中M、N分别为棱ab、棱gh的中点，以棱ef中点O为坐标原点、以ON为x轴正方向、OM为y轴正方向、Oe为z轴正方向建立三维坐标系 $\text{[math]}$ ，正方体区域内可能单独或同时存在沿z轴负方向的匀强电场E及匀强磁场B，在O点有一粒子源，沿x轴正方向发射不同速率的带电粒子，粒子质量均为m，电荷量均为 $\text{[math]}$ ，且粒子入射速度在 $\text{[math]}$ 范围内均匀分布，已知磁感应强度大小为 $\text{[math]}$ ，电场强度大小为 $\text{[math]}$ ，不计粒子的重力和粒子间的相互作用，取 $\text{[math]}$ 。

如图所示，在 $\text{[math]}$ 轴下方空间内存在竖直方向的匀强电场，在第Ⅳ象限内同时还存在垂直坐标平面向里，磁感应强度大小为 $\text{[math]}$ 的匀强磁场。将一群带负电的微粒从第Ⅱ象限内的不同位置以初速度 $\text{[math]}$ 沿 $\text{[math]}$ 轴正方向抛出，发现这些带电微粒均能经过坐标原点 $\text{[math]}$ 。带电微粒通过 $\text{[math]}$ 点后进入第Ⅳ象限内做匀速圆周运动，经过磁场偏转后都能再次到达 $\text{[math]}$ 轴。已知带电微粒电量为 $\text{[math]}$ ，质量为 $\text{[math]}$ ，重力加速度为 $\text{[math]}$ 。求：

类似光学中的反射和折射现象，用磁场或电场调控也能实现质子束的“反射”和“折射”。如图所示，在竖直平面内有三个平行区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ；Ⅰ区宽度为d，存在磁感应强度大小为B、方向垂直平面向外的匀强磁场，Ⅱ区的宽度很小。Ⅰ区和Ⅲ区电势处处相等，分别为 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ，其电势差 $\text{[math]}$ 。一束质量为m、电荷量为e的质子从O点以入射角 $\text{[math]}$ 射向Ⅰ区，在P点以出射角 $\text{[math]}$ 射出，实现“反射”；质子束从P点以入射角 $\text{[math]}$ 射入Ⅱ区，经Ⅱ区“折射”进入Ⅲ区，其出射方向与法线夹角为“折射”角。已知质子仅在平面内运动，单位时间发射的质子数为N，初速度为 $\text{[math]}$ ，不计质子重力，不考虑质子间相互作用以及质子对磁场和电势分布的影响。

（1）若不同角度射向磁场的质子都能实现“反射”，求d的最小值；

（2）若 $\text{[math]}$ ，求“折射率”n（入射角正弦与折射角正弦的比值）

（3）计算说明如何调控电场，实现质子束从P点进入Ⅱ区发生“全反射”（即质子束全部返回Ⅰ区）

（4）在P点下方距离 $\text{[math]}$ 处水平放置一长为 $\text{[math]}$ 的探测板 $\text{[math]}$ （Q在P的正下方）， $\text{[math]}$ 长为 $\text{[math]}$ ，质子打在探测板上即被吸收中和。若还有另一相同质子束，与原质子束关于法线左右对称，同时从O点射入Ⅰ区，且 $\text{[math]}$ ，求探测板受到竖直方向力F的大小与U之间的关系。

一种离子分析器的结构原理如图，两虚线间的环形区域内存在顺时针的匀强磁场和垂直纸面向外的匀强电场，电场强度、磁感应强度大小分别为E和B，外虚线环的半径为R。环形区域外侧，第一象限其他区域存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度 $\text{[math]}$ 大小可调。原点处有一个离子源，发射电荷量为q、质量为m的正离子，速度方向与x轴正方向成60°夹角。x轴正半轴装有足够大的薄荧光屏，用于接收打到x轴上的离子。当调节 $\text{[math]}$ （ $\text{[math]}$ 未知）时，离子沿直线通过环形区域后沿着Oxy平面运动，并垂直打在荧光屏上。（离子重力不计）

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