高考物理专题复习-带电粒子在复合场中的运动课件(共65页PPT)

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高考物理专题复习-带电粒子在复合场中的运动课件(共65页PPT)

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(共65张PPT)
习题课一 带电粒子在复合场中的运动
核心素 养目标 1.理解组合场和叠加场的特点,会分析粒子在各种场中的受力情况。
2.掌握带电粒子在组合场和叠加场中的运动规律和分析方法。
CONTENTS
目 录
O1
要点突破
O2
提能力
O3
找不足
NO.1
要点突破
要点一 带电粒子在组合场中的运动
1.“电偏转”和“磁偏转”的比较
电偏转 磁偏转
偏转 条件 带电粒子以v⊥E进入匀强电场(不计重力) 带电粒子以v⊥B进入匀强磁场(不计重力)
受力 情况 只受恒定的电场力F=Eq 只受大小恒定的洛伦兹力F洛=qvB
电偏转 磁偏转
运动 情况 类平抛运动 匀速圆周运动
运动 轨迹 抛物线 圆弧

求解 方法 利用类平抛运动的规律得x=v0t,y=at2,a=,tan θ= 由牛顿第二定律、向心力公式得R=,T=,t=
2.带电粒子在组合场中运动问题的分析思路
通常按时间的先后顺序分成若干个小过程,从粒子的速度方向和受力方向入手,分析粒子进入电场后做直线运动还是类平抛运动、进入磁场后做直线运动还是匀速圆周运动(一般的曲线运动很少涉及),不同的运动类型应用不同的规律,列方程时注意衔接速度是联系前后过程的桥梁。
【典例1】 如图所示,真空中有一以O点为圆心的圆形匀强磁场区域,半径为r=0.5 m,磁场方向垂直纸面向里。在y>r的区域存在一沿y轴负方向的匀强电场,电场强度为E=1.0×105 V/m。在M点(坐标原点)有一正粒子以速率v=1.0×106 m/s沿x轴正方向射入磁场,粒子穿出磁场进入电场,速度减小到0后又返回磁场,最终又从磁场离开。已知粒子的比荷为=1.0×107 C/kg,不计粒子重力。求:
(1)圆形磁场区域磁感应强度的大小;
解析 (1)沿x轴正方向射入磁场的粒子进入电场后,速度减小到0,粒子一定是从图中的P点射入电场,逆着电场线运动,所以粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径R=r=0.5 m,根据洛伦兹力提供向心力有qvB=m
联立得B=,
代入数据得B=0.2 T。
答案 (1)0.2 T 
(2)沿x轴正方向射入磁场的粒子,从进入磁场到再次穿出磁场所走过的路程。
解析 (2)粒子返回磁场后,经磁场偏转后从N点射出磁场,粒子在磁场中运动的路程为二分之一圆周长,即s1=πR
设粒子在电场中运动的路程为s2,根据动能定理得
qE=mv2
得s2=
总路程s=s1+s2=πR+
代入数据得s=(0.5π+1)m。
答案 (2)(0.5π+1)m

1.(多选)在半导体离子注入工艺中,初速度可忽略的磷离子P+和P3+,经电压为U的电场加速后,垂直进入磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里、有一定宽度的匀强磁场区域,如图所示。已知离子P+在磁场中转过θ=30°后从磁场右边界射出。在电场和磁场中运动时,离子P+和P3+( )
A.在电场中的加速度之比为1∶1
B.在磁场中运动的半径之比为∶1
C.在磁场中转过的角度之比为1∶2
D.离开电场区域时的动能之比为1∶3
解析:两离子质量相等,所带电荷量之比为1∶3,在电场中运动时,由牛顿第二定律得q=ma,则加速度之比为1∶3,A错误;在电场中仅受电场力作用,由动能定理得qU=Ek=mv2,在磁场中仅受洛伦兹力作用,洛伦兹力永不做功,可知离开电场区域时动能之比为1∶3,D正确;根据在磁场中洛伦兹力提供离子做圆周运动所需的向心力,知qvB=m,得R== ,运动半径之比为∶1,B正确;设磁场区域的宽度为d,则有sin θ=∝,则=,故θ'=60°=2θ,可知C正确。
2.如图所示,直角坐标系中的第Ⅰ象限中存在沿y轴负方向的匀强电场,在第Ⅱ象限中存在垂直纸面向外的匀强磁场。一带电荷量为q、质量为m的带正电的粒子,在x轴负半轴上的a点以速度v0与x轴负方向成60°角射入磁场,从y=L处的b点垂直于y轴方向进入电场,并经过x轴上x=2L处的c点。不计重力,求:
(1)磁感应强度B的大小;
解析:(1)带电粒子在磁场与电场中运动轨迹如图所示,由几何关系可知R+Rsin 30°=L,解得R=,又因为qv0B=m,解得B=。
答案 (1) 
(2)电场强度E的大小;
解析:(2)设带电粒子在电场中运动时间为t2,沿x轴有2L=v0t2,沿y轴有L=a,又因为qE=ma,
解得E=。
答案 (2) 
(3)粒子在磁场和电场中的运动时间的比值。
解析:(3)带电粒子在磁场中运动时间t1=×=×=,带电粒子在电场中运动时间t2=,所以带电粒子在磁场和电场中运动时间之比=。
答案 (3)
要点二 带电粒子在叠加场中的运动
1.叠加场
电场、磁场、重力场叠加,或其中某两类场叠加。
2.带电粒子在叠加场中的常见运动
静止或匀速直线运动 当带电粒子在叠加场中所受合力为零时,将处于静止状态或匀速直线运动状态
匀速圆周运动 当带电粒子所受的重力与电场力平衡时,带电粒子在洛伦兹力的作用下,在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动
较复杂的曲线运动 当带电粒子所受合力的大小和方向均变化,且与初速度方向不在同一条直线上,粒子做非匀变速曲线运动,这时粒子运动轨迹既不是圆弧,也不是抛物线
【典例2】 如图所示,两块水平放置、相距为d的长金属板接在电压可调的电源上。两板之间的右侧区域存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。将喷墨打印机的喷口靠近上板下表面,从喷口连续不断喷出质量均为m、水平速度均为v0、带相等电荷量的墨滴。调节电源电压至U,墨滴在电场区域恰能沿水平向右做匀速直线运动;进入电场、磁场共存区域后,最终垂直打在下板的M点。
(1)判断墨滴所带电荷的正负,并求其电荷量;
解析 (1)墨滴在电场区域做匀速直线运动,受到的重力与电场力等大反向,有q=mg,解得q=。由于电场方向向下,墨滴所受电场力向上,可知墨滴带负电荷。
答案 (1)负电荷  
(2)求磁感应强度B的值;
解析 (2)墨滴垂直进入电、磁场共存区域,受到的重力仍与电场力平衡,合力等于洛伦兹力,墨滴做匀速圆周运动,有qv0B=m
考虑墨滴进入电、磁场共存区域和垂直打在M点的几何关系,可知墨滴在该区域恰好完成四分之一圆周运动,则半径R=d,解得B=。
答案 (2) 
(3)现保持喷口方向不变,使其竖直下移到两板中间的位置。为了使墨滴仍能到达下板M点,应将磁感应强度调至B',则B'的大小为多少?
解析 (3)根据题设,墨滴运动轨迹如图所示,设墨滴做圆周运动半径为R',有qv0B'=m,由图中几何关系可得R'2=d2+,解得R'=d,B'=。
答案 (3)
规律方法
带电粒子在叠加场中运动问题的分析方法

1.如图所示的区域中存在着匀强电场和匀强磁场,二者平行但方向相反。质量为m,所带电荷量为-q的粒子(不计重力)沿电场方向以初速度v0射入场区,下列关于该粒子的说法正确的是(  )
A.所受洛伦兹力越来越小
B.速度方向保持不变
C.所受静电力越来越小
D.向右的最大位移为
解析:因v0与B平行,故该粒子不受洛伦兹力,选项A错误;因所受电场力与v0方向相反,故经一定时间后,速度方向改变,选项B错误;因电场是匀强电场,故粒子所受电场力不变,选项C错误;由动能定理可知qElm=m,解得lm=,故选项D正确。
2.(多选)两带电油滴在竖直向上的匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B正交的空间做竖直平面内的匀速圆周运动,如图所示,则两油滴一定相同的是(  )
A.带电性质 B.运动周期
C.运动半径 D.运动速率
解析:由题意可知,mg=qE,且电场力方向竖直向上,所以油滴均带正电,由于T==,故两油滴周期相同,由于运动速率关系未知,由r==得,轨道半径大小关系无法判断,所以选项A、B正确,C、D错误。
3.如图所示,在xOy平面内,匀强电场的方向沿x轴正方向,匀强磁场的方向垂直于xOy平面向里。一电子在xOy平面内运动时,速度方向保持不变。则电子的运动方向沿(电子重力不计)(  )
A.x轴正方向 B.x轴负方向
C.y轴正方向 D.y轴负方向
解析:电子受电场力方向一定水平向左,所以需要受向右的洛伦兹力才能做匀速运动,根据左手定则进行判断可得电子应沿y轴正方向运动,故C正确。
NO.2
提能力

1.一正电荷q在匀强磁场中,以速度v沿x轴正方向进入垂直纸面向里的匀强磁场中,磁感应强度大小为B,如图所示,为了使电荷能做直线运动,则必须加一个匀强电场进去,不计重力,此电场的电场强度应该是(  )
A.沿y轴正方向,大小为
B.沿y轴负方向,大小为Bv
C.沿y轴正方向,大小为
D.沿y轴负方向,大小为
解析:要使电荷能做直线运动,必须用电场力平衡洛伦兹力,由于正电荷所受洛伦兹力的方向沿y轴正方向,故电场力必须沿y轴负方向且qE=qvB,即E=Bv。
2.(多选)一个带电粒子以初速度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域,穿出电场后接着又进入匀强磁场区域。设电场和磁场区域有明确的分界线,且分界线与电场强度方向平行,如图中的虚线所示。在如图所示的几种情况中,不计重力,可能出现的是(  )
解析:根据带电粒子在电场中的偏转情况可以确定选项A、C、D中粒子带正电,选项B中粒子带负电,再根据左手定则判断粒子在磁场中偏转方向,可知A、D正确,B、C错误。
3.(多选)空间存在竖直向下的匀强电场和水平方向(垂直纸面向里)的匀强磁场。如图所示,已知一离子在静电力和洛伦兹力共同作用下,从静止开始自A点沿曲线ACB运动,到达B点时速度为零,C为运动的最低点,不计重力。则(  )
A.该离子带负电
B.A、B两点位于同一高度
C.C点时离子速度最大
D.离子到达B点后,将沿原曲线返回A点
解析:由离子受到电场力作用开始向下运动,在运动过程中受洛伦兹力作用沿曲线运动,知电场力方向向下,则离子带正电,A错误;洛伦兹力不做功,在A到B的过程中,动能变化为零,根据动能定理知,电场力做功为零,则A、B两点等电势,因为该电场是匀强电场,所以A、B两点位于同一高度,B正确;根据动能定理得,离子运动到C点电场力做功最大,则速度最大,C正确;只要将离子在B点的状态与A点进行比较,就可以发现它们的状态(速度为零,电势能相等)相同,如果右侧仍有同样的电场和磁场的叠加区域,离子就将在B点的右侧重现前面的曲线运动,因此,离子是不可能沿原曲线返回A点的,D错误。
4.如图所示,在xOy直角坐标系中,第Ⅰ象限内分布着方向垂直纸面向里的匀强磁场,第Ⅱ象限内分布着方向沿y轴负方向的匀强电场。初速度为零、带电荷量为q、质量为m的粒子经过电压为U的电场加速后,从x轴上的A点垂直于x轴进入磁场区域,经磁场偏转后过y轴上的P点且垂直于y
轴进入电场区域,在电场中偏转并击中x轴上的C点。已知OA=OC=d。求电场强度E和磁感应强度B的大小。(粒子的重力不计)
解析:设带电粒子经电压为U的电场加速后速度为v,
由动能定理有qU=mv2
带电粒子进入磁场后,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律有qBv=
依题意可知r=d
联立解得B=
带电粒子在电场中偏转,做类平抛运动,设经时间t从P点到达C点。由类平抛运动规律有
d=vt
d=at2
又qE=ma
联立解得E=。
答案: 
NO.3
找不足

题组一 带电粒子在组合场中的运动
1.(多选)如图所示,A板发出的电子(重力不计)经A、B板间电场加速后,水平射入水平放置的两平行金属板M、N之间,M、N之间有垂直纸面向里的匀强磁场,电子通过磁场后最终打在荧光屏P上。关于电子的运动,下列说法中正确的是(  )
A.当滑片向右移动时,电子打在荧光屏的位置上升
B.当滑片向右移动时,电子通过磁场区域所用时间不变
C.若磁场的磁感应强度增大,则电子打在荧光屏上的速度大小不变
D.若磁场的磁感应强度增大,则电子打在荧光屏上的速度变大
解析:当滑片向右移动时,加速电场的电压增大,加速后电子动能增大,进入磁场时的初速度增大,在磁场内做匀速圆周运动的半径变大,向下偏转程度变小,打在荧光屏的位置上升,在磁场中运动对应的圆心角变小,运动时间变短,选项A正确,B错误;磁感应强度增大,电子在磁场中运动速度大小不变,打在荧光屏上的速度大小不变,选项C正确,D错误。
2.如图所示,某种带电粒子由静止开始经电压为U1的电场加速后,射入水平放置、电势差为U2的两导体板间的匀强电场中,带电粒子沿平行于两板的方向从两板正中间射入,穿过两板后又垂直于磁场方向射入边界线竖直的匀强磁场中,则粒子射入磁场和射出磁场的M、N两点间的距离d随着U1和U2的变化情况为(不计重力,不考虑边缘效应)(  )
A.d随U1变化,d与U2无关
B.d与U1无关,d随U2变化
C.d随U1变化,d随U2变化
D.d与U1无关,d与U2无关
解析:带电粒子在两导体板间电势差为U2的匀强电场中做类平抛运动,可将射出此电场的粒子速度v分解成沿初速度方向与加速度方向的分量,设出射速度与水平方向夹角为θ,则有=cos θ,粒子在磁场中做匀速圆周运动,设运动轨迹对应的半径为R,由几何关系得,半径与直线MN夹角正好等于θ,则有=cos θ,所以d=,又因为半径R=,则有d== ,故d随U1变化,d与U2无关,故A正确。
3.(多选)在如图所示的坐标系中,y>0的空间中存在匀强电场,场强方向沿y轴负方向;-1.5h<y<0的空间中存在匀强磁场,磁场方向垂直xOy平面(纸面)向外。一电荷量为q、质量为m的带正电的粒子,经过y轴上y=h处的P1点时速率为v0,方向沿x轴正方向,然后经过x轴上x=1.5h处的P2点进入磁场,进入磁场后垂直磁场下边界射出。不计粒子重力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则下列说法正确的是(  )
A.粒子到达P2点时速度大小为v0
B.电场强度大小为
C.磁感应强度大小为
D.粒子在磁场中运动的时间为
解析:设粒子从P1点到P2点的时间为t0,粒子从P1点到P2点沿水平方向做匀速直线运动,沿竖直方向做匀加速直线运动,由运动学公式可得1.5h=v0t0,h=t0,联立解得vy=v0,则粒子到达P2点的速度v==v0,A错误;根据以上条件结合动能定理可得qEh=mv2-m,解得E=,B正确;
由题意可知粒子进入磁场后垂直磁场下边界射出,由
此可作出粒子的运动轨迹如图所示,粒子刚进入磁场
时v=v0,则==cos 53°,得粒子刚进入磁场时与
x轴正向夹角为53°,由几何关系可知,轨迹半径R满
足Rsin 37°=1.5h,即R=2.5h,根据带电粒子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力可得qvB=,联立解得B=,C正确;根据T=可得T=,粒子在磁场中运动的时间t=T=×T=,D错误。
题组二 带电粒子在叠加场中的运动
4.(多选)如图所示,匀强电场的方向竖直向下,匀强磁场的方向垂直纸面向里,三个小球a、b、c带有等量同种电荷,其中a静止,b向右做匀速直线运动,c向左做匀速直线运动,比较它们的重力Ga、Gb、Gc间的关系,正确的是(  )
A.Ga最大 B.Gb最大
解析:根据F合=0可知a带负电,显然b、c也带负电,所以b所受洛伦兹力方向竖直向下,c所受洛伦兹力方向竖直向上,则有Gb<Ga<Gc,C、D正确。
C.Gc最大 D.Gb最小
5.如图所示,空间中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,有一带电液滴在竖直面内做半径为R的匀速圆周运动,已知电场强度为E,磁感应强度为B,重力加速度为g,则液滴环绕速度大小及方向分别为(  )
A.,顺时针 B.,逆时针
C.,顺时针 D.,逆时针
解析:液滴在叠加场中做匀速圆周运动,可知重力和电场力平衡,则液滴受到向上的电场力,可知液滴带负电,根据左手定则可知液滴做顺时针的匀速圆周运动,根据洛伦兹力提供向心力有qvB=m,又因为重力和电场力平衡,则有qE=mg,联立解得v=,故A、B、D错误,C正确。
6.如图所示,空间存在竖直向上的匀强电场和水平的匀强磁场(垂直纸面向里)。一带正电的小球从O点由静止释放后,运动轨迹如图中曲线OPQ所示,其中P为运动轨迹中的最高点,Q为与O同一水平高度的点。下列关于该带电小球运动的描述,正确的是(  )
A.小球在运动过程中受到的洛伦兹力先增大后减小
B.小球在运动过程中电势能先增加后减少
C.小球在运动过程中机械能守恒
D.小球到Q点后将沿着曲线QPO回到O点
解析:小球由静止开始向上运动,可知电场力大于重力,在运动的过程中,洛伦兹力不做功,电场力和重力的合力先做正功,后做负功,根据动能定理知,小球的速度先增大后减小,则小球受到的洛伦兹力先增大后减小,故A正确;小球在运动的过程中,电场力先做正功,后做负功,则电势能先减少后增加,故B错误;小球在运动的过程中,除重力做功以外,电场力也做功,机械能不守恒,故C错误;小球到Q点后,将重复之前的运动,不会沿着曲线QPO回到O点,故D错误。

7.(多选)在一绝缘、粗糙且足够长的水平管道中有一带电荷量为+q、质量为m的带电球体,管道半径略大于球体半径。整个管道处于磁感应强度为B的水平匀强磁场中,磁感应强度方向与管道垂直。现给带电球体一个水平速度v0,则在整个运动过程中,带电球体克服摩擦力所做的功可能为(  )
A.m B.m
C.m D.0
解析:当qv0B<mg时,带电球体做减速运动到静止,只有摩擦力做功。根据动能定理得-W=0-m,解得W=m,故A正确;当qv0B>mg时,带电球体先做减速运动,当qvB=mg,即v=时不受摩擦力,做匀速直线运动,根据动能定理得-W=mv2-m,代入解得W=m,故B错误,C正确;当qv0B=mg时,带电球体不受支持力和摩擦力,摩擦力做功为零,故D正确。
8.(多选)如图所示,M、N为两块带等量异种电荷的平行金属板,两板间电压可取从零到某一最大值之间的任意数值。静止的带电粒子带电荷量为+q,质量为m(不计重力),从点P经电场加速后,从小孔Q进入N板右侧的匀强磁场区域,磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向外,CD为磁场边界上的一绝缘板,它与N板的夹角为θ=30°,小孔Q到板的下端C的距离为L。当M、N两板间电压取最大值时,粒子恰垂直打在CD板上,则(  )
A.两板间电压的最大值Um=
B.CD板上可能被粒子打中区域的长度x=L
C.粒子在磁场中运动的最长时间tm=
D.能打到N板上的粒子的最大动能为
解析:粒子运动轨迹如图所示。当M、N两板间电压取
最大值时,粒子恰垂直打在CD板上,由几何知识得此
时粒子的运动半径R=L,粒子在磁场中做圆周运动,
由洛伦兹力提供向心力得qvB=m,则v=,在加
速电场中,由动能定理得qUm=mv2-0,解得Um
=,A正确;设粒子轨迹与CD相切于H点,此时粒子的运动半径为R',粒子轨迹垂直打在CD边上的G点,则G、H间距离为粒子打中区域的长度x,根据几何关系得=L=R'+,解得R'=,根据几何关系可得粒子打中区域的长度x=R-=,B正确;
粒子在磁场中运动的周期为T=,粒子在磁场中运动的最大圆心角θ=180°,所以粒子在磁场中运动的最长时间为t=T=T=,C错误;当粒子在磁场中的运动轨迹与CD边相切时,即粒子半径R'=时,打到N板上的粒子的动能最大,最大动能Ekm=mv'2,根据洛伦兹力提供向心力可得qv'B=m,解得Ekm=,D正确。
9.如图所示,在直角坐标系xOy的第一象限中分布着沿y轴负方向的匀强电场,在第四象限中分布着方向垂直于纸面向里的匀强磁场。一个质量为m、电荷量为+q的微粒,在A点(0,3 m)以初速度v0=120 m/s平行x轴正方向射入电场区域,然后从电场区域进入磁场,又从磁场进入电场,并且先后只通过x轴上的P点(6 m,0)和Q点(8 m,0)各一次。已知该微粒的比荷为=102 C/kg,微粒重力不计,
(1)求微粒从A到P所经历的时间和加速度的大小;
解析:(1)微粒从平行x轴正方向射入电场区域,由A到P做类平抛运动,微粒在x轴正方向做匀速直线运动,由x=v0t得t==0.05 s
微粒沿y轴负方向做初速度为零的匀加速直线运动,由y=at2得a=2.4×103 m/s2。
答案:(1)0.05 s 2.4×103 m/s2
(2)求出微粒到达P点时速度方向与x轴正方向的夹角,并画出带电微粒在电场和磁场中由A至Q的运动轨迹;
解析:(2)vy=at,tan α==1,所以α=45°
微粒由A至Q的运动轨迹如图所示
答案:(2)45° 图见解析 
(3)求电场强度E和磁感应强度B的大小。
解析:(3)由qE=ma得E=24 N/C
设微粒从P点进入磁场以速度v做匀速圆周运动,
v=v0=120 m/s
由几何关系可知r= m,
由qvB=m得B==1.2 T。
答案:(3)24 N/C 1.2 T
10.如图所示,在地面附近有一个范围足够大的相互正交的匀强电场和匀强磁场,匀强磁场的磁感应强度为B,方向水平并垂直纸面向外,一质量为m、带电荷量为-q的带电微粒在此区域恰好做速度大小为v的匀速圆周运动(重力加速度为g)。
(1)求此区域内电场强度的大小和方向;
解析:(1)要满足微粒做匀速圆周运动,则qE=mg
得E=,方向竖直向下。
答案:(1) 方向竖直向下 
(2)若某时刻微粒运动到场中距地面高度为H的P点,速度与水平方向成45°角,如图所示,则该微粒至少需要经过多长时间运动到距地面最高点?
解析:(2)如图所示,当微粒第一次运动到最高点时,α=135°
则t=T=T=
微粒做匀速圆周运动的周期T=
解得t=。
答案:(2)
11.如图,区域Ⅰ内有与水平方向成45°角的匀强电场E1,区域宽度为d1,区域Ⅱ内有正交的有界匀强磁场B和匀强电场E2,区域宽度为d2,磁场方向垂直纸面向里,电场方向竖直向下。一质量为m、带电荷量为q的微粒在区域Ⅰ左边界的P点,由静止释放后水平向右做直线运动,进入区域Ⅱ后做匀速圆周运动,从区域Ⅱ右边界上的Q点穿出,其速度方向改变了30°,重力加速度为g,求:
(1)区域Ⅰ和区域Ⅱ内匀强电场的电
场强度E1、E2的大小;
解析:(1)微粒在区域Ⅰ内水平向右做直线运动,则在竖直方向上有qE1sin 45°=mg
求得E1=
微粒在区域Ⅱ内做匀速圆周运动,则重力和电场力平衡,有mg=qE2
求得E2=。
答案:(1)  
(2)区域Ⅱ内匀强磁场的磁感应强度B的大小。
解析:(2)粒子进入磁场区域时满足
qE1d1cos 45°=mv2
qvB=m
根据几何关系,分析可知R==2d2
联立得B=。
答案:(2)
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