2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場(chǎng) 熱點(diǎn)專(zhuān)題(六)第50講 帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析學(xué)案(含解析)

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2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場(chǎng) 熱點(diǎn)專(zhuān)題(六)第50講 帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析學(xué)案(含解析)_第1頁(yè)
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2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場(chǎng) 熱點(diǎn)專(zhuān)題(六)第50講 帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析學(xué)案(含解析)_第2頁(yè)
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2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第10章 磁場(chǎng) 熱點(diǎn)專(zhuān)題(六)第50講 帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析學(xué)案(含解析)_第3頁(yè)
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1、第50講 帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析 熱點(diǎn)概述 利用帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)原理可以制作很多電子儀器,比較典型的有質(zhì)譜儀、回旋加速器、速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾元件等,這些儀器的原理及應(yīng)用分析是高考中的常考問(wèn)題,下面分類(lèi)進(jìn)行討論突破。 熱點(diǎn)一 電場(chǎng)與磁場(chǎng)的組合應(yīng)用實(shí)例 一、質(zhì)譜儀 1.作用 測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。 2.原理(如圖所示) (1)加速電場(chǎng):qU=mv2; (2)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng):qvB=; 由以上兩式可得r= ,m=,=。 二、回旋加速器 1.構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓形金屬盒,D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,D形盒的縫

2、隙處接交流電源。 2.原理:交流電周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等,使粒子每經(jīng)過(guò)一次D形盒縫隙就被加速一次。 3.粒子獲得的最大動(dòng)能:由qvmB=、Ekm=mv得Ekm=,粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和盒半徑R決定,與加速電壓無(wú)關(guān)。 4.粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間:粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期,被電場(chǎng)加速兩次,每次增加動(dòng)能qU,加速次數(shù)n=,粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間t=T=·=。 [例1] (2017·江蘇高考)一臺(tái)質(zhì)譜儀的工作原理如圖所示。大量的甲、乙兩種離子飄入電壓為U0的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為0,經(jīng)加速后,通過(guò)寬為L(zhǎng)的狹縫MN沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)

3、中,最后打到照相底片上。已知甲、乙兩種離子的電荷量均為+q,質(zhì)量分別為2m和m,圖中虛線為經(jīng)過(guò)狹縫左、右邊界M、N的甲種離子的運(yùn)動(dòng)軌跡。不考慮離子間的相互作用。 (1)求甲種離子打在底片上的位置到N點(diǎn)的最小距離x; (2)在圖中用斜線標(biāo)出磁場(chǎng)中甲種離子經(jīng)過(guò)的區(qū)域,并求該區(qū)域最窄處的寬度d; (3)若考慮加速電壓有波動(dòng),在(U0-ΔU)到(U0+ΔU)之間變化,要使甲、乙兩種離子在底片上沒(méi)有重疊,求狹縫寬度L滿足的條件。 解析 (1)甲種離子在電場(chǎng)中加速時(shí),有 qU0=×2mv2① 設(shè)甲種離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑為r1,則有 qvB=2m② 根據(jù)幾何關(guān)系有 x=2r1-L③

4、 由①②③式解得x= -L④ (2)如圖所示。 最窄處位于過(guò)兩虛線交點(diǎn)的垂線上 d=r1- ⑤ 由①②⑤式解得d= - ⑥ (3)設(shè)乙種離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑為r2 r1的最小半徑r1min= ⑦ r2的最大半徑r2max= ⑧ 由題意知2r1min-2r2max>L, 即 - >L⑨ 由⑦⑧⑨式解得 L< 。 答案 (1) -L (2)圖見(jiàn)解析  - (3)L< 方法感悟 質(zhì)譜儀問(wèn)題實(shí)質(zhì)就是組合場(chǎng)問(wèn)題,先加速電場(chǎng),再偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。以粒子為研究對(duì)象,加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)根據(jù)動(dòng)能定理分析;偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)用公式r=分析。 [例2] (多選

5、)勞倫斯和利文斯設(shè)計(jì)出回旋加速器,工作原理示意圖如圖所示,置于真空中的D形金屬盒半徑為R,兩盒間的狹縫很小,帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可忽略。磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直,高頻交流電頻率為f,加速電壓為U。若A處粒子源產(chǎn)生質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為+q,在加速器中被加速,且加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力的影響,則下列說(shuō)法正確的是(  ) A.質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2πRf B.質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器時(shí)的最大動(dòng)能與加速電壓U成正比 C.質(zhì)子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為∶1 D.不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B和交流電頻率f,經(jīng)該回旋加速器加速的各種粒子的最大動(dòng)能不變 解析

6、 質(zhì)子被加速后的最大速度受到D形盒半徑R的制約,因vm==2πRf,故A正確;質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器的最大動(dòng)能Ekm=mv=m×4π2R2f2=2mπ2R2f2,與加速電壓U無(wú)關(guān),B錯(cuò)誤;根據(jù)qvB=,Uq=mv,2Uq=mv,得質(zhì)子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為∶1,C正確;因經(jīng)回旋加速器加速的粒子最大動(dòng)能Ekm=2mπ2R2f2,而f=,Ekm=πqBfR2,Ekm與q、B、f、R均有關(guān),故D錯(cuò)誤。 答案 AC 方法感悟 回旋加速器的解題思路 (1)帶電粒子在縫隙的電場(chǎng)中一直加速,故交變電流的周期應(yīng)與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等。 (2)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)

7、,半徑不斷增大,周期不變,最大動(dòng)能與D形盒的半徑有關(guān)。 1.(2018·日照模擬) 質(zhì)譜儀是測(cè)帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的一種儀器,它的工作原理是帶電粒子(不計(jì)重力)經(jīng)同一電場(chǎng)加速后,垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng),然后利用相關(guān)規(guī)律計(jì)算出帶電粒子質(zhì)量。其工作原理如圖所示。虛線為某粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,由圖可知(  ) A.此粒子帶負(fù)電 B.下極板S2比上極板S1電勢(shì)高 C.若只減小加速電壓U,則半徑r變大 D.若只減小入射粒子的質(zhì)量,則半徑r變小 答案 D 解析 由圖結(jié)合左手定則可知,該粒子帶正電,故A錯(cuò)誤;粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)要加速,所以下極板S2比上極板S1電勢(shì)低,故B錯(cuò)誤

8、;根據(jù)動(dòng)能定理得,qU=mv2,又由qvB=m得,r=,若只減小加速電壓U,由上式可知,則半徑r減小,故C錯(cuò)誤;若只減小入射粒子的質(zhì)量,q不變,由上式可知,則半徑也減小,故D正確。 2. (多選)回旋加速器的工作原理示意圖如圖所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直,兩盒間的狹縫很小,粒子穿過(guò)狹縫的時(shí)間可忽略,狹縫處接有電壓為U、頻率為f的交流電源,若A處粒子源產(chǎn)生的質(zhì)子在加速器中被加速,下列說(shuō)法正確的是(  ) A.若只增大交流電壓U,則質(zhì)子獲得的最大動(dòng)能增大 B.若只增大交流電壓U,則質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間會(huì)變短 C.若磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大,交流電頻率f必須適當(dāng)增大,回旋加速

9、器才能正常工作 D.不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B和交流電頻率f,該回旋加速器也能用于加速α粒子 答案 BC 解析 當(dāng)質(zhì)子從D形盒中射出時(shí)速度最大,根據(jù)qvmB=m,得vm=,則質(zhì)子獲得的最大動(dòng)能Ekm=,質(zhì)子的最大動(dòng)能與交流電壓U無(wú)關(guān),故A錯(cuò)誤;根據(jù)T=,可知若只增大交流電壓U,不會(huì)改變質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的周期,但加速次數(shù)會(huì)減少,則質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變短,故B正確;根據(jù)T=,可知若磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大,則T應(yīng)減小,只有當(dāng)交流電頻率f適當(dāng)增大,回旋加速器才能正常工作,故C正確;帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與在加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期相等,根據(jù)T=知,換用α粒子,粒子的比荷變化,在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期

10、變化,回旋加速器需改變交流電的頻率才能用于加速α粒子,故D錯(cuò)誤。 3.一回旋加速器,在外加磁場(chǎng)一定時(shí),可把質(zhì)子(H)加速到v,使它獲得的動(dòng)能為Ek,則: (1)能把α粒子(He)加速到速度為多少? (2)能使α粒子獲得的動(dòng)能為多少? (3)加速α粒子的交流電壓的頻率與加速質(zhì)子的交流電壓頻率之比為多少? 答案 (1)v (2)Ek (3)1∶2 解析 (1)因?yàn)锽qv=,得v=,所以Ek=mv2=,由于質(zhì)子和α粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的最大半徑相同,故速度比與比荷之比相等,質(zhì)子的比荷為,α粒子的比荷為=,故能把α粒子加速到的速度為v。 (2)因?yàn)镋k=,則=·=1, 所以Ekα=E

11、kH=Ek。 (3)因?yàn)門(mén)=,f=,所以f=, 所以=·=。 熱點(diǎn)二 電場(chǎng)與磁場(chǎng)的疊加應(yīng)用實(shí)例 [例1] (2018·銀川一中高三一模)(多選) 為了測(cè)量某化工廠的污水排放量,技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計(jì),該裝置由絕緣材料制成,長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c,左、右兩端開(kāi)口,在垂直于前、后面的方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在上、下兩個(gè)面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板M、N作為電極,污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時(shí),電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U,若用Q表示污水流量(單位時(shí)間內(nèi)流出的污水體積),下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.M板電勢(shì)一定高

12、于N板的電勢(shì) B.污水中離子濃度越高,電壓表的示數(shù)越大 C.污水流動(dòng)的速度越大,電壓表的示數(shù)越大 D.電壓表的示數(shù)U與污水流量Q成正比 解析 根據(jù)左手定則知負(fù)離子所受洛倫茲力方向向下,正離子所受洛倫茲力方向向上,所以M板電勢(shì)一定高于N板的電勢(shì),故A項(xiàng)正確;最終離子處于平衡,故電場(chǎng)力等于洛倫茲力,qvB=q,解得U=Bvc,所以與離子的濃度無(wú)關(guān),與污水流動(dòng)的速度成正比,故B項(xiàng)錯(cuò)誤,C項(xiàng)正確;根據(jù)污水流量Q=vbc,則v=,故U=,故電壓表示數(shù)與污水流量成正比,故D項(xiàng)正確。 答案 ACD 方法感悟 磁流體發(fā)電機(jī)與電磁流量計(jì)原理類(lèi)似,都是以忽略重力為前提,電場(chǎng)力與洛倫茲力相等時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)

13、平衡,可以根據(jù)此時(shí)的平衡條件列方程解決問(wèn)題。 [例2] (2018·廈門(mén)一檢)如圖所示是速度選擇器的原理圖,已知電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直分布,某一帶電粒子(重力不計(jì))沿圖中虛線水平通過(guò),則該帶電粒子(  ) A.一定帶正電 B.速度大小為 C.可能沿QP方向運(yùn)動(dòng) D.若沿PQ方向運(yùn)動(dòng)的速度大于,將一定向下極板偏轉(zhuǎn) 解析 若粒子從左邊射入,則不論帶正電還是負(fù)電,電場(chǎng)力大小均為qE,洛倫茲力大小均為F=qvB=qE,這兩個(gè)力平衡,速度v=,粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng),故A錯(cuò)誤,B正確;若粒子從右邊沿虛線方向進(jìn)入,則電場(chǎng)力與洛倫茲力在同一方向,粒子受力

14、不平衡,不能做直線運(yùn)動(dòng),故C錯(cuò)誤;若速度v>,則粒子受到的洛倫茲力大于電場(chǎng)力,使粒子偏轉(zhuǎn),只有當(dāng)粒子帶負(fù)電時(shí),粒子才向下偏轉(zhuǎn),故D錯(cuò)誤。 答案 B 方法感悟 速度選擇器可選擇出速度v=的粒子,都是以不計(jì)粒子重力為前提,對(duì)粒子的電量、電性、質(zhì)量無(wú)要求,但是對(duì)粒子的射入方向有要求。 [例3] (2018·江蘇蘇錫常鎮(zhèn)四市調(diào)研)(多選)自行車(chē)速度計(jì)利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)速率。如圖甲所示,自行車(chē)前輪上安裝一塊磁鐵,輪子每轉(zhuǎn)一圈,這塊磁鐵就靠近傳感器一次,傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖電壓。圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當(dāng)磁場(chǎng)靠近霍爾元件時(shí),導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷在磁場(chǎng)力作用下偏轉(zhuǎn)

15、,最終使導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差,即為霍爾電勢(shì)差。下列說(shuō)法正確的是(  ) A.根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和自行車(chē)車(chē)輪的半徑即可獲知車(chē)速大小 B.自行車(chē)的車(chē)速越大,霍爾電勢(shì)差越高 C.圖乙中霍爾元件的電流I是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的 D.如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源,霍爾電勢(shì)差將減小 解析 根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)可知車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速,若再已知自行車(chē)車(chē)輪的半徑,根據(jù)v=2πrn即可獲知車(chē)速大小,A正確;根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理可知q=Bqv,U=Bdv,即霍爾電壓只與磁感應(yīng)強(qiáng)度、霍爾元件的寬度以及電荷定向移動(dòng)的速度有關(guān),與車(chē)輪轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),B錯(cuò)誤;由左手定則知,圖乙中霍爾元件的

16、電流I是由負(fù)電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的,C錯(cuò)誤;如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源,由I==nqSv知,電源內(nèi)阻r增大會(huì)導(dǎo)致負(fù)電荷定向移動(dòng)的速率減小,故霍爾電勢(shì)差將減小,D正確。 答案 AD 方法感悟 形成電流的可能是正電荷,也可能是負(fù)電荷,兩種情況在霍爾效應(yīng)中形成的霍爾電壓方向相反。 1. (2019·寧夏育才中學(xué)月考)(多選)如圖所示為磁流體發(fā)電機(jī)的原理圖,平行金屬板M、N之間的距離為d,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直紙面向里?,F(xiàn)將大量等離子體從左側(cè)噴射入磁場(chǎng)區(qū)域,額定功率為P的燈泡L正常發(fā)光,且此時(shí)燈泡電阻為R,發(fā)電機(jī)內(nèi)阻為r。下列說(shuō)法正確的是(  )

17、 A.金屬板N上聚集正電荷 B.電路中電流的大小為 C.該發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為+r D.若不考慮發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻,則等離子體的速率為 答案 BCD 解析 由左手定則知正離子向上偏轉(zhuǎn),所以M帶正電,A錯(cuò)誤;根據(jù)P=I2R可得,電路中電流的大小為I=,B正確;發(fā)電機(jī)所接燈泡正常發(fā)光,由功率P=可知外電壓U=,該發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為E=U+U內(nèi)=+r,C正確;兩板間電壓穩(wěn)定時(shí)滿足q=qvB,解得等離子體的速率v=,D正確。 2. (多選)方向如圖所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)(電場(chǎng)強(qiáng)度為E)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)共存的場(chǎng)區(qū),一電子沿垂直電場(chǎng)線和磁感線方向以速度v0射入場(chǎng)區(qū),則(  ) A.若v0>,

18、電子沿軌跡Ⅰ運(yùn)動(dòng),出場(chǎng)區(qū)時(shí)速度v>v0 B.若v0>,電子沿軌跡Ⅱ運(yùn)動(dòng),出場(chǎng)區(qū)時(shí)速度vv0 D.若v0<,電子沿軌跡Ⅱ運(yùn)動(dòng),出場(chǎng)區(qū)時(shí)速度v時(shí),即洛倫茲力大于靜電力,所以電子向下偏轉(zhuǎn),靜電力做負(fù)功,動(dòng)能減小,出場(chǎng)區(qū)時(shí)速度vv0,D錯(cuò)誤,C正確。 3.霍爾元件是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)的磁傳感器,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,如在平板電腦、手機(jī)的保護(hù)蓋及筆記本

19、電腦中,常用霍爾元件來(lái)控制翻蓋時(shí)亮屏喚醒,合蓋時(shí)熄屏待機(jī)。如圖是一霍爾元件的示意圖,磁場(chǎng)方向垂直霍爾元件工作面,霍爾元件寬為d(M、N間距離),厚為h(圖中上下面距離),當(dāng)通以圖示方向電流時(shí),MN兩端將出現(xiàn)電壓UMN,則(  ) A.MN兩端電壓UMN僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān) B.若霍爾元件的載流子是自由電子,則M、N兩端電壓UMN<0 C.若增大霍爾元件寬度d,則MN兩端電壓UMN一定增大 D.通過(guò)控制磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以改變MN兩端電壓UMN 答案 D 解析 載流子流過(guò)霍爾元件時(shí),磁場(chǎng)方向豎直向下,根據(jù)左手定則可知,洛倫茲力指向N板,如果載流子是自由電子,則電子向N板聚集,N板帶負(fù)

20、電荷,M板帶正電荷,兩板間的電勢(shì)差UMN>0,故B錯(cuò)誤;當(dāng)UMN穩(wěn)定時(shí)載流子q受力平衡,電場(chǎng)力等于洛倫茲力,q=qvB,解得UMN=Bdv,又I=nqdhv,故UMN=,故A、C錯(cuò)誤,D正確。 課后作業(yè) 1.如圖所示是醫(yī)用回旋加速器示意圖,其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒,兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,并分別與高頻電源相連。現(xiàn)分別加速氘核(H)和氦核(He)。下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.它們的最大速度相同 B.它們的最大動(dòng)能相同 C.兩次所接高頻電源的頻率不相同 D.僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動(dòng)能 答案 A 解析 根據(jù)qvB=m,得v=。兩粒子的比荷相等,所以

21、最大速度相等,故A正確;最大動(dòng)能Ek=mv2=,兩粒子的比荷相等,但電荷量不相等,所以最大動(dòng)能不相等,故B錯(cuò)誤;帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T=,兩粒子的比荷相等,所以周期相等,做圓周運(yùn)動(dòng)的頻率相等,因?yàn)樗痈哳l電源的頻率等于粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的頻率,故兩次所接高頻電源的頻率相同,故C錯(cuò)誤;由Ek=可知,粒子的最大動(dòng)能與加速電壓的頻率無(wú)關(guān),故僅增大高頻電源的頻率不能增大粒子的最大動(dòng)能,故D錯(cuò)誤。 2.速度相同的一束粒子(不計(jì)重力)由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,則下列相關(guān)說(shuō)法中正確的是(  ) A.該束粒子帶負(fù)電 B.速度選擇器的P1極板帶負(fù)電 C.能通過(guò)狹縫S0的粒子的速度等于

22、 D.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫S0,則粒子的比荷越小 答案 C 解析 根據(jù)該束粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)B2時(shí)向下偏轉(zhuǎn),由左手定則判斷出該束粒子帶正電,A錯(cuò)誤;粒子在速度選擇器中做勻速直線運(yùn)動(dòng),所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡,由左手定則知洛倫茲力方向豎直向上,則電場(chǎng)力方向豎直向下,因粒子帶正電,故電場(chǎng)強(qiáng)度方向向下,速度選擇器的P1極板帶正電,B錯(cuò)誤;粒子能通過(guò)狹縫,電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡,有qvB1=qE,得v=,C正確;粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)B2中受到洛倫茲力做勻速圓周運(yùn)動(dòng),根據(jù)洛倫茲力提供向心力,由牛頓第二定律有qvB2=m,得r=,可見(jiàn)v、B2一定時(shí),半徑r越小,則越大,D錯(cuò)誤。 3. 醫(yī)生做某些特

23、殊手術(shù)時(shí),利用電磁血流計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)通過(guò)動(dòng)脈的血流速度。電磁血流計(jì)由一對(duì)電極a和b以及磁極N和S構(gòu)成,磁極間的磁場(chǎng)是均勻的。使用時(shí),兩電極a、b均與血管壁接觸,兩觸點(diǎn)的連線、磁場(chǎng)方向和血流速度方向兩兩垂直,如圖所示。由于血液中的正負(fù)離子隨血流一起在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),電極a、b之間會(huì)有微小電勢(shì)差。在達(dá)到平衡時(shí),血管內(nèi)部的電場(chǎng)可看做是勻強(qiáng)電場(chǎng),血液中的離子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的合力為零。在某次監(jiān)測(cè)中,兩觸點(diǎn)的距離為3.0 mm,血管壁的厚度可忽略,兩觸點(diǎn)間的電勢(shì)差為160 μV,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.040 T。則血流速度的近似值和電極a、b的正負(fù)為(  ) A.1.3 m/s,a正、b負(fù) B.2.7

24、 m/s,a正、b負(fù) C.1.3 m/s,a負(fù)、b正 D.2.7 m/s,a負(fù)、b正 答案 A 解析 血液中正負(fù)離子流動(dòng)時(shí),根據(jù)左手定則,正離子受到向上的洛倫茲力,負(fù)離子受到向下的洛倫茲力,所以正離子向上偏,負(fù)離子向下偏,則a帶正電,b帶負(fù)電。最終血液中的離子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的合力為零,有q=qvB,所以v== m/s≈1.3 m/s。故A項(xiàng)正確,B、C、D三項(xiàng)錯(cuò)誤。 4. 質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具,它的構(gòu)造原理如圖所示。粒子源S產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的粒子,粒子的初速度很小,可以看成是靜止的,粒子經(jīng)過(guò)電壓U加速進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁

25、場(chǎng)中,沿著半圓運(yùn)動(dòng)打到底片P上,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離為x,則下列說(shuō)法正確的是(  ) A.對(duì)于給定的帶電粒子,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變時(shí),加速電壓U越大,粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng) B.對(duì)于給定的帶電粒子,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變時(shí),加速電壓U越大,粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越短 C.當(dāng)加速電壓U和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí),x越大,帶電粒子的比荷越大 D.當(dāng)加速電壓U和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí),x越大,帶電粒子的比荷越小 答案 D 解析 粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t==,與加速電壓U無(wú)關(guān),A、B錯(cuò)誤;在加速電場(chǎng)中由Uq=mv2得v= ,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中由qvB=得R=,且R=,聯(lián)立解得=,所以當(dāng)加

26、速電壓U和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí),x越大,帶電粒子的比荷越小,C錯(cuò)誤,D正確。 5.(多選) 如圖所示為一種質(zhì)譜儀示意圖,由加速電場(chǎng)、靜電分析器和磁分析器組成。若靜電分析器通道中心線的半徑為R,通道內(nèi)均勻輻射電場(chǎng)在中心線處的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E,磁分析器有范圍足夠大的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直紙面向外。一質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子從靜止開(kāi)始經(jīng)加速電場(chǎng)加速后沿中心線通過(guò)靜電分析器,由P點(diǎn)垂直邊界進(jìn)入磁分析器,最終打到膠片上的Q點(diǎn)。不計(jì)粒子重力,下列說(shuō)法中正確的是(  ) A.極板M比極板N電勢(shì)高 B.加速電場(chǎng)的電壓U= C.直徑PQ=2B D.若一群粒子從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)上述

27、過(guò)程都落在膠片上同一點(diǎn),則該群粒子具有相同的比荷 答案 AD 解析 帶電粒子打在膠片上Q點(diǎn),由左手定則可知帶電粒子帶正電,在加速電場(chǎng)中能夠加速,則極板M比極板N電勢(shì)高,A正確;在靜電分析器中,帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng),Eq=m,則v為一定值,而qU=mv2,則U=ER,v=,B錯(cuò)誤;在磁分析器中,帶電粒子垂直磁場(chǎng)進(jìn)入,PQ=2r=== ,C錯(cuò)誤;若一群粒子從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)上述過(guò)程都落在膠片上同一點(diǎn),即半徑相同,r=,qU=mv2,得r= ,則該群粒子比荷相同,D正確。 6.(2016·全國(guó)卷Ⅰ) 現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子,其示意圖如圖所示,其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始

28、被加速電場(chǎng)加速,經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速,為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng),需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(  ) A.11 B.12 C.121 D.144 答案 D 解析 設(shè)質(zhì)子和離子的質(zhì)量分別為m1和m2,原磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,改變后的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。在加速電場(chǎng)中qU=mv2?、?,在磁場(chǎng)中qvB=m ②,聯(lián)立兩式得m=,故有==144,D正確。 7.(2014·江蘇高考)(多選)如圖所示,導(dǎo)電物質(zhì)為電子的霍爾元件位于兩串聯(lián)線圈之間,線圈中電流為I,線圈間產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)

29、強(qiáng)度大小B與I成正比,方向垂直于霍爾元件的兩側(cè)面,此時(shí)通過(guò)霍爾元件的電流為IH,與其前后表面相連的電壓表測(cè)出的霍爾電壓UH滿足:UH=k,式中k為霍爾系數(shù),d為霍爾元件兩側(cè)面間的距離。電阻R遠(yuǎn)大于RL,霍爾元件的電阻可以忽略,則(  ) A.霍爾元件前表面的電勢(shì)低于后表面 B.若電源的正負(fù)極對(duì)調(diào),電壓表將反偏 C.IH與I成正比 D.電壓表的示數(shù)與RL消耗的電功率成正比 答案 CD 解析 由左手定則可判定,電子所受洛倫茲力指向后表面,所以霍爾元件的前表面積累正電荷,電勢(shì)較高,故A錯(cuò)誤;由電路關(guān)系可知,當(dāng)電源的正、負(fù)極對(duì)調(diào)時(shí),通過(guò)霍爾元件的電流IH和所在空間的磁場(chǎng)方向同時(shí)反向,前

30、表面的電勢(shì)仍然較高,故B錯(cuò)誤;由電路可知,=,IL+I(xiàn)H=I,則IH=I,故C正確;RL的熱功率PL=IRL=2RL=,因?yàn)锽與I成正比,故有:UH=k=k′=k′=k′,可得知UH與PL成正比,故D正確。 8.(2018·陜西西安八校聯(lián)考)如圖甲是回旋加速器的原理示意圖,其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒,在加速帶電粒子時(shí),兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中(磁感應(yīng)強(qiáng)度大小恒定),并分別與高頻電源相連,加速時(shí)某帶電粒子的動(dòng)能Ek隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示,若忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間,則下列判斷正確的是(  ) A.高頻電源的變化周期應(yīng)該等于tn-tn-1 B.在Ek-t圖象中,t4-t3=t3

31、-t2=t2-t1 C.粒子加速次數(shù)越多,粒子獲得的最大動(dòng)能一定越大 D.不同粒子獲得的最大動(dòng)能都相同 答案 B 解析 回旋加速器所加高頻電源的頻率與帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的頻率相同,在一個(gè)周期內(nèi),帶電粒子兩次通過(guò)勻強(qiáng)電場(chǎng)而加速,故高頻電源的變化周期為tn-tn-2,A項(xiàng)錯(cuò)誤;帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期與粒子速度無(wú)關(guān),故B項(xiàng)正確;粒子加速到做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑等于加速器半徑時(shí),速度達(dá)到最大,即qvmaxB=m,Ekmax=mv=,與加速次數(shù)無(wú)關(guān),C項(xiàng)錯(cuò)誤;不同粒子的電荷、質(zhì)量不一定相同,由上式可知最大動(dòng)能也不一定相同,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 9.(2018·福建漳州二模)(多選)如圖是磁流體發(fā)電機(jī)

32、的裝置,a、b組成一對(duì)平行電極,兩板間距為d,板平面的面積為S,內(nèi)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)?,F(xiàn)持續(xù)將一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量帶正電和負(fù)電的微粒,而整體呈中性),垂直磁場(chǎng)噴入,每個(gè)離子的速度為v,負(fù)載電阻阻值為R,當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定發(fā)電時(shí),負(fù)載中電流為I,則(  ) A.a(chǎn)板電勢(shì)比b板電勢(shì)低 B.磁流體發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E=Bdv C.負(fù)載電阻兩端的電壓大小為Bdv D.兩板間等離子體的電阻率ρ= 答案 BD 解析 參看磁流體發(fā)電機(jī)的裝置圖,利用左手定則可知,正、負(fù)微粒通過(guò)發(fā)電機(jī)內(nèi)部時(shí),帶正電微粒向上偏,帶負(fù)電微粒向下偏,則知a板電勢(shì)比b板電勢(shì)高,故A錯(cuò)誤;當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定

33、發(fā)電時(shí),對(duì)微粒有F洛=F電,即Bqv=q,得電動(dòng)勢(shì)E=Bdv,故B正確;由閉合電路歐姆定律有UR+Ur=E,又E=Bdv,則負(fù)載電阻兩端的電壓UR

34、時(shí)間都相等 答案 BC 解析 帶電粒子在沿直線通過(guò)速度選擇器時(shí),粒子所受的電場(chǎng)力與它受到的洛倫茲力大小相等、方向相反,即qvB1=Eq,所以v=,可知從速度選擇器中射出的粒子具有相同的速度。帶電粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由洛倫茲力提供向心力有qvB2=,所以r=,可知粒子的比荷越大,則做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑越小,所以打在P1點(diǎn)的粒子是H,打在P2點(diǎn)的粒子是H和He,故A錯(cuò)誤,B正確;由題中的數(shù)據(jù)可得H的比荷是H和He的比荷的2倍,所以H的軌跡半徑是H和He的軌跡半徑的,即O2P2的長(zhǎng)度是O2P1長(zhǎng)度的2倍,故C正確;粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期T==,H與其他兩種粒子的比荷不相同,則周期不相等,

35、而偏轉(zhuǎn)角相同,則粒子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不相等,故D錯(cuò)誤。 11.(2016·江蘇高考)回旋加速器的工作原理如圖甲所示,置于真空中的D形金屬盒半徑為R,兩盒間狹縫的間距為d,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直。被加速粒子的質(zhì)量為m、電荷量為+q,加在狹縫間的交變電壓如圖乙所示,電壓值的大小為U0,周期T=。一束該種粒子在t=0~時(shí)間內(nèi)從A處均勻地飄入狹縫,其初速度視為零?,F(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫均做加速運(yùn)動(dòng),不考慮粒子間的相互作用。求: (1)出射粒子的動(dòng)能Em; (2)粒子從飄入狹縫至動(dòng)能達(dá)到Em所需的總時(shí)間t0; (3)要使飄入狹縫的粒子中有超過(guò)99%能射出,d應(yīng)滿足的條件。 答案 (1) (2)- (3)d< 解析 (1)粒子圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R時(shí)qvB=m, 且Em=mv2,解得Em=。 (2)設(shè)粒子被加速n次達(dá)到動(dòng)能Em,則Em=nqU0 粒子在狹縫間做勻加速運(yùn)動(dòng),設(shè)n次經(jīng)過(guò)狹縫的總時(shí)間為Δt 加速度a= 勻加速直線運(yùn)動(dòng)nd=a·Δt2 由t0=(n-1)·+Δt,解得t0=-。 (3)只有在0~時(shí)間內(nèi)飄入的粒子才能每次均被加速 則所占的比例為η=,由η>99%, 解得d<。 22

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