高考物理一轮复习 专题42 带电粒子在复合场中的运动（测）（含解析）.doc

专题42 带电粒子在复合场中的运动【满分：110分 时间：90分钟】一、选择题(本大题共12小题，每小题5分，共60分。在每小题给出的四个选项中. 18题只有一项符合题目要求； 912题有多项符合题目要求。全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。)1关于电荷所受电场力和洛伦兹力，正确的说法是： （ ）a电荷在磁场中一定受洛伦兹力作用 b电荷在电场中一定受电场力作用c电荷所受电场力一定与该处电场方向一致 d电荷所受的洛伦兹力不一定与磁场方向垂直【答案】b【名师点睛】只要电荷在电场中一定有电场力，而电荷在磁场中静止，则一定没有磁场力，而电荷在磁场中运动，才可能有洛伦兹力，当运动方向与磁场垂直时，洛伦兹力最大。2电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感强度为b的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻r的电流表的两端连接，i表示测得的电流值。已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为： （ ）a b c d【答案】a【解析】最终稳定时有：则；根据电阻定律，则总电阻r总=r+r所以解得，所以流量故a正确【名师点睛】首先要知道电磁流量计的原理：当导电流体稳定地流经流量计时，正负电荷受洛伦兹力发生偏转，在上下表面间形成电势差，最终稳定时，电荷所受电场力与洛伦兹力平衡；解决本题的关键掌握左手定则判断洛伦兹力的方向，以及掌握欧姆定律和电阻定律的运用. 3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，已知一离子在静电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，下述说法中不正确的是： （ ）a这离子必带正电荷 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点后，将沿原曲线返回a点【答案】d【名师点睛】此题考查了带电粒子在复合场中的运动；要首先掌握左手定则来判断洛伦兹力的方向，同时要知道洛伦兹力是不做功的，粒子运动时只有重力做功；此题是中等题，考查学生基本规律的掌握程度及灵活运用能力.4如图所示，套在足够长的绝缘粗糙直棒上的带正电小球，其质量为m，带电量为q，小球可在棒上滑动，小球与棒的动摩擦因数为，现将此棒竖直放入沿水平方向的且互相垂直的匀强磁场和匀强电场中，设小球电量不变，电场强度为e，方向水平向右，磁感应强度为b，小球沿棒由静止开始下滑，则下列说法错误的是： （ ）a小球下落的最大加速度是gb小球下落的最大速度是c当电场反向时，小球下落的最大加速度是gd当电场反向时，小球下落的最大速度是【答案】c【名师点睛】本题是带电粒子在复合场中的运动问题；解题的关键是明确小球的运动情况，先做加速度增加的加速运动，然后做加速度减小的加速运动，当加速度减为零时，速度最大。5如图所示，空间存在正交的匀强电场和匀强磁场，匀强电场方向竖直向上，匀强磁场的方向垂直纸面向里有一内壁光滑、底部有带正电小球的试管在水平拉力f作用下，试管向右匀速运动，带电小球能从试管口处飞出已知小球质量为m，带电量为q，场强大小为e.关于带电小球及其在离开试管前的运动，下列说法中不正确的是： （ ） a洛伦兹力不做功b电场力做正功c小球运动轨迹为拋物线 d水平拉力f大小不变【答案】d【名师点睛】本题是关于带电粒子在复合场中的运动问题；关键是分析小球在两个方向上的受力情况及运动情况，小球做类平抛运动，其研究方法与平抛运动类似：运动的合成与分解，其轨迹是抛物线本题采用的是类比的方法理解小球的运动6目前有一种磁强计，用于测定地磁场的磁感应强度磁强计的原理如下图所示，电路有一段金属导体，它的横截面是宽为a、高为b的长方形，放在沿y轴正方向的匀强磁场中，导体中通有沿x轴正方向、大小为i的电流已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子电荷量为e，金属导电过程中，自由电子所做的定向移动可视为匀速运动两电极m、n均与金属导体的前后两侧接触，用电压表测出金属导体前后两个侧面间的电势差为u则磁感应强度的大小和电极m、n的正负为： （ ）a，m正、n负 b，m负、n正c，m负、n正 d，m正、n负【答案】c【解析】根据左手定则知，电子向外侧偏转，则导体m极为负极，n极为正极。自由电子做定向移动，视为匀速运动，速度设为，则单位时间内前进的距离为，对应体积为，此体积内含有的电子个数为：，电量为：，有电子受电场力和洛伦兹力平衡，有解得：，故c正确，abd错误。【名师点睛】解决本题的关键掌握左手定则判定洛伦兹力的方向，以及知道最终电子受电场力和洛伦兹力处于平衡。7如图所示，一个带正电的滑环套在水平且足够长的粗糙的绝缘杆上，整个装置处于方向如图所示的匀强磁场中，现给滑环一个水平向右的瞬时作用力，使其由静止开始运动，则滑环在杆上运动情况不可能的是： （ ）a、始终做匀速运动b、始终做减速运动，最后静止于杆上c、先做加速运动，最后做匀速运动d、先做减速运动，最后做匀速运动【答案】c【名师点睛】给滑环套一个初速度，将受到向上的洛伦兹力，根据洛伦兹力和重力的大小关系，结合牛顿第二定律判断滑环的运动；解决本题的关键掌握左手定则判断洛伦兹力的方向，以及会根据物体的受力判断物体的运动情况。8如图所示，在竖直虚线mn和之间区域内存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场，一带电粒子（不计重力）以初速度由a点进入这个区域，带电粒子沿直线运动，并从c点离开场区，如果撤去磁场，该粒子将从b点离开场区；如果撤去电场，该粒子将从d点离开场区，则下列判断正确的是： （ ）a、该粒子由b、c、d三点离开场区时的动能相同b、该粒子由a点运动到b、c、d三点的时间均不相同c、匀强电场的场强e与匀强磁场的磁感应强度b之比d、若该粒子带负电，则电场方向竖直向下，磁场方向垂直于纸面向外【答案】c【解析】洛伦兹力不做功，不改变粒子的动能，而电场力做正功，粒子的动能增大，则粒子由c、d两点离开场区时的动能相同，小于从b点离开场区的动能故a错误；粒子在正交的电磁场中与只有电场时运动时间相等，为；粒子在磁场中运动时间为，由于，则知粒子在磁场中运动时间最长故b错误；带电粒子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场做匀速直线运动，电场力与洛伦兹力平衡，则 qe=qv0b，得，故c正确；若该粒子带负电，则知电场方向竖直向下，由左手定则判断得知，磁场方向垂直于纸面向里，故d错误。【名师点睛】洛伦兹力不做功，不改变粒子的动能只有电场时，粒子水平方向做匀速直线运动，可得到时间与水平位移ac的关系；只有磁场时，粒子做匀速圆周运动，可得到时间与弧长的关系，即可比较时间关系带电粒子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场做匀速直线运动，电场力与洛伦兹力平衡根据左手定则判断磁场的方向。9一微粒质量为m带负电荷，电荷量大小是q，如图所示，将它以一定初速度在磁场中p点释放以后，它就做匀速直线运动，已知匀强磁场的磁感应强度为b，空气对微粒的阻力大小恒为f，则关于微粒做匀速直运动下列描述中正确的是 ： （ ）a微粒不可能沿竖直方向运动b微粒可能沿水平方向运动c微粒做匀速运动时的速度v大小为d微粒做匀速运动时的速度v大小为【答案】ac洛伦兹力等大反向，由平衡条件可得：，则微粒运动的速度：，故c正确，d错误；故选：ac。【名师点睛】分析微粒的受力情况，受重力、阻力和洛伦兹力作用，根据微粒做直线运动，洛伦兹力与速度方向垂直，阻力与速度方向相反，洛伦兹力与阻力垂直，所以微粒必是匀速直线运动，则此三力是平衡力，微粒既不能沿水平方向运动，也不能沿竖直方向运动，即可求出微粒运动的速度。10如图所示，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：uh=k，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： （ ）a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【答案】cd【名师点睛】霍尔元件是用来测量磁场中某处的磁感应强度的一种元件，其原理是洛伦兹力与由霍尔电压产生的电场使运动电荷平衡时电荷不再向前后表面偏转。11如图所示，回旋加速器d形盒的半径为r，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为u时并被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为e后，由a孔射出。下列说法正确的是： （ ）ad形盒半径r、磁感应强度b不变，若加速电压u越高,质子的能量e将越大b磁感应强度b不变，若加速电压u不变, d形盒半径r越大、质子的能量e将越大cd形盒半径r、磁感应强度b不变，若加速电压u越高,质子的在加速器中的运动时间将越长dd形盒半径r、磁感应强度b不变，若加速电压u越高,质子的在加速器中的运动时间将越短【答案】bd【名师点睛】回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器，根据洛伦兹力提供向心力和动能定理列式分析求解；解决本题的关键知道回旋加速器是利用电场加速、磁场偏转来加速粒子，但是最终粒子的动能与电场的大小无关，电压决定加速的总时间。12如图所示，质量为m，带电量为+q的三个相同的带电小球，a、b、c，从同一高度以初速度水平抛出，b球处于竖直向下的匀强磁场中，c球处于垂直纸面向里的匀强电场中，它们落地的时间分别为，落地时的速度大小分别为，则以下判断正确的是： （ ）a b c d【答案】ad【名师点睛】本题是电场、磁场、重力场问题的综合应用，注意对物体受力情况的分析，要灵活运用运动的合成与分解，不涉及到运动过程的题目可以运用动能定理去解决，简洁、方便该题难度较大二、非选择题（本大题共4小题，第13、14题每题10分；第15、16题每题15分；共50分）13（10分）如图所示，一个质量为m,电荷量+q的带电微粒（重力忽略不计），从静止开始经u1电压加速后，水平进入两平行金属板间的偏转电场中，金属板长l，两板间距d，微粒射出偏转电场时的偏转角=30，并接着进入一个方向垂直纸面向里的匀强磁场区域求：（1）两金属板间的电压u2的大小；（2）若该匀强磁场的宽度为d，为使带电微粒不会由磁场右边射出，该匀强磁场的磁感应强度b至少多大。【答案】（1）（2）【解析】（1）带电微粒经加速电场加速后速率为v1，根据动能定理有u1q=mv12粒子经u2电压偏转，有 解得：【名师点睛】本题属于带电粒子在组合场中的运动，在电场中做类平抛运动时通常将运动分解为平行于电场方向与垂直于电场两个方向或借助于动能定理解决问题。14（10分）如图所示，在虚线所示宽度范围内，用场强为e的匀强电场可使初速度是v0的某种正离子偏转角在同样宽度范围内，若改用方向垂直纸面向外的匀强磁场（磁场在图中未画出），使该离子穿过该区域，并使偏转角也为，（不计离子的重力）求：（1）匀强磁场的磁感应强度是多大？（2）离子穿过电场和磁场的时间之比是多大？【答案】【解析】（1）设粒子的质量m，电荷量q，场区宽度l，粒子在电场中做类平抛运动 由得：粒子在磁场中做匀速圆周运动由解得：由式解得： 【名师点睛】本题是离子分别在电场中和磁场中运动的问题，要抓住研究方法的区别：磁场中画出轨迹是常用的方法，电场中运动的合成与分解是基本方法，两种方法不能混淆。 15（15分）正负电子对撞机是使正负电子以相同速率对撞（撞前速度在同一直线上的碰撞）并进行高能物理研究的实验装置（如图甲），该装置一般由高能加速器（同步加速器或直线加速器）、环形储存室（把高能加速器在不同时间加速出来的电子束进行积累的环形真空室）和对撞测量区（对撞时发生的新粒子、新现象进行测量）三个部分组成为了使正负电子在测量区内不同位置进行对撞，在对撞测量区内设置两个方向相反的匀强磁场区域对撞区域设计的简化原理如图乙所示：mn和pq为足够长的竖直边界，水平边界ef将整个区域分成上下两部分，区域的磁场方向垂直纸面向内，区域的磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度大小均为b现有一对正负电子以相同速率分别从注入口c和注入口d同时水平射入，在对撞测量区发生对撞已知两注入口到ef的距离均为d，边界mn和pq的间距为l，正电子的质量为m，电量为+e，负电子的质量为m，电量为-e（1）试判断从注入口c入射的是正电子还是负电子；（2）若l=4d，要使正负电子经过水平边界ef一次后对撞，求正负电子注入时的初速度大小；（3）若只从注入口c射入电子，间距l=13（2-）d，要使电子从pq边界飞出，求电子射入的最小速率，及以此速度入射到从pq边界飞出所需的时间【答案】