《2020版物理新导学浙江选考大一轮精讲讲义：第九章 磁场 专题强化二 Word版含答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版物理新导学浙江选考大一轮精讲讲义：第九章 磁场 专题强化二 Word版含答案.docx（20页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、专题强化二带电粒子在复合场中运动的实例分析一、带电粒子在复合场中的运动1复合场的分类(1)叠加场：电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存(2)组合场：电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，或相邻或在同一区域电场、磁场交替出现2带电粒子在复合场中的运动分类(1)静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动(2)匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小相等、方向相反时，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(3)较复杂的曲线运动当带电粒子所受合外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时，粒子做非匀变速曲线运
2、动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线(4)分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化二、电场与磁场的组合应用实例装置原理图规律质谱仪带电粒子由静止被加速电场加速qUmv2，在磁场中做匀速圆周运动qvBm，则比荷回旋加速器交变电流的周期和带电粒子做圆周运动的周期相同，带电粒子在圆周运动过程中每次经过D形盒(半径为R)缝隙都会被加速由qvmBm得vm，Ekm三、电场与磁场的叠加应用实例装置原理图规律速度选择器若qv0BEq，即v0，带电粒子做匀速直线运动电磁流量计qqvB，所以v，所以流量QvS()2霍尔元件当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电
3、流方向都垂直的方向上出现电势差命题点一质谱仪的原理和分析1作用测量带电粒子质量和分离同位素的仪器2原理(如图1所示)图1(1)加速电场：qUmv2；(2)偏转磁场：qvB，l2r；由以上两式可得r ，m，.例1(2016浙江10月选考23)如图2所示，在x轴的上方存在垂直纸面向里，磁感应强度大小为B0的匀强磁场，位于x轴下方的离子源C发射质量为m、电荷量为q的一束负离子，其初速度大小范围为0v0.这束离子经电势差为U的电场加速后，从小孔O(坐标原点)垂直x轴并垂直磁场射入磁场区域，最后打到x轴上在x轴上2a3a区间水平固定放置一探测板(a)假设每秒射入磁场的离子总数为N0，打到x轴上的离子数均
4、匀分布(离子重力不计)图2(1)求离子束从小孔O射入磁场后打到x轴的区间；(2)调整磁感应强度的大小，可使速度最大的离子恰好打在探测板的右端，求此时的磁感应强度大小B1；(3)保持磁感应强度B1不变，求每秒打在探测板上的离子数N；若打在板上的离子80%被板吸收，20%被反向弹回，弹回速度大小为打板前速度大小的0.6倍，求探测板受到的作用力大小答案见解析解析(1)对于初速度为0的粒子：qUmv12由B0qv1m得r1a恰好打在x2a的位置对于初速度为v0的粒子qUmv22m(v0)2由B0qv2m得r22a，恰好打在x4a的位置离子束打在x轴上的区间为2a,4a(2)由动能定理qUmv22m(v
5、0)2由B1qv2m得r3r3a解得B1B0(3)离子束能打到探测板的实际位置范围为2ax3a即ara，对应的速度范围为v0v2v0每秒打在探测板上的离子数为NN0N0根据动量定理被吸收的离子受到板的作用力大小F吸(2mv0mv0)被反弹的离子受到板的作用力大小F反2m(v00.6v0)m(v00.6v0)N0mv0根据牛顿第三定律，探测板受到的作用力大小FF吸F反N0mv0.变式1现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图3所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁
6、场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍此离子和质子的质量比为()图3A11 B12C121 D144答案D解析由qUmv2得带电粒子进入磁场的速度为v，根据牛顿第二定律有qvBm，得R，联立得到R ，由题意可知，该离子与质子在磁场中具有相同的轨道半径和电荷量，故144，故选D.命题点二回旋加速器的原理和分析1构造：如图4所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源图42原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次3粒子获得的最大动能：由qvmB、Ekmmvm2得Ekm，粒子获得的最大动能由磁感应
7、强度B和盒半径R决定，与加速电压无关例2(2018浙江11月选考23)小明受回旋加速器的启发，设计了如图5甲所示的“回旋变速装置”两相距为d的平行金属栅极板M、N，板M位于x轴上，板N在它的正下方两板间加上如图乙所示的幅值为U0的交变电压，周期T0.板M上方和板N下方有磁感应强度大小均为B、方向相反的匀强磁场粒子探测器位于y轴处，仅能探测到垂直射入的带电粒子有一沿x轴可移动、粒子出射初动能可调节的粒子发射源，沿y轴正方向射出质量为m、电荷量为q(q0)的粒子t0时刻，发射源在(x,0)位置发射一带电粒子忽略粒子的重力和其它阻力，粒子在电场中运动的时间不计图5(1)若粒子只经磁场偏转并在yy0处
8、被探测到，求发射源的位置和粒子的初动能；(2)若粒子两次进出电场区域后被探测到，求粒子发射源的位置x与被探测到的位置y之间的关系答案(1)xy0(2)见解析解析(1)根据题意，粒子沿着y轴正方向射入，只经过磁场偏转，探测器仅能探测到垂直射入的粒子，粒子轨迹为圆周，因此射入的位置为xy0根据Ry0，qvBm，可得Ekmv2(2)根据题意，粒子两次进出电场，然后垂直射到y轴，由于粒子射入电场后，会做减速直线运动，且无法确定能否减速到0，因此需要按情况分类讨论第一次射入电场即减速到零，即当Ek0qU0时，轨迹如图所示根据图中几何关系则x5y；第一次射入电场减速(速度不为0)射出电场，第二次射入电场后
9、减速到0，则当qU0Ek02qU0时，轨迹如图所示r0，r1，r2qU0mv12mv02qU0mv22mv12且xr22r12r0，yr2联立解得x2y变式2回旋加速器的工作原理如图6甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m，电荷量为q，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压的大小为U0，周期T.一束该种粒子在t0时间内从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够射出的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用求：图6(1)出射粒子的动能Ekm；(2)粒子从飘入狭缝至动能达到Ek
10、m所需的总时间t0；(3)要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件答案(1)(2)(3)d99%，解得db.例5为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图12所示在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M、N与内阻为R的电流表相连污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况下列说法中错误的是()图12AN板带正电，M板带负电B污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小C污水
11、流量越大，则电流表的示数越大D若只增大所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大答案B解析污水从左向右流动时，正、负离子在洛伦兹力作用下分别向N板和M板偏转，故N板带正电，M板带负电，A正确稳定时带电离子在两板间受力平衡，qvBq，此时UBbv，式中Q是流量，可见当污水流量越大、磁感应强度越强时，M、N间的电压越大，电流表的示数越大，而与污水中离子浓度无关，B错误，C、D正确4霍尔效应的原理和分析(1)定义：高为h、宽为d的导体(自由电荷是电子或正电荷)置于匀强磁场B中，当电流通过导体时，在导体的上表面A和下表面A之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压(2)电势高低的判断：如
12、图13，导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，若自由电荷是电子，则下表面A的电势高若自由电荷是正电荷，则下表面A的电势低图13(3)霍尔电压的计算：导体中的自由电荷(带电荷量为q)在洛伦兹力作用下偏转，A、A间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，A、A间的电势差(U)就保持稳定，由qvBq，InqvS，Shd；联立得Uk，k称为霍尔系数例6如图14所示，厚度为h、宽度为d的金属导体，当磁场方向与电流方向垂直时，在导体上、下表面会产生电势差，这种现象称为霍尔效应下列说法正确的是()图14A上表面的电势高于下表面的电势B仅增大h时，上、下表面的电势差增大C仅增大d时，上、下表面的电
13、势差减小D仅增大电流I时，上、下表面的电势差减小答案C解析因电流方向向右，则金属导体中的自由电子是向左运动的，根据左手定则可知上表面带负电，则上表面的电势低于下表面的电势，A错误；当电场力等于洛伦兹力时，qqvB，又Inqvhd(n为导体单位体积内的自由电子数)，得U，则仅增大h时，上、下表面的电势差不变；仅增大d时，上、下表面的电势差减小；仅增大I时，上、下表面的电势差增大，故C正确，B、D错误1.(2018湖州市三县期中)如图1所示，在竖直面内虚线所围的区域里，存在电场强度为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场已知从左侧沿水平方向射入的电子穿过该区域时未发生偏转，设其重力可以忽略不计，则
14、在该区域中的E和B的方向不可能是()图1AE竖直向下，B竖直向上BE竖直向上，B垂直纸面向外CE和B都沿水平方向，并与电子运动的方向相同DE和B都沿水平方向，并与电子运动的方向相反答案A2.(多选)如图2所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源的两极上，使a、b两板间产生匀强电场E，右边有一块挡板，正中间开有一小孔d，在较大空间范围内存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里从两板左侧中点c处射入一束正离子(不计重力)，这些正离子都沿直线运动到右侧，从d孔射出后分成三束，则下列判断正确的是()图2A这三束正离子的速度一定不相同B这三束正离子的比荷一定不相同Ca、b两板间的匀强电
15、场方向一定由a指向bD若这三束离子改为带负电而其他条件不变，则仍能从d孔射出答案BCD解析因为三束正离子在两极板间都是沿直线运动的，电场力等于洛伦兹力，即qEqvB，可以判断三束正离子的速度一定相同，且电场方向一定由a指向b，A错误，C正确；在右侧磁场中三束正离子运动轨迹半径不同，可知这三束正离子的比荷一定不相同，B正确；若将这三束离子改为带负电，而其他条件不变的情况下分析受力可知，三束离子在两板间仍做匀速直线运动，仍能从d孔射出，D正确3(2018新力量联盟期末)如图3是质谱仪工作原理的示意图带电粒子a、b经电压U加速(在A点初速度为零)后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分
16、别打在感光板S上的x1、x2处图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则()图3A若a与b有相同的质量，打在感光板上时，b的速度比a大B若a与b有相同的质量，则a的电荷量比b的电荷量小C若a与b有相同的电荷量，则a的质量比b的质量大D若a与b有相同的电荷量，则a的质量比b的质量小答案D4.(多选)如图4是质谱仪的工作原理示意图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场下列表述正确的是()图4A质谱仪是分析同位素的
17、重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于D粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小答案ABC解析质谱仪是分析同位素的重要工具，A正确在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力应等大反向，由粒子在匀强磁场B0中的运动轨迹知粒子带正电，结合左手定则可知，B正确由qEqvB可得v，C正确粒子在平板S下方的匀强磁场中做匀速圆周运动，由qvB0得，D错误5如图5甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示
18、忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是()图5A在Ekt图象中应有t4t3t3t20)霍尔片的放大图如图所示，它由长宽厚abd、单位体积内自由电子数为n的N型半导体制成磁场方向垂直于x轴向上，磁感应强度大小为BB0(1|x|)，0.无压力波输入时，霍尔片静止在x0处，此时给霍尔片通以沿C1C2方向的电流I，则在侧面上D1、D2两点间产生霍尔电压U0.图10(1)指出D1、D2两点哪点电势高；(2)推导出U0与I、B0之间的关系式(提示：电流I与自由电子定向移动速率v之间关系为Inevbd，其中e为 电子电荷量)；(3)弹性盒中输入压力波p(t)，霍尔片中通以相同电流，测得霍尔电压
19、UH随时间t变化图象如图乙忽略霍尔片在磁场中运动产生的电动势和阻尼，求压力波的振幅和频率(结果用U0、U1、t0、及表示)答案(1)D1点电势高(2)U0(3)解析(1)N型半导体可以自由移动的是电子(题目也给出了自由电子)，根据左手定则可以知道电子往D2点移动，因此D1点电势高(2)根据霍尔元件内部电子受的洛伦兹力和电场力平衡得：evB0eInevbd，得v，解得：U0(3)由任意时刻霍尔元件内部电子受的洛伦兹力和电场力平衡得：evBeUH(1|x|)(1|p(t)|)根据图象可知压力波p(t)关于时间t是一个正弦函数，其绝对值的周期是原函数周期的一半，根据图象可知|p(t)|关于t的周期是t0，则p(t)关于t的周期是2t0，频率自然就是；由式可知当压力波p(t)达到振幅A时，UH最小，为U1，代入式可得：U1(1|A|)U0(1A)解得A.