高中物理《洛倫茲力的應(yīng)用》同步練習(xí)1 魯科版選修3-1

洛倫茲力與現(xiàn)代科技 圖5-6-41、電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(在單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積)，為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如圖5-6-4所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中的a、b、c流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道相連接（圖中虛線）圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測(cè)得的電流值已知流體的電阻率為不計(jì)電流計(jì)的內(nèi)阻，則可求得流量為 A. B. C. D.圖5-6-62一回旋加速器當(dāng)外加磁場(chǎng)一定時(shí)，可把粒子加速到v，它能把質(zhì)子加速到的速度為Av B2v C0.5v D4v3圖5-6-6所示為電視機(jī)顯像管中電子束偏轉(zhuǎn)的示意圖磁環(huán)上的偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時(shí)，沿軸線向紙內(nèi)射入的電子束的偏轉(zhuǎn)方向 A向上 B向下 C向左 D向右圖5-6-74如圖5-6-7所示，為顯象管電子偏轉(zhuǎn)示意圖，電子質(zhì)量為m，電量為e,進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，該磁場(chǎng)被束縛在直徑為l的圓形區(qū)域，電子初速度v0的方向過圓形磁場(chǎng)的軸心O,軸心到光屏距離為L(zhǎng)(即OP0L)。設(shè)某一時(shí)刻電子束打到光屏上的P點(diǎn)，求PP0之間的距離。圖5-6-85如圖5-6-8所示為電視機(jī)顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈(L)的示意圖，如果發(fā)現(xiàn)電視畫面的幅度比正常時(shí)偏小，可能是下列哪些原因引起的 A電子槍發(fā)射能力減弱，電子數(shù)減少B加速電場(chǎng)的電壓過高，電子速率偏大C偏轉(zhuǎn)線圈匝間短路，線圈匝數(shù)減少D偏轉(zhuǎn)線圈的電流過小，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)減弱ab液體圖5-6-96如圖5-6-9所示為一個(gè)電磁流量計(jì)的示意圖，截面為正方形的磁性管，其邊長(zhǎng)為d，內(nèi)有導(dǎo)電液體流動(dòng)，在垂直液體流動(dòng)方向加一指向紙里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B?，F(xiàn)測(cè)得液體a、b兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為U,求管內(nèi)導(dǎo)電液體單位時(shí)間的流量Q。7如圖5-6-10所示的裝置是一個(gè)高真空玻璃管，管中封有若干個(gè)金屬電池，電極C是陰極，電子由此射出，電極A是陽(yáng)極，保持在一高的正電位上，大多數(shù)電子都打到電極A，但是電極A中有一小孔，可以使一部分電子通過，這些穿過小孔的電子又被另一電極A所限制，A上有另一小孔，所以只有一細(xì)束的電子可以通過P與P兩極板間的區(qū)域，電子通過這兩極板區(qū)域后打到管的末端，使末端S處的熒光物質(zhì)發(fā)光。水平放置的偏轉(zhuǎn)板相距為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，它的右端與熒光右端的距離為D。（1）當(dāng)偏轉(zhuǎn)板上不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，電子水平打到熒光屏的O點(diǎn)；（2）當(dāng)兩偏轉(zhuǎn)極板只加一勻強(qiáng)電場(chǎng)（場(chǎng)強(qiáng)為E）時(shí)，在熒光屏上S點(diǎn)出現(xiàn)一亮點(diǎn)，測(cè)出OS=H；（3）當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B）時(shí)發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的O點(diǎn)。若不考慮電子的重力，且熒光屏球面的曲率半徑很大，可以近似視為平面。試根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)求出電子的荷質(zhì)比e/m。圖5-6-10BIdh圖5-6-118如圖5-6-11所示，厚度為h寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A/之間會(huì)產(chǎn)生電熱差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電熱差U、電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系 式中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù)?；魻栃?yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng)的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場(chǎng)，橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛倉(cāng)茲力方向相反的靜電力，當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩面之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。設(shè)電流I是由電子的定向流動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e。回答下列問題：（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢(shì)_下側(cè)面A的電勢(shì)（填高于、低于或等于）（2）電子所受的洛倫茲力的大小為_。（3）當(dāng)導(dǎo)體板上下兩面之間的電勢(shì)差為U時(shí)，電子所受靜電力的大小為_。（4）由靜電力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數(shù)為，其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個(gè)數(shù)。圖5-6-129在原子反應(yīng)堆中抽動(dòng)液態(tài)金屬等導(dǎo)電液時(shí)，由于不允許傳動(dòng)機(jī)械部分與這些流體相接觸，常使用一種電磁泵圖5-6-12表示這種電磁泵的結(jié)構(gòu)將導(dǎo)管置于磁場(chǎng)中，當(dāng)電流I穿過導(dǎo)電液體時(shí)，這種導(dǎo)電液體即被驅(qū)動(dòng)若導(dǎo)管的內(nèi)截面積為a×h，磁場(chǎng)區(qū)域的寬度為L(zhǎng)，磁感強(qiáng)度為B，液態(tài)金屬穿過磁場(chǎng)區(qū)域的電流為I，請(qǐng)分析電磁泵工作的原理并求驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差是多大？圖5-6-1310目前,世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能,如圖5-6-13所示,表示出了它的發(fā)電原理:將一束等離子體(即高溫下申離的氣體,含有大量的帶正電和帶負(fù)電的微粒,而從整體上呈中性),噴射入磁場(chǎng),在場(chǎng)中有兩塊金屬極板A、B,這時(shí)金屬板上就會(huì)聚集電荷,產(chǎn)生電壓,如果射入磁場(chǎng)的離子體的速度為v,金屬平板的面積為S,極間距離為d,勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度為B,方向與v垂直,可調(diào)節(jié)的電阻R接在兩極之間,設(shè)電離氣體充滿兩極間的空間,其電阻率為.求（1）通過電阻R的電流的大小和方向.（2）兩板間的電壓.（3）兩極間的電場(chǎng)強(qiáng)度為最大的條件,以及最大電場(chǎng)強(qiáng)度值.（4）磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，有興趣的同學(xué)可以找來有關(guān)的報(bào)紙、雜志看看。圖5-6-1411如圖5-6-14所示為利用電磁作用輸送非導(dǎo)電液體裝置的示意圖一邊長(zhǎng)為 、截面為正方形的塑料管道水平放置，其右端面上有一截面積為 的小噴口，噴口離地的高度為 管道中有一絕緣活塞，在活塞的中部和上部分別嵌有兩根金屬棒 、 ，其中棒 的兩端與一電壓表相連，整個(gè)裝置放在豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中當(dāng)棒 中通有垂直紙面向里的恒定電流 時(shí)，活塞向右勻速推動(dòng)液體從噴口水平射出，液體落地點(diǎn)離噴口的水平距離為 若液體的密度為 ，不計(jì)所有阻力，求：（1）活塞移動(dòng)的速度；（2）該裝置的功率；（3）磁感強(qiáng)度 的大??；（4）若在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)電壓表的讀數(shù)變小，試分析其可能的原因12如圖5-6-15所示為貝恩布里奇（Bainbridge）設(shè)計(jì)的用來測(cè)量同素荷質(zhì)比的儀器。有一束速度相同的同位素離子速（有兩種離子）以相同的速度通過狹縫S1、S2，向下運(yùn)動(dòng)到兩極板P1、P2之間，在這兩極板之間有垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，同時(shí)加一水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，調(diào)節(jié)E、B，使離子沿著直線通過狹縫S3，然后進(jìn)入半圓形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，此區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，最后離子在此勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過半個(gè)圓周打到照相底片上D1、D2兩點(diǎn)，測(cè)量出S3D1=L1，S3D2=L2。試求這兩種離子的荷質(zhì)比。圖5P1P2圖5-6-15圖5-6-1613圖5-6-16是一種獲得高能帶電粒子的加速器的示意圖在真空環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在著垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可以調(diào)節(jié)的均勻磁場(chǎng)被加速的帶電粒子質(zhì)量為，電荷量為+q，它在環(huán)形磁場(chǎng)中做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)環(huán)形管道中的平行加速電極板A和B的中心均有小孔讓帶電粒子通過開始時(shí)A、B的電勢(shì)均為零，每當(dāng)帶電粒子穿過A板中心小孔時(shí)，A板的電勢(shì)立即升高到U（B板電勢(shì)始終為零），粒子被電壓為U的電場(chǎng)加速后從B板中心小孔穿出時(shí)，A板電勢(shì)降為零；帶電粒子在磁場(chǎng)力作用下沿半徑為R的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，再次穿過A板中心小孔時(shí)，A板電勢(shì)又升高到U，粒子再次被加速；動(dòng)能不斷增加，但做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不變（1）設(shè)帶電粒子從A板小孔處由靜止開始被電場(chǎng)加速，A板電勢(shì)升高到U時(shí)開始計(jì)時(shí)；求粒子沿環(huán)形通道繞行n圈，回到A板中心小孔時(shí)，其動(dòng)能多大？（2）為了保證帶電粒子在環(huán)形磁場(chǎng)中能沿半徑為R的圓軌道做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須周期性地遞增；求粒子繞行第n圈時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度多大？（3）帶電粒子沿環(huán)形通道繞行n圈回到A板中心小孔處，共用多少時(shí)間？14磁流體發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，圖5-6-17中的圖1和圖2是其工作原理示意圖。圖1中的長(zhǎng)方體是發(fā)電導(dǎo)管，其中空部分的長(zhǎng)、高、寬分別為、，前后兩個(gè)側(cè)面是絕緣體，上下兩個(gè)側(cè)面是電阻可略的導(dǎo)體電極，這兩個(gè)電極與負(fù)載電阻相連。整個(gè)發(fā)電導(dǎo)管處于圖2中磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向如圖所示。發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)有電阻率為的高溫、高速電離氣體沿導(dǎo)管向右流動(dòng)，并通過專用管道導(dǎo)出。由于運(yùn)動(dòng)的電離氣體受到磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)電離氣體流速隨磁場(chǎng)有無而不同。設(shè)發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)電離氣體流速處處相同，且不存在磁場(chǎng)時(shí)電離氣體流速為，電離氣體所受摩擦阻力總與流速成正比，發(fā)電導(dǎo)管兩端的電離氣體壓強(qiáng)差維持恒定，求：（1）不存在磁場(chǎng)時(shí)電離氣體所受的摩擦阻力F多大；（2）磁流體發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E的大??；（3）磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電導(dǎo)管的輸入功率P。圖5-6-17圖7圖5-6-1815核聚變反應(yīng)需要幾百萬度以上的高溫，為把高溫條件下高速運(yùn)動(dòng)的離子約束在小范圍內(nèi)（否則不可能發(fā)生核反應(yīng)），通常采用磁約束的方法（托卡馬克裝置）。如圖5-6-18所示，環(huán)狀勻強(qiáng)磁場(chǎng)圍成中空區(qū)域，中空區(qū)域中的帶電粒子只要速度不是很大，都不會(huì)穿出磁場(chǎng)的外邊緣而被約束在該區(qū)域內(nèi)。設(shè)環(huán)狀磁場(chǎng)的內(nèi)半徑為R1=0.5m，外半徑R2=1.0m，磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B=1.0T，若被束縛帶電粒子的荷質(zhì)比為q/m=4×107C/，中空區(qū)域內(nèi)帶電粒子具有各個(gè)方向的速度。求：（1）粒子沿環(huán)狀的半徑方向射入磁場(chǎng)，不能穿越磁場(chǎng)的最大速度。（2）所有粒子不能穿越磁場(chǎng)的最大速度。圖5-6-1916正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的最后部分的簡(jiǎn)化示意圖如圖5-6-19甲所示（俯視圖），位于水平面內(nèi)的粗實(shí)線所示的圓環(huán)形真空管道是正、負(fù)電子做圓運(yùn)動(dòng)的“容器”，經(jīng)過加速器加速后的正、負(fù)電子被分別引入該管道時(shí)，具有相等的速率，它們沿著管道向相反的方向運(yùn)動(dòng)在管道內(nèi)控制它們轉(zhuǎn)彎的是一系列圓形電磁鐵，即圖中的、共有個(gè)，均勻分布在整個(gè)圓環(huán)上，每個(gè)電磁鐵內(nèi)的磁場(chǎng)都是磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，并且方向豎直向下，磁場(chǎng)區(qū)域的直徑為，改變電磁鐵內(nèi)電流的大小，就可改變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而改變電子偏轉(zhuǎn)的角度經(jīng)過精確的調(diào)整，首先實(shí)現(xiàn)電子在環(huán)形管道中沿圖甲中粗虛線所示的軌跡運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電子經(jīng)過每個(gè)電磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)射入點(diǎn)和射出點(diǎn)都是電磁場(chǎng)區(qū)域的同一條直徑的兩端，如圖乙所示這就為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電子的對(duì)撞作好了準(zhǔn)備（1）試確定正、負(fù)電子在管道內(nèi)各是沿什么方向旋轉(zhuǎn)的；（2）已知正、負(fù)電子的質(zhì)量都是，所帶電荷都是元電荷，重力可不計(jì)，求電磁鐵內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小acbdO+q S圖5-6-2017如圖5-6-20，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫a、b、c和d，外筒的外半徑為r0。在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的大小為B，在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿半徑向外的電場(chǎng)。一質(zhì)量為m、帶電量為+q的粒子，從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹縫a的S點(diǎn)出發(fā)，初速為零。如果該粒子經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后恰好又回到出發(fā)點(diǎn)S，則兩極之間的電壓U應(yīng)是多少？（不計(jì)重力，整個(gè)裝置在真空中。）參考答案1B 2B 3C BCDQ=e/m=HE/B2L（D+L/2）。(1)低于 (2)eVB (3)Be/h (或eVB) (4)略BI/a（）B到R,再到A (2)(3)外電路斷開電廠強(qiáng)度最大 Emax=BV(1) (2) (3) (4)噴口液體的流量減少，活塞移運(yùn)速度減小，或磁場(chǎng)變小等會(huì)引起電壓表讀數(shù)變小（q/m）1=2E/BBL1， （q/m）2=2E/BBL2。(1)nqU (2)(3) .（?。?(2) (3) .（1) (2) .(1)正電子在甲圖中沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)負(fù)電子在甲圖中沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)（2）.