2019年高考物理一轮复习 第九章 磁场 专题强化十 带电粒子在复合场中运动的实例分析学案.doc

专题强化十带电粒子在复合场中运动的实例分析专题解读1.本专题是磁场、力学、电场等知识的综合应用，高考往往以计算压轴题的形式出现2学习本专题，可以培养同学们的审题能力、推理能力和规范表达能力针对性的专题训练，可以提高同学们解决难题压轴题的信心3用到的知识有：动力学观点(牛顿运动定律)、运动学观点、能量观点(动能定理、能量守恒)、电场的观点(类平抛运动的规律)、磁场的观点(带电粒子在磁场中运动的规律)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加速电场：qUmv2；偏转磁场：qvB，l2r；由以上两式可得r，m，.例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2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约为()图2A11B12C121D144同一加速电场；同一出口离开磁场答案D解析由qUmv2得带电粒子进入磁场的速度为v，结合带电粒子在磁场中运动的轨迹半径R，综合得到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.11922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图3所示，则下列相关说法中正确的是()图3A该束带电粒子带负电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小D在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大答案C解析带电粒子在磁场中向下偏转，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子带正电，故选项A错误在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，故选项B错误进入B2磁场中的粒子速度是一定的，根据qvB得，r，知r越大，比荷越小，而质量m不一定大，故选项C正确，D错误2一台质谱仪的工作原理如图4所示，电荷量均为q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上已知放置底片的区域MNL，且OML.某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧区域QN仍能正常检测到离子在适当调节加速电压后，原本打在MQ区域的离子即可在QN区域检测到图4(1)求原本打在MN中点P点的离子质量m；(2)为使原本打在P点的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围答案(1)(2)U解析(1)离子在电场中加速qU0mv2，在磁场中做匀速圆周运动qvBm，解得r0，代入r0L，解得m.(2)由(1)知，U，离子打在Q点rL，U，离子打在N点rL，U，则电压的范围为U.命题点二回旋加速器的原理和分析1加速条件：T电场T回旋；2磁场约束偏转：qvBv.3带电粒子的最大速度vmax，rD为D形盒的半径粒子的最大速度vmax与加速电压U无关4回旋加速器的解题思路(1)带电粒子在缝隙的电场中加速、交变电流的周期与磁场周期相等，每经过磁场一次，粒子加速一次(2)带电粒子在磁场中偏转、半径不断增大，周期不变，最大动能与D形盒的半径有关例2(多选)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图5所示置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响则下列说法正确的是()图5A质子被加速后的最大速度不可能超过2RfB质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1D不改变磁感应强度B和交流电频率f，该回旋加速器的最大动能不变D形金属盒半径为R；狭缝很小答案AC解析质子被加速后的最大速度受到D形盒半径R的制约，因v2Rf，故A正确；质子离开回旋加速器的最大动能Ekmmv2m42R2f22m2R2f2，与加速电压U无关，B错误；根据R，Uqmv，2Uqmv，得质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1，C正确；因回旋加速器的最大动能Ekm2m2R2f2与m、R、f均有关，D错误3(多选)如图6甲所示是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，并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，若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6A在Ekt图中应有t4t3t3t2t2t1B高频电源的变化周期应该等于tntn1C粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D当B一定时，要想粒子获得的最大动能越大，则要求D形盒的面积也越大答案AD解析由T可知，粒子回旋周期不变，则有t4t3t3t2t2t1，选项A正确；交流电源的周期必须和粒子在磁场中运动的周期一致，故高频电源的变化周期应该等于2(tntn1)，选项B错误；由R可知，粒子的最大动能为Ekm，故粒子最后获得的最大动能与加速次数无关，与D形盒内磁感应强度和D形盒的半径有关，可知选项C错误，D正确4回旋加速器的工作原理如图7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，电压值的大小为U0.周期T.一束该粒子在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，假设能够出射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7(1)出射粒子的动能Ek；(2)粒子从飘入狭缝至动能达到Ek所需的总时间t0.答案(1)(2)解析(1)粒子运动半径为R时，有qvBm，又Ekmv2，解得Ek.(2)设粒子被加速n次达到动能Ek，则EknqU0.粒子在狭缝间做匀加速运动，设n次经过狭缝的总时间为t，加速度a，粒子做匀加速直线运动，有ndat2，由t0(n1)t，解得t0.命题点三霍尔效应的原理和分析1.定义：高为h，宽为d的金属导体(自由电荷是电子)置于匀强磁场B中，当电流通过金属导体时，在金属导体的上表面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：如图8，金属导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，下表面A的电势高图83霍尔电压的计算：导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转，A、A间出现电势差，当自由电荷所受静电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3(多选)如图9所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为I，线圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小B与I成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此时通过霍尔元件的电流为IH，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足：UHk，式中k为霍尔系数，d为霍尔元件两侧面间的距离电阻R远大于RL，霍尔元件的电阻可以忽略，则()图9A霍尔元件前表面的电势低于后表面B若电源的正负极对调，电压表将反偏CIH与I成正比D电压表的示数与RL消耗的电功率成正比UHk；电阻R远大于RL.答案CD解析当霍尔元件通有电流IH时，根据左手定则，电子将向霍尔元件的后表面运动，故霍尔元件的前表面电势较高若将电源的正负极对调，则磁感应强度B的方向换向，IH方向变化，根据左手定则，电子仍向霍尔元件的后表面运动，故仍是霍尔元件的前表面电势较高，选项A、B错误因R与RL并联，根据并联分流，得IHI，故IH与I成正比，选项C正确由于B与I成正比，设BaI，则ILI，PLIRL，故UHkPL，知UHPL，选项D正确5(多选)如图10，为探讨霍尔效应，取一块长度为a、宽度为b、厚度为d的金属导体，给金属导体加与前后侧面垂直的匀强磁场B，且通以图示方向的电流I时，用电压表测得导体上、下表面M、N间电压为U.已知自由电子的电荷量为e.下列说法中正确的是()图10AM板比N板电势高B导体单位体积内自由电子数越多，电压表的示数越大C导体中自由电子定向移动的速度为vD导体单位体积内的自由电子数为答案CD解析电流方向向右，电子定向移动方向向左，根据左手定则判断可知，电子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则M板积累了电子，M、N之间产生向上的电场，所以M板比N板电势低，选项A错误电子定向移动相当于长度为d的导体切割磁感线产生感应电动势，电压表的读数U等于感应电动势E，则有UEBdv，可见，电压表的示数与导体单位体积内自由电子数无关，选项B错误；由UEBdv得，自由电子定向移动的速度为v，选项C正确；电流的微观表达式是InevS，则导体单位体积内的自由电子数n，Sdb，v，代入得n，选项D正确6利用霍尔效应制作的元件，广泛应用于测量和自动控制等领域如图11是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧就会形成电势差UCD，下列说法中正确的是()图11A电势差UCD仅与材料有关B仅增大磁感应强度时，C、D两面的电势差变大C若霍尔元件中定向移动的是自由电子，则电势差UCD0D在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平方向答案B解析设霍尔元件的厚度为d, 长为a，宽为b，稳定时有Bqvq，又因为InqSv，其中n为单位体积内自由电荷的个数，q为自由电荷所带的电荷量，Sbd，联立解得：UCD，可知选项A错误；若仅增大磁感应强度B，则C、D两面的电势差增大，选项B正确；若霍尔元件中定向移动的是自由电子，由左手定则可知，电子将向C侧偏转，则电势差UCDb.例4(多选)如图15所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源的两极上，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，在a、b两板间还存在着匀强电场E.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15A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孔射出沿直线运动；分成三束答案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，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转动半径不同，可知这三束正离子的比荷一定不相同，B项正确；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项正确7(多选)磁流体发电是一项新兴技术，它可把气体的内能直接转化为电能，图16是它的示意图，平行金属板A、C间有一很强的磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电离子)喷入磁场，两极板间便产生电压，现将A、C两极板与电阻R相连，两极板间距离为d，正对面积为S，等离子体的电阻率为，磁感应强度为B，等离子体以速度v沿垂直磁场方向射入A、C两板之间，则稳定时下列说法中正确的是()图16A极板A是电源的正极B电源的电动势为BdvC极板A、C间电压大小为D回路中电流为答案BC解析等离子体喷入磁场，带正电的离子因受到竖直向下的洛伦兹力而向下偏转，带负电的离子向上偏转，即极板C是电源的正极，A错；当带电离子以速度v做直线运动时，qvBq，所以电源电动势为Bdv，B对；极板A、C间电压UIR，而I，则U，所以C对，D错8(多选)为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图17所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a1m、b0.2m、c0.2m，左、右两端开口，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B1.25T的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N作为电极，污水充满装置以某一速度从左向右匀速流经该装置时，用电压表测得两个电极间的电压U1V且污水流过该装置时受到阻力作用，阻力FfkLv，其中比例系数k15Ns/m2，L为污水沿流速方向的长度，v为污水的流速下列说法中正确的是()图17A金属板M电势不一定高于金属板N的电势，因为污水中负离子较多B污水中离子浓度的高低对电压表的示数也有一定影响C污水的流量(单位时间内流出的污水体积)Q0.16m3/sD为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压强差为p1500Pa答案CD解析根据左手定则，知负离子所受的洛伦兹力方向向下，则负离子向下偏转，N板带负电，M板带正电，则N板的电势比M板电势低，故A错误；最终离子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，有qvBq，解得UvBc，与离子浓度无关，故B错误；污水的流速v，则流量Qvbcm3/s0.16 m3/s，故C正确；污水的流速vm/s4 m/s; 污水流过该装置时受到的阻力FfkLvkav1514N60N，为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压力差是60N，则压强差为pPa1500Pa，故D正确题组1质谱仪的原理和分析1(多选)如图1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和匀强电场的强度分别为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下方有强度为B0的匀强磁场下列表述正确的是()图1A质谱仪是分析同位素的重要工具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在粒子沿直线运动时应等大反向，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的半径R，所以，D错误2(多选)如图2所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点不计粒子重力下列说法正确的是()图2A极板M比极板N的电势高B加速电场的电压UERC直径PQ2BD若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子具有相同的比荷答案AD解析粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转，说明粒子带正电荷，极板M比极板N的电势高，选项A正确；由Uqmv2和Eq可得U，选项B错误；直径PQ2r2，可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点，选项C错误，D正确题组2回旋加速器的原理和分析3(多选)回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图3所示D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上位于D1的圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速当质子被加速到最大动能Ek后，再将它们引出忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是()图3A若只增大交变电压U，则质子的最大动能Ek会变大B若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短C若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子D质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为答案BD解析由r可知，质子经加速后的最大速度与回旋加速器的最大半径有关，而与交变电压U无关，故A错误；增大交变电压，质子加速次数减小，所以质子在回旋加速器中的运行时间变短，B正确；为了使质子能在回旋加速器中加速，质子的运动周期应与交变电压的周期相同，C错误；由nqUmv以及rn可得质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为，D正确4如图4所示是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连现分别加速氘核(H)和氦核(He)下列说法中正确的是()图4A它们的最大速度相同B它们的最大动能相同C两次所接高频电源的频率不相同D仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能答案A解析根据qvBm，得v.两粒子的比荷相等，所以最大速度相等故A正确最大动能Ekmv2，两粒子的比荷相等，但质量不相等，所以最大动能不相等故B错带电粒子在磁场中运动的周期T，两粒子的比荷相等，所以周期相等做圆周运动的频率相等，因为所接高频电源的频率等于粒子做圆周运动的频率，故两次所接高频电源的频率相同，故C错误由Ek可知，粒子的最大动能与加速电压的频率无关，故仅增大高频电源的频率不能增大粒子的最大动能故D错题组3霍尔效应的原理和分析5(多选)导体导电是导体中自由电荷定向移动的结果，这些可以定向移动的电荷又叫载流子，例如金属导体中的载流子就是电子现代广泛应用的半导体材料分为两大类：一类是N型半导体，其载流子是电子，另一类是P型半导体，其载流子称为“空穴”，相当于带正电的粒子如果把某种导电材料制成长方体放在匀强磁场中，磁场方向如图5所示，且与长方体的前后侧面垂直，当长方体中通有向右的电流I时，测得长方体的上、下表面的电势分别为上和下，则()图5A长方体如果是N型半导体，必有上下B长方体如果是P型半导体，必有上下C长方体如果是P型半导体，必有上下D长方体如果是金属导体，必有上下答案AC解析如果是N型半导体，载流子是负电荷，根据左手定则，负电荷向下偏，则下表面带负电，则上下，故A正确；如果是P型半导体，载流子是正电荷，根据左手定则，正电荷向下偏，则下表面带正电，则上下，故B错误，C正确；如果是金属导体，则移动的是自由电子，根据左手定则，负电荷向下偏，则下表面带负电，则上下，故D错误6如图6所示，宽度为d、厚度为h的导体放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过该导体时，在导体的上、下表面之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应实验表明当磁场不太强时，电势差U、电流I和磁感应强度B的关系为UK，式中的比例系数K称为霍尔系数设载流子的电荷量为q，下列说法正确的是()图6A载流子所受静电力的大小FqB导体上表面的电势一定大于下表面的电势C霍尔系数为K，其中n为导体单位长度上的电荷数D载流子所受洛伦兹力的大小F洛，其中n为导体单位体积内的电荷数答案D解析静电力的大小应为Fq，A错误；载流子的电性是不确定的，因此B错误；霍尔系数K，其中n为导体单位体积内的电荷数，C错误；载流子所受洛伦兹力的大小F洛qvB，其中v，可得F洛，D正确7如图7所示，一段长方体形导电材料，左右两端面的边长都为a和b，内有带电荷量为q的某种自由运动电荷导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，磁感应强度大小为B.当通以从左到右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低，由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为()图7A.，负B.，正C.，负D.，正答案C解析当粒子带负电时，粒子定向向左运动才能形成向右的电流，由左手定则判断粒子受洛伦兹力的方向向上，上表面电势较低，符合题意由粒子做匀速运动知|q|vB|q|E|q|因In|q|vSn|q|vab解得n，选项C正确题组4速度选择器、磁流体发电机和电磁流量计8在如图8所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直一带电粒子(重力不计)从左端以速度v沿虚线射入后做直线运动，则该粒子()图8A一定带正电B速度vC若速度v，粒子一定不能从板间射出D若此粒子从右端沿虚线方向进入，仍做直线运动答案B解析粒子带正电和负电均可，选项A错误；由洛伦兹力等于电场力，qvBqE，解得速度v，选项B正确；若速度v，粒子可能从板间射出，选项C错误；若此粒子从右端沿虚线方向进入，所受电场力和洛伦兹力方向相同，不能做直线运动，选项D错误9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9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9AM板比N板电势低B污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小C污水流量越大，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10医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度电磁血流计由一对电极a和b以及磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图10所示由于血液中的正负离子随血液一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零在某次监测中，两触点间的距离为3.0mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160V，磁感应强度的大小为0.040T则血流速度的近似值和电极a、b的正负为()图10A1.3m/s，a正、b负B2.7m/s，a正、b负C1.3m/s，a负、b正D2.7m/s，a负、b正答案A