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专题10 磁场
1、（2022·湖南卷·T3）如图（a），直导线MN 被两等长且平行的绝缘轻绳悬挂于水平轴OO′上，其所
在区域存在方向垂直指向OO′的磁场，与OO′距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化，其截
面图如图（b）所示。导线通以电流I，静止后，悬线偏离竖直方向的夹角为θ。下列说法正确的是（ ）
A. 当导线静止在图（a）右侧位置时，导线中电流方向由N 指向M
B. 电流I 增大，静止后，导线对悬线的拉力不变
C. tanθ 与电流I 成正比
D. sinθ 与电流I 成正比
【答案】D
【解析】
A．当导线静止在图（a）右侧位置时，对导线做受力分析有
可知要让安培力为图示方向，则导线中电流方向应由M 指向N，A 错误；
BCD．由于与OO′距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化，有
，FT= mgcosθ
则可看出sinθ 与电流I 成正比，当I 增大时θ 增大，则cosθ 减小，静止后，导线对悬线的拉力FT减小，BC
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错误、D 正确。
故选D。
2、（2022·广东卷·T8）如图所示，磁控管内局部区域分布有水平向右的匀强电场和垂直纸面向里的匀
强磁场。电子从M 点由静止释放，沿图中所示轨迹依次经过N、P 两点。已知M、P 在同一等势面上，下
列说法正确的有（ ）
A. 电子从N 到P，电场力做正功
B. N 点的电势高于P 点的电势
C. 电子从M 到N，洛伦兹力不做功
D. 电子在M 点所受的合力大于在P 点所受的合力
【答案】BC
【解析】
A．由题可知电子所受电场力水平向左，电子从N 到P 的过程中电场力做负功，故A 错误；
B．根据沿着电场线方向电势逐渐降低可知N 点的电势高于P 点，故B 正确；
C．由于洛伦兹力一直都和速度方向垂直，故电子从M 到N 洛伦兹力都不做功；故C 正确；
D．由于M 点和P 点在同一等势面上，故从M 到P 电场力做功为0，而洛伦兹力不做功，M 点速度为0，
根据动能定理可知电子在P 点速度也为0，则电子在M 点和P 点都只受电场力作用，在匀强电场中电子在
这两点电场力相等，即合力相等，故D 错误；
故选BC。
3、（2022·广东卷·T7）如图所示，一个立方体空间被对角平面
划分成两个区域，两区域分布有
磁感应强度大小相等、方向相反且与z 轴平行的匀强磁场。一质子以某一速度从立方体左侧垂直
平面
进入磁场，并穿过两个磁场区域。下列关于质子运动轨迹在不同坐标平面的投影中，可能正确的是
（ ）
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A.
B.
C.
D.
【答案】A
【解析】
AB．由题意知当质子射出后先在MN 左侧运动，刚射出时根据左手定则可知在MN 受到y 轴正方向
洛伦
兹力，即在MN 左侧会向y 轴正方向偏移，做匀速圆周运动，y 轴坐标增大；在MN 右侧根据左手定则可
知洛伦兹力反向，质子在y 轴正方向上做减速运动，故A 正确，B 错误；
CD．根据左手定则可知质子在整个运动过程中都只受到平行于xOy 平面的洛伦兹力作用，在z 轴方向上没
有运动，z 轴坐标不变，故CD 错误。
故选A。
4、（2022·全国甲卷·T18）空间存在着匀强磁场和匀强电场，磁场的方向垂直于纸面（
平面）向里，
电场的方向沿y 轴正方向。一带正电的粒子在电场和磁场的作用下，从坐标原点O 由静止开始运动。下列
四幅图中，可能正确描述该粒子运动轨迹的是（ ）
A.
B.
C.
D.
【答案】B
【解析】
AC．在xOy 平面内电场的方向沿y 轴正方向，故在坐标原点O 静止的带正电粒子在电场力作用下会向y 轴
正方向运动。磁场方向垂直于纸面向里，根据左手定则，可判断出向y 轴正方向运动的粒子同时受到沿x
轴负方向的洛伦兹力，故带电粒子向x 轴负方向偏转。AC 错误；
BD．运动的过程中在电场力对带电粒子做功，粒子速度大小发生变化，粒子所受的洛伦兹力方向始终与速
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度方向垂直。由于匀强电场方向是沿y 轴正方向，故x 轴为匀强电场的等势面，从开始到带电粒子偏转再
次运动到x 轴时，电场力做功为0，洛伦兹力不做功，故带电粒子再次回到x 轴时的速度为0，随后受电场
力作用再次进入第二象限重复向左偏转，故B 正确，D 错误。
故选B。
5、（2022·全国乙卷·T18）安装适当的软件后，利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如
图，在手机上建立直角坐标系，手机显示屏所在平面为xOy 面。某同学在某地对地磁场进行了四次测量，
每次测量时y 轴指向不同方向而z 轴正向保持竖直向上。根据表中测量结果可推知（ ）
测量序号
Bx/μT
By/μT
Bz/μT
1
0
21
- 45
2
0
- 20
- 46
3
21
0
- 45
4
- 21
0
- 45
A. 测量地点位于南半球
B. 当地的地磁场大小约为50μT
C 第2 次测量时y 轴正向指向南方
D. 第3 次测量时y 轴正向指向东方
【答案】BC
【解析】
A．如图所示
地球可视为一个磁偶极，磁南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近。通过这两个磁极
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的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3 度的倾斜。由表中z 轴数据可看出z 轴的磁场竖直向下，
则测量地点应位于北半球，A 错误；
B．磁感应强度为矢量，故由表格可看出此处的磁感应强度大致为
计算得
B ≈ 50μT
B 正确；
CD．由选项A 可知测量地在北半球，而北半球地磁场指向北方斜向下，则第2 次测量，测量
，故y
轴指向南方，第3 次测量
，故x 轴指向北方而y 轴则指向西方，C 正确、D 错误。
故选BC。
6、（2022·浙江6 月卷·T15）如图为某一径向电场示意图，电场强度大小可表示为
， a 为常量。
比荷相同的两粒子在半径r 不同的圆轨道运动。不考虑粒子间的相互作用及重力，则（ ）
A. 轨道半径r 小的粒子角速度一定小
B. 电荷量大的粒子的动能一定大
C. 粒子的速度大小与轨道半径r 一定无关
D. 当加垂直纸面磁场时，粒子一定做离心运动
【答案】BC
【解析】
A．根据电场力提供向心力可得
解得
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可知轨道半径r 小的粒子角速度大，故A 错误；
BC．根据电场力提供向心力可得
解得
又
联立可得
可知电荷量大的粒子的动能一定大，粒子的速度大小与轨道半径r 一定无关，故BC 正确；
D．磁场的方向可能垂直纸面向内也可能垂直纸面向外，所以粒子所受洛伦兹力方向不能确定，粒子可能
做离心运动，也可能做近心运动，故D 错误。
故选BC。
7、（2022·浙江1 月卷·T7）如图所示，水平放置的电子秤上有一磁性玩具，玩具由哑铃状物件P 和左端
有玻璃挡板的凹形底座Q 构成，其重量分别为
和
。用手使P 的左端与玻璃挡板靠近时，感受到P 对
手有靠向玻璃挡板的力，P 与挡板接触后放开手，P 处于“磁悬浮”状态（即P 和Q 的其余部分均不接
触），P 与Q 间的磁力大小为F。下列说法正确的是（ ）
A. Q 对P
磁力大小等于
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B. P 对Q 的磁力方向竖直向下
C. Q 对电子秤的压力大小等于
＋F
D. 电子秤对Q 的支持力大小等于
＋
【答案】D
【解析】
AB．由题意可知，因手使P 的左端与玻璃挡板靠近时，感受到P 对手有靠向玻璃挡板的力，即Q 对P 有
水平向左的磁力；P 与挡板接触后放开手，P 处于“磁悬浮”状态，则说明Q 对P 有竖直向上的磁力，则Q
对P 的磁力方向斜向左上方向，其磁力F 大小大于
，选项AB 错误；
CD．对PQ 的整体受力分析，竖直方向电子秤对Q 的支持力大小等于
＋
，即Q 对电子秤的压力大
小等于
＋
，选项C 错误，D 正确。
故选D。
8、（2022·浙江1 月卷·T3）利用如图所示装置探究匀强磁场中影响通电导线受力的因素，导线垂直匀强
磁场方向放置。先保持导线通电部分的长度L 不变，改变电流I 的大小，然后保持电流I 不变，改变导线通
电部分的长度L，得到导线受到的力F 分别与I 和L 的关系图像，则正确的是（ ）
A.
B.
C.
D.
【答案】B
【解析】
根据
F=BIL
可知先保持导线通电部分的长度L 不变，改变电流I 的大小，则F-I 图像是过原点的直线，图像B 正确，图
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像A 错误；若保持电流I 不变，改变导线通电部分的长度L，则F-L 是过原点的直线，则CD 均错误。
故选B。
9、（2022·湖北·T8）在如图所示的平面内，分界线SP 将宽度为L 的矩形区域分成两部分，一部分充满方
向垂直于纸面向外的匀强磁场，另一部分充满方向垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小均为B，
SP 与磁场左右边界垂直。离子源从S 处射入速度大小不同的正离子，离子入射方向与磁场方向垂直且与
SP 成30°角。已知离子比荷为k，不计重力。若离子从Р 点射出，设出射方向与入射方向的夹角为θ，则离
子的入射速度和对应θ 角的可能组合为（ ）
A.
kBL，0°
B.
kBL，0°
C. kBL，60°
D. 2kBL，60°
【答案】BC
【解析】
若粒子通过下部分磁场直接到达P 点，如图
根据几何关系则有
可得
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根据对称性可知出射速度与SP 成30°角向上，故出射方向与入射方向的夹角为θ=60°。
当粒子上下均经历一次时，如图
因为上下磁感应强度均为B，则根据对称性有
根据洛伦兹力提供向心力有
可得
此时出射方向与入射方向相同，即出射方向与入射方向的夹角为θ=0°。
通过以上分析可知当粒子从下部分磁场射出时，需满足
（n=1，2，3……）
此时出射方向与入射方向的夹角为θ=60°；
当粒子从上部分磁场射出时，需满足
（n=1，2，3……）
此时出射方向与入射方向的夹角为θ=0°。
故可知BC 正确，AD 错误。
故选BC。
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10、（2022·湖北·T11）如图所示，两平行导轨在同一水平面内。一导体棒垂直放在导轨上，棒与导轨间的
动摩擦因数恒定。整个装置置于匀强磁场中，磁感应强度大小恒定，方向与金属棒垂直、与水平向右方向
的夹角θ 可调。导体棒沿导轨向右运动，现给导体棒通以图示方向的恒定电流，适当调整磁场方向，可以
使导体棒沿导轨做匀加速运动或匀减速运动。已知导体棒加速时，加速度的最大值为
g；减速时，加速
度的最大值为
g，其中g 为重力加速度大小。下列说法正确的是（ ）
A. 棒与导轨间的动摩擦因数为
B. 棒与导轨间的动摩擦因数为
C. 加速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向下，θ=60°
D. 减速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向上，θ=150°
【答案】BC
【解析】
设磁场方向与水平方向夹角为θ1，θ1<90°;当导体棒加速且加速度最大时，合力向右最大，根据左手定则和
受力分析可知安培力应该斜向右上方，磁场方向斜向右下方，此时有
令
根据数学知识可得
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则有
同理磁场方向与水平方向夹角为θ2，θ2<90°，当导体棒减速，且加速度最大时，合力向左最大，根据左手
定则和受力分析可知安培力应该斜向左下方，磁场方向斜向左上方，此时有
有
所以有
当加速或减速加速度分别最大时，不等式均取等于，联立可得
带入
可得α=30°，此时
加速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向右下方，有
减速阶段加速度大小最大时，磁场方向斜向左上方，有
故BC 正确，AD 错误。
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故选BC。
11、（2022·浙江1 月卷·T22）如图为研究光电效应的装置示意图，该装置可用于分析光子的信息。在
xOy 平面（纸面）内，垂直纸面的金属薄板M、N 与y 轴平行放置，板N 中间有一小孔O。有一由x 轴、y
轴和以O 为圆心、圆心角为90°的半径不同的两条圆弧所围的区域Ⅰ，整个区域Ⅰ内存在大小可调、方向
垂直纸面向里的匀强电场和磁感应强度大小恒为B1、磁感线与圆弧平行且逆时针方向的磁场。区域Ⅰ右侧
还有一左边界与y 轴平行且相距为l、下边界与x 轴重合的匀强磁场区域Ⅱ，其宽度为a，长度足够长，其
中的磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小可调。光电子从板M 逸出后经极板间电压U 加速（板间电场
视为匀强电场），调节区域Ⅰ的电场强度和区域Ⅱ的磁感应强度，使电子恰好打在坐标为（a+2l，0）的点
上，被置于该处的探测器接收。已知电子质量为m、电荷量为e，板M 的逸出功为W0，普朗克常量为h。
忽略电子的重力及电子间的作用力。当频率为ν 的光照射板M 时有光电子逸出，
（1）求逸出光电子的最大初动能Ekm，并求光电子从O 点射入区域Ⅰ时的速度v0的大小范围；
（2）若区域Ⅰ的电场强度大小
，区域Ⅱ的磁感应强度大小
，求被探测到的电
子刚从板M 逸出时速度vM的大小及与x 轴的夹角
；
（3）为了使从O 点以各种大小和方向的速度射向区域Ⅰ的电子都能被探测到，需要调节区域Ⅰ的电场强
度E 和区域Ⅱ的磁感应强度B2，求E 的最大值和B2的最大值。
【答案】（1）
；
；（2）
；
；（3）
；
【解析】
（1）光电效应方程，逸出光电子的最大初动能
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；
（2）速度选择器
如图所示，几何关系
（3）由上述表达式可得
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由
可得
12、（2022·浙江6 月卷·T22）离子速度分析器截面图如图所示。半径为R 的空心转筒P，可绕过O 点、
垂直xOy 平面（纸面）的中心轴逆时针匀速转动（角速度大小可调），其上有一小孔S。整个转筒内部存
在方向垂直纸面向里的匀强磁场。转筒下方有一与其共轴的半圆柱面探测板Q，板Q 与y 轴交于A 点。离
子源M 能沿着x 轴射出质量为m、电荷量为 – q（q > 0）、速度大小不同的离子，其中速度大小为v0的离
子进入转筒，经磁场偏转后恰好沿y 轴负方向离开磁场。落在接地的筒壁或探测板上的离子被吸收且失去
所带电荷，不计离子的重力和离子间的相互作用。
（1）①求磁感应强度B 的大小；
②若速度大小为v0的离子能打在Q 板的A 处，求转筒P 角速度ω 的大小；
（2）较长时间后，转筒P 每转一周有N 个离子打在板Q 的C 处，OC 与x 轴负方向的夹角为θ，求转筒转
动一周的时间内，C 处受到平均冲力F 的大小；
（3）若转筒P 的角速度小于
，且A 处探测到离子，求板Q 上能探测到离子的其他θ′的值（为探测点
位置和O 点连线与x 轴负方向的夹角）。
【答案】（1）①
，②
，k = 0，1，2，3…；（2）
，
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n = 0，1，2，…；（3）
，
【解析】
（1）①离子在磁场中做圆周运动有
则
②离子在磁场中的运动时间
转筒的转动角度
，k = 0，1，2，3…
（2）设速度大小为v 的离子在磁场中圆周运动半径为
，有
离子在磁场中的运动时间
转筒的转动角度
ω′t′ = 2nπ + θ
转筒的转动角速度
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，n = 0，1，2，…
动量定理
，n = 0，1，2，…
（3）转筒的转动角速度
其中
k = 1，
，n = 0，2
可得
，
13、（2022·全国甲卷·T25）光点式检流计是一种可以测量微小电流的仪器，其简化的工作原理示意图
如图所示。图中A 为轻质绝缘弹簧，C 为位于纸面上的线圈，虚线框内有与纸面垂直的匀强磁场；随为置
于平台上的轻质小平面反射镜，轻质刚性细杆D 的一端与M 固连且与镜面垂直，另一端与弹簧下端相连，
PQ 为圆弧形的、带有均匀刻度的透明读数条，PQ 的圆心位于M 的中心使用前需调零，使线圈内没有电流
通过时，M 竖直且与纸面垂直；入射细光束沿水平方向经PQ 上的O 点射到M 上后沿原路反射。线圈通入
电流后弹簧长度改变，使M 发生倾斜，入射光束在M 上的入射点仍近似处于PQ 的圆心，通过读取反射光
射到PQ 上的位置，可以测得电流的大小。已知弹簧的劲度系数为k，磁场磁感应强度大小为B，线圈C 的
匝数为N。沿水平方向的长度为l，细杆D 的长度为d，圆弧PQ 的半径为r﹐r >> d，d 远大于弹簧长度改
变量的绝对值。
（1）若在线圈中通入的微小电流为I，求平衡后弹簧长度改变量的绝对值x 及PQ 上反射光点与O 点间的
弧长s；
（2）某同学用此装置测一微小电流，测量前未调零，将电流通入线圈后，PQ 上反射光点出现在O 点上方，
与O 点间的弧长为s1．保持其它条件不变，只将该电流反向接入，则反射光点出现在О 点下方，与O 点间
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的弧长为s2。求待测电流的大小。
【答案】（1）
，
；（2）
【解析】
（1）由题意当线圈中通入微小电流I 时，线圈中的安培力为
F = NBIl
根据胡克定律有
F = NBIl = k│x│
设此时细杆转过的弧度为θ，则可知反射光线转过的弧度为2θ，又因为
d >> x，r >> d
则
sinθ ≈ θ，sin2θ ≈ 2θ
所以有
x = dθ
s = r2θ
联立可得
（2）因为测量前未调零，设没有通电流时偏移的弧长为s′，当初始时反射光点在O 点上方，通电流I′后根
据前面的结论可知有
当电流反向后有
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联立可得
同理可得初始时反射光点在O 点下方结果也相同，故待测电流的大小为
14、（2022·山东卷·T17）中国“人造太阳”在核聚变实验方而取得新突破，该装置中用电磁场约束和
加速高能离子，其部分电磁场简化模型如图所示，在三维坐标系
中，
空间内充满匀强磁场
I，磁感应强度大小为B，方向沿x 轴正方向；
，
的空间内充满匀强磁场II，磁感应强度
大小为
，方向平行于
平面，与x 轴正方向夹角为
；
，
的空间内充满沿y 轴负方
向的匀强电场。质量为m、带电量为
的离子甲，从
平面第三象限内距
轴为
的点
以一定速度
出射，速度方向与
轴正方向夹角为
，在在
平面内运动一段时间后，经坐标原点
沿
轴正方向
进入磁场I。不计离子重力。
（1）当离子甲从
点出射速度为
时，求电场强度的大小
；
（2）若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，求进入磁场时的最大速度
；
（3）离子甲以
的速度从
点沿
轴正方向第一次穿过
面进入磁场I，求第四次穿过
平面的
位置坐标（用
表示）；
（4）当离子甲以
的速度从
点进入磁场I 时，质量为
、带电量为
的离子乙，也从
点沿
轴
正方向以相同的动能同时进入磁场I，求两离子进入磁场后，到达它们运动轨迹第一个交点的时间差
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（忽略离子间相互作用）。
【答案】（1）
；（2）
；（3）（
，
，
）；（4）
【解析】
（1）如图所示
将离子甲从
点出射速度为
分解到沿
轴方向和
轴方向，离子受到的电场力沿
轴负方向，可知离子
沿
轴方向做匀速直线运动，沿
轴方向做匀减速直线运动，从
到
的过程，有
联立解得
（2）如图所示
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离子从坐标原点
沿
轴正方向进入磁场I 中，由洛伦兹力提供向心力可得
离子经过磁场I 偏转后从
轴进入磁场II 中，由洛伦兹力提供向心力可得
可得
为了使离子在磁场中运动，需满足
，
联立可得
要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，进入磁场时的最大速度为
；
（3）离子甲以
的速度从
点沿z 轴正方向第一次穿过
面进入磁场I，离子在磁场I 中的轨迹半
径为
离子在磁场II 中的轨迹半径为
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离子从
点第一次穿过到第四次穿过
平面的运动情景，如图所示
离子第四次穿过
平面的
坐标为
离子第四次穿过
平面的
坐标为
故离子第四次穿过
平面的位置坐标为（
，
，
）
（4）设离子乙的速度为
，根据离子甲、乙动能相同，可得
可得
离子甲在磁场I 中的轨迹半径为
离子甲在磁场II 中的轨迹半径为
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离子乙在磁场I 中的轨迹半径为
离子乙在磁场II 中的轨迹半径为
根据几何关系可知离子甲、乙运动轨迹第一个交点如图所示
从
点进入磁场到第一个交点
过程，有
可得离子甲、乙到达它们运动轨迹第一个交点
时间差为
15、（2022·湖南卷·T13）如图，两个定值电阻的阻值分别为
和
，直流电源的内阻不计，平行板电
容器两极板水平放置，板间距离为
，板长为
，极板间存在方向水平向里的匀强磁场。质量为
、
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带电量为
的小球以初速度
沿水平方向从电容器下板左侧边缘
点进入电容器，做匀速圆周运动，恰
从电容器上板右侧边缘离开电容器。此过程中，小球未与极板发生碰撞，重力加速度大小为
，忽略空气
阻力。
（1）求直流电源的电动势
；
（2）求两极板间磁场的磁感应强度
；
（3）在图中虚线的右侧设计一匀强电场，使小球离开电容器后沿直线运动，求电场强度的最小值
。
【答案】（1）
；（2）
；（3）
【解析】
（1）小球在电磁场中作匀速圆周运动，则电场力与重力平衡，可得
两端的电压
根据欧姆定律得
联立解得
（2）如图所示
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设粒子在电磁场中做圆周运动的半径为，根据几何关系
解得
根据
解得
（3）由几何关系可知，射出磁场时，小球速度方向与水平方向夹角为
，要使小球做直线运动，当小球
所受电场力与小球重力在垂直小球速度方向的分力相等时，电场力最小，电场强度最小，可得
解得
1．（2021·广东卷）截面为正方形的绝缘弹性长管中心有一固定长直导线，长管外表面固定着对称分布的
四根平行长直导线，若中心直导线通入电流
，四根平行直导线均通入电流
，
，电流方向如图
所示，下列截面图中可能正确表示通电后长管发生形变的是（ ）
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A．
B．
C．
D．
【答案】C
【解析】
因
，则可不考虑四个边上的直导线之间的相互作用；根据两通电直导线间的安培力作用满足“同
向电流相互吸引，异向电流相互排斥”，则正方形左右两侧的直导线
要受到
吸引的安培力，形成凹形，
正方形上下两边的直导线
要受到
排斥的安培力，形成凸形，故变形后的形状如图C。
故选C。
2．（2021·河北卷）如图，距离为d 的两平行金属板P、Q 之间有一匀强磁场，磁感应强度大小为
，一
束速度大小为v 的等离子体垂直于磁场喷入板间，相距为L 的两光滑平行金属导轨固定在与导轨平面垂直
的匀强磁场中，磁感应强度大小为
，导轨平面与水平面夹角为
，两导轨分别与P、Q 相连，质量为
m、电阻为R 的金属棒
垂直导轨放置，恰好静止，重力加速度为g，不计导轨电阻、板间电阻和等离子
体中的粒子重力，下列说法正确的是（ ）
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A．导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上，
B．导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下，
C．导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上，
D．导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下，
【答案】B
【解析】
等离子体垂直于磁场喷入板间时，根据左手定则可得金属板Q 带正电荷，金属板P 带负电荷，则电流方向
由金属棒a 端流向b 端。等离子体穿过金属板P、Q 时产生的电动势
满足
由欧姆定律
和安培力公式
可得
再根据金属棒ab 垂直导轨放置，恰好静止，可得
则
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金属棒ab 受到的安培力方向沿斜面向上，由左手定则可判定导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下。
故选B。
3．（2021·全国卷）两足够长直导线均折成直角，按图示方式放置在同一平面内，EO 与
在一条直线
上，
与OF 在一条直线上，两导线相互绝缘，通有相等的电流I，电流方向如图所示。若一根无限长直
导线通过电流I 时，所产生的磁场在距离导线d 处的磁感应强度大小为B，则图中与导线距离均为d 的M、
N 两点处的磁感应强度大小分别为（ ）
A．B、0
B．0、2B
C．2B、2B
D．B、B
【答案】B
【解析】
两直角导线可以等效为如图所示的两直导线，由安培定则可知，两直导线分别在M 处的磁感应强度方向为
垂直纸面向里、垂直纸面向外，故M 处的磁感应强度为零；两直导线在N 处的磁感应强度方向均垂直纸面
向里，故M 处的磁感应强度为2B；综上分析B 正确。
故选B。
4．（2021·全国卷）如图，圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，质量为m、电荷量为
的带电
粒子从圆周上的M 点沿直径
方向射入磁场。若粒子射入磁场时的速度大小为
，离开磁场时速度方
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向偏转
；若射入磁场时的速度大小为
，离开磁场时速度方向偏转
，不计重力，则
为
（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【解析】
根据题意做出粒子的圆心如图所示
设圆形磁场区域的半径为R，根据几何关系有第一次的半径
第二次的半径
根据洛伦兹力提供向心力有
可得
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所以
故选B。
5．（2021·浙江卷）如图所示是通有恒定电流的环形线圈和螺线管的磁感线分布图。若通电螺线管是密绕
的，下列说法正确的是（ ）
A．电流越大，内部的磁场越接近匀强磁场
B．螺线管越长，内部的磁场越接近匀强磁场
C．螺线管直径越大，内部的磁场越接近匀强磁场
D．磁感线画得越密，内部的磁场越接近匀强磁场
【答案】B
【解析】
根据螺线管内部的磁感线分布可知，在螺线管的内部，越接近于中心位置，磁感线分布越均匀，越接近两
端，磁感线越不均匀，可知螺线管越长，内部的磁场越接近匀强磁场。
故选B。
6．（2021·浙江卷）如图所示，有两根用超导材料制成的长直平行细导线a、b，分别通以
和
流
向相同的电流，两导线构成的平面内有一点p，到两导线的距离相等。下列说法正确的是（ ）
A．两导线受到的安培力
B．导线所受的安培力可以用
计算
C．移走导线b 前后，p 点的磁感应强度方向改变
D．在离两导线所在的平面有一定距离的有限空间内，不存在磁感应强度为零的位置
【答案】BCD
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【解析】
A．两导线受到的安培力是相互作用力，大小相等，故A 错误；
B．导线所受的安培力可以用
计算，因为磁场与导线垂直，故B 正确；
C．移走导线b 前，b 的电流较大，则p 点磁场方向与b 产生磁场方向同向，向里，移走后，p 点磁场方向
与a 产生磁场方向相同，向外，故C 正确；
D．在离两导线所在的平面有一定距离的有限空间内，两导线在任意点产生的磁场均不在同一条直线上，
故不存在磁感应强度为零的位置。故D 正确。
故选BCD。
7．（2021·山东卷）某离子实验装置的基本原理如图甲所示。Ⅰ区宽度为d，左边界与x 轴垂直交于坐标原
点O，其内充满垂直于
平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为
；Ⅱ区宽度为L，左边界与x 轴垂
直交于
点，右边界与x 轴垂直交于
点，其内充满沿y 轴负方向的匀强电场。测试板垂直x 轴置于Ⅱ
区右边界，其中心C 与
点重合。从离子源不断飘出电荷量为q、质量为m 的正离子，加速后沿x 轴正方
向过O 点，依次经Ⅰ区、Ⅱ区，恰好到达测试板中心C。已知离子刚进入Ⅱ区时速度方向与x 轴正方向的
夹角为
。忽略离子间的相互作用，不计重力。
（1）求离子在Ⅰ区中运动时速度的大小v；
（2）求Ⅱ区内电场强度的大小E；
（3）保持上述条件不变，将Ⅱ区分为左右两部分，分别填充磁感应强度大小均为B（数值未知）方向相反
且平行y 轴的匀强磁场，如图乙所示。为使离子的运动轨迹与测试板相切于C 点，需沿x 轴移动测试板，
求移动后C 到
的距离S。
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【答案】（1）
；（2）
；（3）
【解析】
（1）设离子在Ⅰ区内做匀速圆周运动的半径为r，由牛顿第二定律得
①
根据几何关系得
②
联立①②式得
（2）离子在Ⅱ区内只受电场力，x 方向做匀速直线运动，y 方向做匀变速直线运动，设从进入电场到击中
测试板中心C 的时间为t，y 方向的位移为
，加速度大小为a，由牛顿第二定律得
由运动的合成与分解得
，
，
联立得
（3）Ⅱ区内填充磁场后，离子在垂直y 轴的方向做线速度大小为vcosθ 的匀速圆周运动，如图所示。设左
侧部分的圆心角为
，圆周运动半径为
，运动轨迹长度为
，由几何关系得
，
由于在y 轴方向的运动不变，离子的运动轨迹与测试板相切于C 点，则离子在Ⅱ区内的运动时间不变，故
有
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C 到
的距离
联立得
8．（2021·全国卷）如图，长度均为l 的两块挡板竖直相对放置，间距也为l，两挡板上边缘P 和M 处于同
一水平线上，在该水平线的上方区域有方向竖直向下的匀强电场，电场强度大小为E；两挡板间有垂直纸
面向外、磁感应强度大小可调节的匀强磁场。一质量为m，电荷量为q（q>0）的粒子自电场中某处以大小
为v0的速度水平向右发射，恰好从P 点处射入磁场，从两挡板下边缘Q 和N 之间射出磁场，运动过程中粒
子未与挡板碰撞。已知粒子射入磁场时的速度方向与PQ 的夹角为60°，不计重力。
（1）求粒子发射位置到P 点的距离；
（2）求磁感应强度大小的取值范围；
（3）若粒子正好从QN 的中点射出磁场，求粒子在磁场中的轨迹与挡板MN 的最近距离。
【答案】（1）
；（2）
；（3）粒子运动轨迹见解析，
【解析】
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（1）带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，由类平抛运动规律可知
①
②
粒子射入磁场时的速度方向与PQ 的夹角为60°，有
③
粒子发射位置到P 点的距离
④
由①②③④式得
⑤
（2）带电粒子在磁场运动在速度
⑥
带电粒子在磁场中运动两个临界轨迹（分别从Q、N 点射出）如图所示
由几何关系可知，最小半径
⑦
最大半径
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⑧
带电粒子在磁场中做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，由向心力公式可知
⑨
由⑥⑦⑧⑨解得，磁感应强度大小的取值范围
（3）若粒子正好从QN 的中点射出磁场时，带电粒子运动轨迹如图所示。
由几何关系可知
⑩
带电粒子的运动半径为
⑪
粒子在磁场中的轨迹与挡板MN 的最近距离
⑫
由⑩
式解得
⑪⑫
⑬
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9．（2021·河北卷）如图，一对长平行栅极板水平放置，极板外存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小
为B 的匀强磁场，极板与可调电源相连，正极板上O 点处的粒子源垂直极板向上发射速度为
、带正电的
粒子束，单个粒子的质量为m、电荷量为q，一足够长的挡板
与正极板成
倾斜放置，用于吸收打
在其上的粒子，C、P 是负极板上的两点，C 点位于O 点的正上方，P 点处放置一粒子靶（忽略靶的大小），
用于接收从上方打入的粒子，
长度为
，忽略栅极的电场边缘效应、粒子间的相互作用及粒子所受重
力。
。
（1）若粒子经电场一次加速后正好打在P 点处的粒子靶上，求可调电源电压
的大小；
（2）调整电压的大小，使粒子不能打在挡板
上，求电压的最小值
；
（3）若粒子靶在负极板上的位置P 点左右可调，则负极板上存在H、S 两点（
，H、S 两
点末在图中标出）、对于粒子靶在
区域内的每一点，当电压从零开始连续缓慢增加时，粒子靶均只能
接收到n（
）种能量的粒子，求
和
的长度（假定在每个粒子的整个运动过程中电压恒定）。
【答案】（1）
；（2）
；（3）
；
【解析】
（1）从O 点射出的粒子在板间被加速，则
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粒子在磁场中做圆周运动，则半径
由
解得
（2）当电压有最小值时，当粒子穿过下面的正极板后，圆轨道与挡板OM 相切，此时粒子恰好不能打到
挡板上，则
从O 点射出的粒子在板间被加速，则
粒子在负极板上方的磁场中做圆周运动
粒子从负极板传到正极板时速度仍减小到v0，则
由几何关系可知
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联立解得
（3）设被粒子靶
接收到n 种能量的粒子中能量最小的粒子，在负极板上方磁场区域偏转的轨迹半径为
r0，则
，其中
由(2)问分析可得
，为定值
才不能被OM 板吸收
越小，k 越小，粒子靶
离C 点越近。
最小为
，由于要求
，则k 最小取1，此时
最小，
即CH 点的距离
当粒子靶
向右移动时，
增大，粒子靶
一定能接收到多种能量的粒子，故
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10．（2021·浙江卷）如图甲所示，空间站上某种离子推进器由离子源、间距为d 的中间有小孔的两平行金
属板M、N 和边长为L 的立方体构成，其后端面P 为喷口。以金属板N 的中心O 为坐标原点，垂直立方体
侧面和金属板建立x、y 和z 坐标轴。M、N 板之间存在场强为E、方向沿z 轴正方向的匀强电场；立方体
内存在磁场，其磁感应强度沿z 方向的分量始终为零，沿x 和y 方向的分量
和
随时间周期性变化规律
如图乙所示，图中
可调。氙离子（
）束从离子源小孔S 射出，沿z 方向匀速运动到M 板，经电场
加速进入磁场区域，最后从端面P 射出，测得离子经电场加速后在金属板N 中心点O 处相对推进器的速度
为v0。已知单个离子的质量为m、电荷量为
，忽略离子间的相互作用，且射出的离子总质量远小于推进
器的质量。
（1）求离子从小孔S 射出时相对推进器的速度大小vS；
（2）不考虑在磁场突变时运动的离子，调节
的值，使得从小孔S 射出的离子均能从喷口后端面P 射出，
求
的取值范围；
（3）设离子在磁场中的运动时间远小于磁场变化周期T，单位时间从端面P 射出的离子数为n，且
。求图乙中
时刻离子束对推进器作用力沿z 轴方向的分力。
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【答案】（1）
；（2）
；（3）
，方向沿z 轴负方向
【解析】
（1）离子从小孔S 射出运动到金属板N 中心点O 处，根据动能定理有
解得离子从小孔S 射出时相对推进器的速度大小
（2）当磁场仅有沿x 方向的分量取最大值时，离子从喷口P 的下边缘中点射出，根据几何关系有
根据洛伦兹力提供向心力有
联立解得
当磁场在x 和y 方向的分量同取最大值时，离子从喷口P 边缘交点射出，根据几何关系有
此时
；根据洛伦兹力提供向心力有
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联立解得
故
的取值范围为
；
（3）粒子在立方体中运动轨迹剖面图如图所示
由题意根据洛伦兹力提供向心力有
且满足
所以可得
所以可得
离子从端面P 射出时，在沿z 轴方向根据动量定理有
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根据牛顿第三定律可得离子束对推进器作用力大小为
方向沿z 轴负方向。
11．（2021·广东卷）图是一种花瓣形电子加速器简化示意图，空间有三个同心圆a、b、c 围成的区域，圆
a 内为无场区，圆a 与圆b 之间存在辐射状电场，圆b 与圆c 之间有三个圆心角均略小于90°的扇环形匀强
磁场区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各区感应强度恒定，大小不同，方向均垂直纸面向外。电子以初动能
从圆b 上P
点沿径向进入电场，电场可以反向，保证电子每次进入电场即被全程加速，已知圆a 与圆b 之间电势差为
U，圆b 半径为R，圆c 半径为
，电子质量为m，电荷量为e，忽略相对论效应，取
。
（1）当
时，电子加速后均沿各磁场区边缘进入磁场，且在电场内相邻运动轨迹的夹角
均为
45°，最终从Q 点出射，运动轨迹如图中带箭头实线所示，求Ⅰ区的磁感应强度大小、电子在Ⅰ区磁场中
的运动时间及在Q 点出射时的动能；
（2）已知电子只要不与Ⅰ区磁场外边界相碰，就能从出射区域出射。当
时，要保证电子从出
射区域出射，求k 的最大值。
【答案】（1）
，
，
；（2）
【解析】
（1）电子在电场中加速有
在磁场Ⅰ中，由几何关系可得
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联立解得
在磁场Ⅰ中的运动周期为
由几何关系可得，电子在磁场Ⅰ中运动的圆心角为
在磁场Ⅰ中的运动时间为
联立解得
从Q 点出来的动能为
（2）在磁场Ⅰ中的做匀速圆周运动的最大半径为
，此时圆周的轨迹与Ⅰ边界相切，由几何关系可得
解得
由于
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联立解得
12．（2021·湖南卷）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
、电荷量为
）以初速度
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
平面内的粒子，求解以下问题。
（1）如图（a），宽度为
的带电粒子流沿
轴正方向射入圆心为
、半径为
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
，求该磁场磁感应强度
的大小；
（2）如图（a），虚线框为边长等于
的正方形，其几何中心位于
。在虚线框内设计一个区域
面积最小的匀强磁场，使汇聚到
点的带电粒子流经过该区域后宽度变为
，并沿
轴正方向射出。求
该磁场磁感应强度
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），虛线框Ⅰ和Ⅱ均为边长等于
的正方形，虚线框Ⅲ和Ⅳ均为边长等于
的正方形。在Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中分别设计一个区域面积最小的匀强磁场，使宽度为
的带电粒子流沿
轴正方向射入Ⅰ和
Ⅱ后汇聚到坐标原点
，再经过Ⅲ和Ⅳ后宽度变为
，并沿
轴正方向射出，从而实现带电粒子流的同
轴控束。求Ⅰ和Ⅲ中磁场磁感应强度的大小，以及Ⅱ和Ⅳ中匀强磁场区域的面积（无需写出面积最小的证
明过程）。
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【答案】（1）
；（2）
，垂直与纸面向里，
；（3）
，
，
，
【解析】
（1）粒子垂直
进入圆形磁场，在坐标原点
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
，粒子在磁场中运动，洛伦兹力提供向心力
解得
（2）粒子从
点进入下方虚线区域，若要从聚焦的
点飞入然后平行
轴飞出，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所示，图中圆形磁场即为最小
的匀强磁场区域
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磁场半径为
，根据
可知磁感应强度为
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
（3）粒子在磁场中运动，3 和4 为粒子运动的轨迹圆，1 和2 为粒子运动的磁场的圆周
根据
可知I 和III 中的磁感应强度为
，
图中箭头部分的实线为粒子运动的轨迹，可知磁场的最小面积为叶子形状，取I 区域如图
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图中阴影部分面积的一半为四分之一圆周
与三角形
之差，所以阴影部分的面积为
类似地可知IV 区域的阴影部分面积为
根据对称性可知II 中的匀强磁场面积为
13．（2021·浙江卷）在芯片制造过程中，离子注入是其中一道重要的工序。如图所示是离子注入工作原理
示意图，离子经加速后沿水平方向进入速度选择器，然后通过磁分析器，选择出特定比荷的离子，经偏转
系统后注入处在水平面内的晶圆（硅片）。速度选择器、磁分析器和偏转系统中的匀强磁场的磁感应强度
大小均为B，方向均垂直纸面向外；速度选择器和偏转系统中的匀强电场场强大小均为E，方向分别为竖
直向上和垂直纸面向外。磁分析器截面是内外半径分别为R1和R2的四分之一圆环，其两端中心位置M 和
N 处各有一个小孔；偏转系统中电场和磁场的分布区域是同一边长为L 的正方体，其速度选择器底面与晶
圆所在水平面平行，间距也为L。当偏转系统不加电场及磁场时，离子恰好竖直注入到晶圆上的O 点（即
图中坐标原点，x 轴垂直纸面向外）。整个系统置于真空中，不计离子重力，打在晶圆上的离子，经过电
场和磁场偏转的角度都很小。当α 很小时，有
，
。求：
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v 和磁分析器选择出来离子的比荷；
(2)偏转系统仅加电场时离子注入晶圆的位置，用坐标(x，y)表示；
(3)偏转系统仅加磁场时离子注入晶圆的位置，用坐标(x，y)表示；
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(4)偏转系统同时加上电场和磁场时离子注入晶圆的位置，用坐标(x，y)表示，并说明理由。
【答案】(1)
，
；(2)（
，0）；(3)（0，
）；(4)见解析
【解析】
(1)通过速度选择器离子的速度
从磁分析器中心孔N 射出离子的运动半径为
由
得
(2)经过电场后，离子在x 方向偏转的距离
离开电场后，离子在x 方向偏移的距离
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位置坐标为(
，0)
(3)离子进入磁场后做圆周运动半径
经过磁场后，离子在y 方向偏转距离
离开磁场后，离子在y 方向偏移距离
则
位置坐标为(0，
)
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(4)注入晶圆的位置坐标为(
，
),电场引起的速度增量对y 方向的运动不产生影响。
1．（2020·海南卷）如图，足够长的间距
的平行光滑金属导轨MN、PQ 固定在水平面内，导轨间
存在一个宽度
的匀强磁场区域，磁感应强度大小为
，方向如图所示．一根质量
，阻值
的金属棒a 以初速度
从左端开始沿导轨滑动，穿过磁场区域后，
与另一根质量
，阻值
的原来静置在导轨上的金属棒b 发生弹性碰撞，两金属棒始终
与导轨垂直且接触良好，导轨电阻不计，则（ ）
A．金属棒a 第一次穿过磁场时做匀减速直线运动
B．金属棒a 第一次穿过磁场时回路中有逆时针方向的感应电流
C．金属棒a 第一次穿过磁场区域的过程中，金属棒b 上产生的焦耳热为
D．金属棒a 最终停在距磁场左边界
处
【答案】BD
【解析】
A．金属棒a 第一次穿过磁场时受到安培力的作用，做减速运动，由于速度减小，感应电流减小，安培力
减小，加速度减小，故金属棒a 做加速度减小的减速直线运动，故A 错误；
B．根据右手定则可知，金属棒a 第一次穿过磁场时回路中有逆时针方向的感应电流，故B 正确；
C．电路中产生的平均电动势为
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平均电流为
金属棒a 受到的安培力为
规定向右为正方向，对金属棒a，根据动量定理得
解得对金属棒第一次离开磁场时速度
金属棒a 第一次穿过磁场区域的过程中，电路中产生的总热量等于金属棒a 机械能的减少量，即
联立并带入数据得
由于两棒电阻相同，两棒产生的焦耳热相同，则金属棒b 上产生的焦耳热
故C 错误；
D．规定向右为正方向，两金属棒碰撞过程根据动量守恒和机械能守恒得
联立并带入数据解得金属棒a 反弹的速度为
设金属棒a 最终停在距磁场左边界
处，则从反弹进入磁场到停下来的过程，电路中产生的平均电动势为
平均电流为
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金属棒a 受到的安培力为
规定向右为正方向，对金属棒a，根据动量定理得
联立并带入数据解得
故D 正确。
故选BD。
2．（2020·天津卷）如图所示，在Oxy 平面的第一象限内存在方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B 的
匀强磁场。一带电粒子从y 轴上的M 点射入磁场，速度方向与y 轴正方向的夹角
。粒子经过磁场
偏转后在N 点（图中未画出）垂直穿过x 轴。已知
，粒子电荷量为q，质量为m，重力不计。则
（ ）
A．粒子带负电荷
B．粒子速度大小为
C．粒子在磁场中运动的轨道半径为a
D．N 与O 点相距
【答案】AD
【解析】
A．粒子向下偏转，根据左手定则判断洛伦兹力，可知粒子带负电，A 正确；
BC．粒子运动的轨迹如图
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由于速度方向与y 轴正方向的夹角
，根据几何关系可知
，
则粒子运动的轨道半径为
洛伦兹力提供向心力
解得
BC 错误；
D．
与
点的距离为
D 正确。
故选AD。
3．（2020·海南卷）如图，在一个蹄形电磁铁的两个磁极的正中间放置一根长直导线，当导线中通有垂直
于纸面向里的电流I 时，导线所受安培力的方向为（ ）
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A．向上
B．向下
C．向左
D．向右
【答案】B
【解析】
根据安培定则，可知蹄形电磁铁的分布情况，如图所示
故导线所处位置的磁感应线的切线方向为水平向右，根据左手定则，可以判断导线所受安培力的方向为向
下。
故选B。
4．（2020·北京卷）如图所示，在带负电荷的橡胶圆盘附近悬挂一个小磁针。现驱动圆盘绕中心轴高速旋
转，小磁针发生偏转。下列说法正确的是（ ）
A．偏转原因是圆盘周围存在电场
B．偏转原因是圆盘周围产生了磁场
C．仅改变圆盘的转动方向，偏转方向不变
D．仅改变圆盘所带电荷的电性，偏转方向不变
【答案】B
【解析】
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AB．小磁针发生偏转是因为带负电荷的橡胶圆盘高速旋转形成电流，而电流周围有磁场，磁场会对放入其
中的小磁针有力的作用，故A 错误，B 正确；
C．仅改变圆盘的转动方向，形成的电流的方向与初始相反，小磁针的偏转方向也与之前相反，故C 错误；
D．仅改变圆盘所带电荷的电性，形成的电流的方向与初始相反，小磁针的偏转方向也与之前相反，故D
错误。
故选B。
5．（2020·浙江卷）特高压直流输电是国家重点能源工程。如图所示，两根等高、相互平行的水平长直导
线分别通有方向相同的电流
和
，
。a、b、c 三点连线与两根导线等高并垂直，b 点位于两根导
线间的中点，a、c 两点与b 点距离相等，d 点位于b 点正下方。不考虑地磁场的影响，则（ ）
A．b 点处的磁感应强度大小为0
B．d 点处的磁感应强度大小为0
C．a 点处的磁感应强度方向竖直向下
D．c 点处的磁感应强度方向竖直向下
【答案】C
【解析】
A．通电直导线周围产生磁场方向由安培定判断，如图所示
在b 点产生的磁场方向向上，
在b 点产生的磁场方向向下，因为
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即
则在b 点的磁感应强度不为零，A 错误；
BCD．如图所示，d 点处的磁感应强度不为零，a 点处的磁感应强度竖直向下，c 点处的磁感应强度竖直向
上，BD 错误，C 正确。
故选C。
6．（2020·全国卷）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】
电子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力
则磁感应强度与圆周运动轨迹关系为
即运动轨迹半径越大，磁场的磁感应强度越小。令电子运动轨迹最大的半径为
，为了使电子的运动被
限制在图中实线圆围成的区域内，其最大半径的运动轨迹与实线圆相切，如图所示
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A 点为电子做圆周运动的圆心，电子从圆心沿半径方向进入磁场，由左手定则可得，
，
为直角三角形，则由几何关系可得
解得
解得磁场的磁感应强度最小值
故选C。
7．（2020·全国卷）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（q>0）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．
D．
【答案】C
【解析】
粒子在磁场中做匀速圆周运动
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，
可得粒子在磁场中的周期
粒子在磁场中运动的时间
则粒子在磁场中运动的时间与速度无关，轨迹对应的圆心角越大，运动时间越长。采用放缩圆解决该问题，
粒子垂直ac 射入磁场，则轨迹圆心必在ac 直线上，将粒子的轨迹半径由零逐渐放大。
当半径
和
时，粒子分别从ac、bd 区域射出，磁场中的轨迹为半圆，运动时间等于半个
周期。
当0.5R<r<1.5R 时，粒子从半圆边界射出，逐渐将轨迹半径从0.5R 逐渐放大，粒子射出位置从半圆顶端向
下移动，轨迹圆心角从
逐渐增大，当轨迹半径为R 时，轨迹圆心角最大，然后再增大轨迹半径，轨迹圆
心角减小，因此当轨迹半径等于R 时轨迹圆心角最大，即轨迹对应的最大圆心角
粒子运动最长时间为
,
故选C。
8．（2020·全国卷）CT 扫描是计算机X 射线断层扫描技术的简称，CT 扫描机可用于对多种病情的探测。
图（a）是某种CT 机主要部分的剖面图，其中X 射线产生部分的示意图如图（b）所示。图（b）中M、N
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之间有一电子束的加速电场，虚线框内有匀强偏转磁场；经调节后电子束从静止开始沿带箭头的实线所示
的方向前进，打到靶上，产生X 射线（如图中带箭头的虚线所示）；将电子束打到靶上的点记为P 点。则
（ ）
A．M 处的电势高于N 处的电势
B．增大M、N 之间的加速电压可使P 点左移
C．偏转磁场的方向垂直于纸面向外
D．增大偏转磁场磁感应强度的大小可使P 点左移
【答案】D
【解析】
A．由于电子带负电，要在MN 间加速则MN 间电场方向由N 指向M，根据沿着电场线方向电势逐渐降低
可知M 的电势低于N 的电势，故A 错误；
B．增大加速电压则根据
可知会增大到达偏转磁场的速度；又根据在偏转磁场中洛伦兹力提供向心力有
可得
可知会增大在偏转磁场中的偏转半径，由于磁场宽度相同，故根据几何关系可知会减小偏转的角度，故P
点会右移，故B 错误；
C．电子在偏转电场中做圆周运动，向下偏转，根据左手定则可知磁场方向垂直纸面向里，故C 错误；
D．由B 选项的分析可知，当其它条件不变时，增大偏转磁场磁感应强度会减小半径，从而增大偏转角度，
使P 点左移，故D 正确。
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故选D。
9．（2020·浙江卷）如图所示，在光滑绝缘水平面上，两条固定的相互垂直彼此绝缘的导线通以大小相同
的电流I。在角平分线上，对称放置四个相同的正方形金属框。当电流在相同时间间隔内增加相同量，则
（ ）
A．1、3 线圈静止不动，2、4 线圈沿着对角线向内运动
B．1、3 线圈静止不动，2、4 线圈沿着对角线向外运动
C．2、4 线圈静止不动，1、3 线圈沿着对角线向内运动
D．2、4 线圈静止不动，1、3 线圈沿着对角线向外运动
【答案】B
【解析】
先对1 和3 线圈进行分析，根据安培定则画出直流导线在线框中的磁场方向：
电流大小相等，线圈关于两导线对称，所以线圈中的磁通量为0，电流增大时，根据楞次定律可知线圈中
无感应电流，不受安培力，所以1 和3 线圈静止不动；
再对2 和4 线圈进行分析，根据安培定则画出直流导线在线圈中的磁场方向：
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电流增大，根据楞次定律判断感应电流方向（如图所示），靠近直流导线的线圈导体周围磁感应强度较大，
因此受力起主要作用，根据左手定则判断安培力的方向（如图所示），根据力的合成可知2、4 线圈沿着对
角线向外运动，故B 正确，ACD 错误。
故选B．
10．（2020·海南卷）如图，虚线MN 左侧有一个正三角形ABC，C 点在MN 上，AB 与MN 平行，该三角形
区域内存在垂直于纸面向外的匀强磁场；MN 右侧的整个区域存在垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带正
电的离子（重力不计）以初速度
从AB 的中点O 沿OC 方向射入三角形区域，偏转
后从MN 上的Р
点（图中未画出）进入MN 右侧区域，偏转后恰能回到O 点。已知离子的质量为m，电荷量为q，正三角
形的边长为d：
(1)求三角形区域内磁场的磁感应强度；
(2)求离子从O 点射入到返回O 点所需要的时间；
(3)若原三角形区域存在的是一磁感应强度大小与原来相等的恒磁场，将MN 右侧磁场变为一个与MN 相切
于P 点的圆形匀强磁场让离子从P 点射入圆形磁场，速度大小仍为
，方向垂直于BC，始终在纸面内运
动，到达О 点时的速度方向与OC 成
角，求圆形磁场的磁感应强度。
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【答案】(1)
；(2)
；(3)见解析
【解析】
(1)画出粒子运动轨迹如图
粒子在三角形ABC 中运动时，有
又粒子出三角形磁场时偏转
，由几何关系可知
联立解得
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(2)粒子从D 运动到P，由几何关系可知
运动时间
粒子在MN 右侧运动的半径为
则有
运动时间
故粒子从O 点射入到返回O 点所需要的时间
(3)若三角形ABC 区域磁场方向向里，则粒子运动轨迹如图中①所示，有
解得
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此时根据
有
若三角形ABC 区域磁场方向向外，则粒子运动轨迹如图中②所示，有
解得
此时根据
有
11．（2020·北京卷）如图甲所示，真空中有一长直细金属导线
，与导线同轴放置一半径为
的金属
圆柱面。假设导线沿径向均匀射出速率相同的电子，已知电子质量为
，电荷量为。不考虑出射电子间
的相互作用。
(1)可以用以下两种实验方案测量出射电子的初速度：
a.在柱面和导线之间，只加恒定电压；
b.在柱面内，只加与
平行的匀强磁场。
当电压为
或磁感应强度为
时，刚好没有电子到达柱面。分别计算出射电子的初速度
。
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(2)撤去柱面，沿柱面原位置放置一个弧长为
、长度为
的金属片，如图乙所示。在该金属片上检测到出
射电子形成的电流为
，电子流对该金属片的压强为
。求单位长度导线单位时间内出射电子的总动能。
【答案】（1）a.
，b.
；（2）
【解析】
（1）a.在柱面和导线之间，只加恒定电压
，粒子刚好没有电子到达柱面，此时速度为零，根据动能定
理有
解得
b.在柱面内，只加与
平行的匀强磁场，磁感应强度为
时，刚好没有电子到达柱面，设粒子的偏转半
径为r，根据几何关系有
根据洛伦兹力提供向心力，则有
解得
（2）撤去柱面，设单位时间单位长度射出的电子数为n，则单位时间打在金属片的粒子数
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金属片上形成电流为
所以
根据动量定理得金属片上的压强为
解得
故总动能为
12．（2020·江苏卷）空间存在两个垂直于
平面的匀强磁场，y 轴为两磁场的边界，磁感应强度分别为
、
。甲、乙两种比荷不同的粒子同时从原点O 沿x 轴正向射入磁场，速度均为v。甲第1 次、第2
次经过y 轴的位置分别为P、Q，其轨迹如图所示。甲经过Q 时，乙也恰好同时经过该点。已知甲的质量
为m，电荷量为q。不考虑粒子间的相互作用和重力影响。求：
(1)Q 到O 的距离d；
(2)甲两次经过P 点的时间间隔
；
(3)乙的比荷
可能的最小值。
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【答案】(1)
；(2)
；(3)
【解析】
(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力，由
得，
，
Q、O 的距离为：
(2)由(1)可知，完成一周期运动上升的距离为d，粒子再次经过P，经过N 个周期，
所以，再次经过P 点的时间为
由匀速圆周运动的规律得
，
绕一周的时间为
所以，再次经过P 点的时间为
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两次经过P 点的时间间隔为
(3)由洛伦兹力提供向心力，由
得，
，
完成一周期运动上升的距离
若乙粒子从第一象限进入第二象限的过程中与甲粒子在Q 点相遇，则
，
结合以上式子，n 无解。
若乙粒子从第二象限进入第一象限的过程中与甲离子在Q 点相遇，则
，
计算可得
（n=1，2，3……）
由于甲乙粒子比荷不同，则n=2 时，乙的比荷
最小，为
13．（2020·山东卷）某型号质谱仪的工作原理如图甲所示。M、N 为竖直放置的两金属板，两板间电压为
U，Q 板为记录板，分界面P 将N、Q 间区域分为宽度均为d 的I、Ⅱ两部分，M、N、P、Q 所在平面相互
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平行，a、b 为M、N 上两正对的小孔。以a、b 所在直线为z 轴， 向右为正方向，取z 轴与Q 板的交点O
为坐标原点，以平行于Q 板水平向里为x 轴正方向，竖直向上为y 轴正方向，建立空间直角坐标系Oxyz。
区域I、Ⅱ内分别充满沿x 轴正方向的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度大小、电场强度大小分别为B 和
E。一质量为m，电荷量为+q 的粒子，从a 孔飘入电场（初速度视为零），经b 孔进入磁场，过P 面上的c
点（图中未画出）进入电场，最终打到记录板Q 上。不计粒子重力。
(1)求粒子在磁场中做圆周运动的半径R 以及c 点到z 轴的距离L；
(2)求粒子打到记录板上位置的x 坐标；
(3)求粒子打到记录板上位置的y 坐标（用R、d 表示）；
(4)如图乙所示，在记录板上得到三个点s1、s2、s3，若这三个点是质子
、氚核
、氦核
的位置，
请写出这三个点分别对应哪个粒子（不考虑粒子间的相互作用，不要求写出推导过程）。
【答案】(1)
；(2)
；(3)
；(4)s1、s2、s3分别对应氚核
、氦核
、质子
的位置
【解析】
(1)设粒子经加速电场到b 孔的速度大小为v，粒子在区域I 中，做匀速圆周运动对应圆心角为α，在M、N
两金属板间，由动能定理得
qU=
mv2 ①
在区域I 中，粒子做匀速圆周运动，磁场力提供向心力，由牛顿第二定律得
②
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联立①②式得
③
由几何关系得
④
⑤
⑥
联立①②④式得
⑦
(2)设区域Ⅱ中粒子沿z 轴方向的分速度为vz，沿x 轴正方向加速度大小为a，位移大小为x，运动时间为
t，由牛顿第二定律得
qE=ma ⑧
粒子在z 轴方向做匀速直线运动，由运动合成与分解的规律得
⑨
⑩
粒子在x 方向做初速度为零的匀加速直线运动，由运动学公式得
⑪
联立①②⑤⑧⑨⑩
式得
⑪
⑫
(3)设粒子沿y 方向偏离z 轴的距离为y，其中在区域Ⅱ中沿y 方向偏离的距离为y'，由运动学公式得
y'=vtsinα ⑬
由题意得
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y=L+y' ⑭
联立①④⑥⑨⑩
式
⑬⑭
⑮
(4)s1、s2、s3分别对应氚核
、氦核
、质子
的位置。
14．（2020·浙江卷）某种离子诊断测量简化装置如图所示。竖直平面内存在边界为矩形
、方向垂
直纸面向外、磁感应强度大小为B 的匀强磁场，探测板
平行于
水平放置，能沿竖直方向缓慢移动
且接地。a、b、c 三束宽度不计、间距相等的离子束中的离子均以相同速度持续从边界
水平射入磁场，
b 束中的离子在磁场中沿半径为R 的四分之一圆弧运动后从下边界
竖直向下射出，并打在探测板的右
边缘D 点。已知每束每秒射入磁场的离子数均为N，离子束间的距离均为
，探测板
的宽度为
，离子质量均为m、电荷量均为q，不计重力及离子间的相互作用。
(1)求离子速度v 的大小及c 束中的离子射出磁场边界
时与H 点的距离s；
(2)求探测到三束离子时探测板与边界
的最大距离
；
(3)若打到探测板上的离子被全部吸收，求离子束对探测板的平均作用力的竖直分量F 与板到
距离L 的
关系。
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【答案】(1)
，0.8R；(2)
；(3)当
时：
；当
时：
；当
时：
【解析】
(1)离子在磁场中做圆周运动
得粒子的速度大小
令c 束中的离子运动轨迹对应的圆心为O，从磁场边界
边的Q 点射出，则由几何关系可得
，
(2)a 束中的离子运动轨迹对应的圆心为O’，从磁场边界
边射出时距离H 点的距离为x，由几何关系可
得
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即a、c 束中的离子从同一点Q 射出，离开磁场的速度分别于竖直方向的夹角为
、
，由几何关系可得
探测到三束离子，则c 束中的离子恰好达到探测板的D 点时，探测板与边界
的距离最大，
则
(3)a 或c 束中每个离子动量的竖直分量
当
时所有离子都打在探测板上，故单位时间内离子束对探测板的平均作用力
当
时， 只有b 和c 束中离子打在探测板上，则单位时间内离子束对探测板的平均作用力
为
当
时， 只有b 束中离子打在探测板上，则单位时间内离子束对探测板的平均作用力为
15．（2020·全国卷）如图，在0≤x≤h，
区域中存在方向垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B
的大小可调，方向不变。一质量为m，电荷量为q（q>0）的粒子以速度v0从磁场区域左侧沿x 轴进入磁场，
不计重力。
（1）若粒子经磁场偏转后穿过y 轴正半轴离开磁场，分析说明磁场的方向，并求在这种情况下磁感应强度
的最小值Bm；
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（2）如果磁感应强度大小为
，粒子将通过虚线所示边界上的一点离开磁场。求粒子在该点的运动方向
与x 轴正方向的夹角及该点到x 轴的距离。
【答案】（1）磁场方向垂直于纸面向里；
；（2）
；
【解析】
（1）由题意，粒子刚进入磁场时应受到方向向上的洛伦兹力，因此磁场方向垂直于纸面向里。设粒子进
入磁场中做圆周运动的半径为R，根据洛伦兹力公式和圆周运动规律，有
①
由此可得
②
粒子穿过y 轴正半轴离开磁场，其在磁场中做圆周运动的圆心在y 轴正半轴上，半径应满足
③
由②可得，当磁感应强度大小最小时，设为Bm，粒子的运动半径最大，由此得
④
（2）若磁感应强度大小为
，粒子做圆周运动的圆心仍在y 轴正半轴上，由②④式可得，此时圆弧半径
为
⑤
粒子会穿过图中P 点离开磁场，运动轨迹如图所示。设粒子在P 点的运动方向与x 轴正方向的夹角为α，
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由几何关系
⑥
即
⑦
由几何关系可得，P 点与x 轴的距离为
⑧
联立⑦⑧式得
⑨
16．（2020·浙江卷）通过测量质子在磁场中的运动轨迹和打到探测板上的计数率（即打到探测板上质子数
与衰变产生总质子数N 的比值），可研究中子（
）的
衰变。中子衰变后转化成质子和电子，同时放
出质量可视为零的反中微子
。如图所示，位于P 点的静止中子经衰变可形成一个质子源，该质子源在纸
面内各向均匀地发射N 个质子。在P 点下方放置有长度
以O 为中点的探测板，P 点离探测板的垂
直距离
为a。在探测板的上方存在方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B 的匀强磁场。
已知电子质量
，中子质量
，质子质量
（c 为光速，不考虑粒子之间的相互作用）。
若质子的动量
。
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（1）写出中子衰变的核反应式，求电子和反中微子的总动能（以
为能量单位）；
（2）当
，
时，求计数率；
（3）若
取不同的值，可通过调节
的大小获得与（2）问中同样的计数率，求
与
的关系并给出
的
范围。
【答案】(1)
(2)
(3)
【解析】
（1）核反应方程满足质量数和质子数守恒：
核反应过程中：
根据动量和动能关系：
则总动能为：
（2）质子运动半径：
如图甲所示：
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打到探测板对应发射角度：
可得质子计数率为：
（3）在确保计数率为
的情况下：
即：
如图乙所示：
恰能打到探测板左端的条件为：
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即：
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