金板学案高考物理一轮复习 第9章 第4课 复合场中的STS题型探究练习.doc

第4课复合场中的sts题型探究1质谱仪(1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成(2)原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式：qumv2.粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式：qvbm由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷r，m，2回旋加速器(1)构造：如图所示，d1、d2是半圆金属盒，d形盒的缝隙处接交流电源d形盒处于匀强磁场中(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过d形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速，由qvb，得ekm，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度b和d形盒半径r决定，与加速电压无关3速度选择器(如图所示)(1)平行板中电场强度e和磁感应强度b互相垂直这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qeqvb，即v4磁流体发电机(1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能(2)根据左手定则，如图中的b是发电机正极(3)磁流体发电机两极板间的距离为l，等离子体速度为v，磁场的磁感应强度为b，则两极板间能达到的最大电势差ublv(4)电源电阻r，外电阻r中的电流可由闭合电路欧姆定律求出，即i5电磁流量计工作原理：如图所示，圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)，在洛伦兹力的作用下横向偏转，a、b间出现电势差，形成电场，当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即：qvbqeq，所以v，因此液体流量qsv.6霍耳效应在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍耳效应，所产生的电势差称为霍耳电势差，其原理如图所示质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场，如右图为质谱仪的原理图设想有一个静止的质量为m、带电量为q的带电粒子(不计重力)，经电压为u的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为b的偏转磁场中，带电粒子打到底片上的p点，设opx，则在下图中能正确反映x与u之间的函数关系的是(b)解析：带电粒子先经加速电场加速，故qumv2，进入磁场后偏转，opx2r，两式联立得：opx，所以b正确课时作业一、单项选择题1如图所示，有一金属块放在垂直于表面c的匀强磁场中，磁感应强度为b，金属块的厚度为d，高为h.当有稳恒电流i平行平面c的方向通过时，由于磁场力的作用，金属块中单位体积内参与导电的自由电子数目为(上下两面m、n上的电势分别为um、un)(c)a.|umun| b.|c.| d.|umun|解析：设电子的定向运动速度为v，单位体积内的自由电子数目为n，稳恒电流通过时，自由电子所受洛伦兹力与电场力平衡，有bev|，根据电流的微观表达式有inesv，解以上两式得n|.2目前，世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机，如图表示它的原理：将一束等离子体喷射入磁场(速度方向垂直纸面进去)，在磁场中有两块金属板a、b，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压以下不正确的是(b)ab板带正电ba板带正电c其他条件不变，只增大射入速度，uab增大d其他条件不变，只增大磁感应强度，uab增大解析：由左手定则知正电荷向b板，b板带正电，a对b错；平衡稳定时，有qvbq，可看出增大射入速度或增大磁感应强度，uab均增大，c、d正确3速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是(c)a该束带电粒子带负电b速度选择器的p1极板带负电c能通过狭缝s0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s0，粒子的比荷越小解析：由左手定则，该束带电粒子带正电，速度选择器的p1极板带正电，选项a、b错误；由qeqvb1可得能通过狭缝s0的带电粒子的速率v，选项c正确；由r可知，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝s0，r越小，粒子的比荷越大，选项d错误4在电视机的显像管中，电子束的扫描是用磁偏转技术实现的，其扫描原理如图甲所示圆形区域内的偏转磁场方向垂直于圆面，而不加磁场时，电子束将通过o点而打在屏幕的中心m点为了使屏幕上出现一条以m为中心的亮线pq，偏转磁场的磁感应强度b随时间变化的规律应是乙中的(b)解析：由题意知，要想得到以m为中点的亮线pq，磁场的磁感应强度b随时间t变化时，应有方向改变，故c、d两项错误对于选项a的变化图象，则只可能出现两个亮点故正确选项为b.5如图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(b)a高频电源的变化周期应该等于tntn1b在ekt图中应有t4t3t3t2t2t1c粒子加速次数越多，粒子获得的最大动能一定越大d不同粒子获得的最大动能都相同解析：由图可知粒子在单个d形盒内运动的时间为tntn1，由于在磁场中粒子运动的周期与速度无关，b正确；交流电源的周期为2(tntn1)，a错误；由r知当粒子的运动半径等于d形盒半径时加速过程就结束了，粒子的动能ekm，即粒子的动能与加速次数无关，c错误；粒子的最大动能还与粒子的质量和电荷量有关，d错误二、不定项选择题61930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质d型盒d1、d2构成，其间留有空隙，下列说法中正确的是(ad)a离子由加速器的中心附近进入加速器b离子由加速器的边缘进入加速器c离子从磁场中获得能量d离子从电场中获得能量解析：离子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开加速器，选项a、d正确7如图所示是电磁流量计的原理图，横截面为长方形的一段管道，上、下两面是金属材料，前后两侧面是绝缘材料长、宽、 高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道连接(图中未画出)现垂直于前面加磁感应强度为b的匀强磁场当从管的左侧向右侧流过带正电的液体时，上、下表面连接的理想电压表v测得电压为u，下列说法中正确的是(流量是指单位时间流过某横截面的体积)(ac)a上表面电势高于下表面的b上表面电势低于下表面的c液体的流量为qd液体的流量为q解析：根据左手定则可知上表面电势高于下表面的，选项a正确b项错误；在液体流动稳定时，液体所受的洛伦兹力等于电场力，有：evb，得流量计液体流动时的速度为：v，根据流量的定义可得：qbcbcv.由以上两式解得：q.8如图甲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，忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是(ad)a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要想粒子获得的最大动能越大，可增加d形盒的面积解析：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度大小无关，因此，在ekt图中应有t4t3t3t2t2t1，选项a正确；带电粒子在回旋加速器中每运行一周加速两次，高频电源的变化周期应该等于2(tntn1)，选项b错误；由r可知，粒子获得的最大动能取决于d形盒的半径，当轨道半径与d形盒半径相等时就不能继续加速，故选项c错误、d项正确9在质谱仪的示意图中，从离子源s产生的正离子经过狭缝s1和s2之间的加速电场，进入离子速度选择器p1p2之间的电场强度为e，磁感应强度为b1.离子由s3射入磁感应强度为b2的匀强磁场区域由于各种离子运动的轨道半径r不同，故分别射到底片上的不同位置，形成各自的谱线如果要使氘核的谱线离s3的距离增大为原来的2倍，可以(ac)a将b2减小为原来的b将b2增大为原来的2倍c将b1减小为原来的d将e减小为原来的解析：在b2区域，根据r ，要r2r，则b2，选项a正确或使离子离开加速电场板s2时的速度v2v；在离子速度选择器中，根据qvb1qe，得v ，即b1，选项c正确(说明：调节b1涉及同时调节加速电场的电压u4u)10如图是磁流体发电机的示意图，在间距为d的平行金属板a、c间，存在磁感应强度为b、方向垂直纸面向外的匀强磁场，两金属板通过导线与滑动变阻器相连，变阻器接入电路的电阻为r.等离子体连续以速度v平行于两金属板垂直射入磁场，理想电流表a的读数为i，则(bcd)a发电机的电动势eirb发电机的内电阻为rrc发电机的效率d变阻器触头p向上滑动时，单位时间内到达金属板a、c的等离子体数目增多解析：当等离子体受到的洛伦兹力等于电场力时，电动势呈稳定状态，则场强e1bv，发动机的电动势ee1dedv，外电路的电压为ir，a错误；发电机的内部电阻等效于电源的内阻，那么发电机的内阻rr，b正确；发电机的效率，c正确；触头p向上运动，则电路中的电阻变小，电路中的电流变大，单位时间移动的电荷数变多，d正确三、非选择题11如图中左边有一对平行金属板，两板相距为d.电压为u ；两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为b0，方向与金属板面平行并垂直于纸面朝里图中右边有一半径为r、圆心为o的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为b，方向垂直于纸面朝里一电荷量为q的正离子沿平行于金属板面、垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿同一方向射出平行金属板之间的区域，并沿直径ef方向射入磁场区域，最后从圆形区域边界上的g点射出已知弧fg所对应的圆心角为，不计重力求：(1)离子速度的大小；(2)离子的质量解析：(1)由题设知，离子在平行金属板之间做匀速直线运动，洛伦兹力与电场力平衡：qvb0qe0，式中，v是离子运动速度的大小，e0是平行金属板之间的匀强电场的强度，有：e0，由式得：v.(2)在圆形磁场区域，离子做匀速圆周运动，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有：qvbm，式中，m和r分别是离子的质量和它做圆周运动的半径由题设，离子从磁场边界上的点g穿出，离子运动的圆周的圆心o必在过e点垂直于ef的直线上，且在eg的垂直平分线上(见上图)由几何关系有：rrtan ，式中，是oo与直径ef的夹角，由几何关系得：2.联立式得，离子的质量为：mcot .答案：(1)(2)cot 12如图所示，粒子源k与虚线mn之间是一加速电场虚线mn与pq之间是匀强电场，虚线pq与荧光屏之间是匀强磁场，且mn、pq与荧光屏三者互相平行电场和磁场的方向如图所示图中a点与o点的连线垂直于荧光屏从k发射出的一初速度为零的带正电的粒子，被电场加速后以速度v0从a点垂直射入偏转电场，在离开偏转电场后进入匀强磁场，最后恰好垂直地打在图中的荧光屏上，已知电场和磁场区域在竖直方向足够长，加速电场电压与偏转电场的场强关系为u，式中的d是偏转电场的宽度，磁场的磁感应强度与偏转电场的电场强度和带电粒子离开加速电场的速度v0关系符合表达式v0，(以上关系式中u、e、b均为未知量)(1)试说明v0的大小与k和mn之间的距离有何关系；(2)求带电粒子进入磁场时的速度大小；(3)带电粒子最后在电场和磁场中总的偏转距离是多少？解析：(1)带电粒子在加速电场中由动能定理得：mvqu，由此可知粒子获得的速度只与加速电压有关，与k和mn之间的距离无关(2)带电粒子在加速电场中获得的动能为：mvquqed，进入偏转电场后的偏转角为：tan 1，即带电粒子在电场中的偏转角45.竖直速度与水平速度大小相等：vyv0，带电粒子离开偏转电场的速度即进入磁场时的速度为v，vv0.(3)带电粒子在磁场中的半径为：rd.带电粒子在偏转电场中增加的动能与在加速电场中获得的动能相同，设带电粒子在偏转电场中的偏转距离为y1，有：qedqey1，y10.5d；在磁场中偏转距离为y2，有：y2r(1cos )d0.414d；粒子在电场、磁场中偏转的总距离为y，有：yy1y20.9d.答案：(1)v0的大小与k和mn之间的距离无关(2)v0(3)0.9d章末知识整合(对应学生用书p182)1安培力的分析与计算思路(1)掌握安培力的大小和方向(2)通电直导线在磁场中受安培力作用而运动情况的判断是一个难点一般按下列程序分析：用立体图或平面图明确磁场的分布情况依据左手定则判断导体所受的安培力的方向由受力确定导线或线圈做何种运动，同时应注意掌握分段分析和计算的技巧(3)通电导线在磁场中的运动，是力、电的综合，解题时要进行受力分析，并结合力学的相关规律进行解答2洛伦兹力、带电粒子在匀强磁场中的运动(1)掌握洛伦兹力的大小和方向(2)带电粒子在有界磁场中运动的分析方法带电粒子在垂直射入匀强磁场区域后，将经历一段匀速圆周运动后离开磁场区域，其轨迹是残缺圆解决这类问题首先要“四掌握”：掌握圆心的确定方法；掌握半径的确定和计算方法；掌握粒子在磁场中运动时间的计算方法；掌握偏转角的确定方法再抓住轨迹中可能存在的临界状态，运用几何知识解题3带电粒子在复合场中的运动此类综合性很强，有明显的力学特征，一般要从动力学、能量的角度来分析，结合牛顿运动定律、运动学公式、能量守恒定律等来列式而正确画受力图、轨迹图等是解题的关键还要关注sts模型，应用上述知识进行解答对安培力的考查【例】如图，是磁电式电流表的结构，蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布，线圈中a、b两条导线长均为l，通以图示方向的电流i，两条导线所在处的磁感应强度大小均为b.则()a该磁场是匀强磁场b线圈平面总与磁场方向垂直c线圈将逆时针方向转动da、b导线受到的安培力大小总为ilb解析：该磁场是辐射状磁场，磁感应强度大小相等，但方向不同，a错误；线圈平面总与磁场方向平行，b错误；根据左手定则知右边导线受到向下的安培力，左边导线受到向上的安培力，因此线框将顺时针转动，c错误；因为两导线转到任意位置处的磁感应强度都为b，磁场方向与导线瞬时速度都垂直，故受到的安培力fbil，d正确答案：d带电粒子在磁场中的运动【例】如右图，两个初速度大小相同的同种离子a和b，从o点沿垂直磁场方向进入匀强磁场，最后打到屏p上，不计重力，下列说法正确的有()aa、b均带正电ba在磁场中飞行的时间比b的短ca在磁场中飞行的路程比b的短da在p上的落点与o点的距离比b的近解析：根据题述，由左手定则，带电粒子a、b均带正电，选项a正确由于a、b粒子做圆周运动的半径为：r相等，画出轨迹如右图， o1 、o2分别为a、b粒子运动轨迹所对的圆心，显然a粒子在磁场中运动轨迹对应的圆心角大于b, 由tt和轨迹图可知，a在磁场中飞行的时间比b的长，a在磁场中飞行的路程比b的长，a在p上的落点与o点的距离比b的近，选项d正确，b、c两项错误答案：ad一、选择题 1图中a、b、c、d为四根与纸面垂直的长直导线，其横截面位于正方形的四个顶点上，导线中通有大小相同的电流，方向如图所示一带正电的粒子从正方形中心o点沿垂直于纸面的方向向外运动，它所受洛伦兹力的方向是(b)a向上 b向下 c向左 d向右解析：在o点处，各电流产生的磁场的磁感应强度在o点叠加d、b电流在o点产生的磁场抵消，a、c电流在o点产生的磁场合矢量方向向左，带正电的粒子从正方形中心o点沿垂直于纸面的方向向外运动，由左手定则可判断出它所受洛伦兹力的方向向下，b选项正确2如图是荷质比相同的a、b两粒子从o点垂直匀强磁场进入正方形区域的运动轨迹，则(c)aa的质量比b的质量大ba带正电荷、b带负电荷ca在磁场中的运动速率比b的大da在磁场中的运动时间比b的长解析：根据粒子的运动轨迹知带电粒子都受到指向圆心的洛伦兹力，圆心在运动轨迹的下方，根据左手定则知两粒子都带负电，b错误；由半径公式r知，a粒子的半径大，则a粒子的速度大，c正确；由题给条件无法确定两带电粒子的质量关系，a错误；由周期公式t知，两粒子运动的周期相同，由tt，a粒子的运动轨迹所对应的圆心角小，故运动的时间短，d错误3空间有一圆柱形匀强磁场区域，该区域的横截面的半径为r，磁场方向垂直于横截面一质量为m、电荷量为q(q0)的粒子以速率v0沿横截面的某直径射入磁场，离开磁场时速度方向偏离入射方向60.不计重力该磁场的磁感应强度大小为(a)a. b.c. d.解析：画出带电粒子运动轨迹示意图，如图所示设带电粒子在匀强磁场中运动轨迹的半径为r，根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律，得qv0b，解得r.由图中几何关系可得：tan 30.联立解得：该磁场的磁感应强度b，选项a正确4如图所示，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转如果让这些不发生偏转的离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入后一磁场的离子，可得出结论(d)a它们的动能一定各不相同b它们的电量一定各不相同c它们的质量一定各不相同d它们的电量与质量之比一定各不相同解析：沿直线穿过电磁场区域的离子受力平衡，则bqveq，因此离子的速度均为v，进入右侧磁场后，分成三束，由r可知，离子的电量与质量之比一定不同，则d正确5如图，半径为r的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面(纸面)，磁感应强度大小为b，方向垂直于纸面向外，一电荷量为q(q0)、质量为m的粒子沿平行于直径ab的方向射入磁场区域，射入点与ab的距离为，已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60，则粒子的速率为(不计重力)(b)a. b.c. d.解析：画出粒子运动轨迹，由图中几何关系可知，粒子运动的轨迹半径等于r，由qvb可得：v，选项b正确61922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一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中正确的是(bd)a该束带电粒子带负电b速度选择器的上极板p1带正电c在b2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大d在b2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小解析：根据左手定则，可确定粒子带正电，a错误；由速度选择器中电场力和洛伦兹力方向相反可知，上板p1带正电，b正确；据qvb，r故可确定c错误，d正确7设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示，已知一离子在电场力和洛伦兹力的作用下，从静止开始自a点沿曲线acb运动，到达b点时速度为零，c点是运动的最低点，忽略重力，以下说法正确的是(bc)a该离子带负电荷ba点和b点位于同一高度c离子在c点时速度最大d离子到达b点时，将沿原曲线返回a点解析：根据左手定则，离子带正电，选项a错误；洛伦兹力不做功，离子a点和b点动能都为零，那么离子在a点和b点电势能相等，a点和b点位于同一高度，选项b正确；离子的电势能和动能之和是守恒的，离子在c点时电势能最小，所以动能最大，速度最大，选项c正确；离子到达b点时，将向b的右侧做周期性运动，不会沿原曲线返回a点，选项d错误二、非选择题8(2014广东高考)如图所示，足够大的平行挡板a1、a2竖直放置，间距6l.两板间存在两个方向相反的匀强磁场区域和，以水平面mn为理想分界面区的磁感应强度为b0，方向垂直纸面向外a1、a2上各有位置正对的小孔s1、s2，两孔与分界面mn的距离均为l.质量为m、电量为q的粒子经宽度为d的匀强电场由静止加速后，沿水平方向从s1进入区，并直接偏转到mn上的p点，再进入区p点与a1板的距离是l的k倍不计重力，碰到挡板的粒子不予考虑