陕西省西安市2013届高三物理二轮复习能力演练 专题4 带电粒子在电场和磁场中的运动

1 陕西省西安市陕西省西安市 20132013 届高三物理二轮复习能力演练届高三物理二轮复习能力演练 专题专题 4 4 带电带电 粒子在电场和磁场中的运动粒子在电场和磁场中的运动 一 选择题 10 4 分 1 如图所示 真空中O点有一点电荷 在它产生的电场中有a b两点 a点的场强 大小为Ea 方向与ab连线成 60 角 b点的场强大小为Eb 方向与ab连线成 30 角 关 于a b两点的场强大小Ea Eb及电势 a b的关系 以下结论正确的是 A Ea a b Eb 3 B Ea Eb a b 3 C Ea 3Eb a b D Ea 3Eb a b 解析 由题图可知O点处为负电荷 故 b a 又因为Ea Eb kQ Oa2 kQ Ob2 可得Ea 3Eb kQ r 3 Oa 2 答案 D 2 一正电荷处于电场中 在只受电场力作用下从A点沿直线运动到B点 其速度随时 间变化的图象如图所示 tA tB分别对应电荷在A B两点的时刻 则下列说法中正确的有 A A处的场强一定大于B处的场强 B A处的电势一定低于B处的电势 C 正电荷在A处的电势能一定大于B处的电势能 D 由A至B的过程中 电场力一定对正电荷做负功 解析 由题图知正电荷在做加速越来越小的加速运动 说明电场线的方向为 A B 可知 A B EA EB A B 由A至B的过程中 电场力一定对正电荷做正 功 答案 AC 3 如图所示 带正电的粒子以一定的初速度v0沿中线进入水平放置的平行金属板内 恰好沿下板的边缘飞出 已知板长为L 板间的电压为U 带电粒子所带电荷量为q 粒子 通过平行金属板的时间为t 不计粒子的重力 则 A 粒子在前 时间内 电场力对粒子做的功为 t 2 qU 4 B 粒子在后 时间内 电场力对粒子做的功为 t 2 3qU 8 C 粒子在竖直方向的前 和后 位移内 电场力做的功之比为 1 2 d 4 d 4 D 粒子在竖直方向的前 和后 位移内 电场力的冲量之比为 1 1 d 4 d 4 2 解析 粒子在匀强电场中运动 电场力做的功为 W电 qUAB q E y 其中y为粒子在电场方向的位移 又由题意知 at2 a 2 1 2 d 2 1 2 t 2 d 8 故在前 内电场力做的功W1 qU 在后 内电场力做的功W2 t 2 1 8 t 2 3qU 8 前后 位移内电场力做的功之比为 1 1 d 4 又从静止开始的匀加速直线运动通过连续相等位移的时间之比为 1 1 23 243 故I前 I后 1 1 2 答案 B 4 如图所示 在一正交的电场和磁场中 一带电荷量为 q 质量为m的金属块沿倾 角为 的粗糙绝缘斜面由静止开始下滑 已知电场强度为E 方向竖直向下 磁感应强度 为B 方向垂直纸面向里 斜面的高度为h 金属块滑到斜面底端时恰好离开斜面 设此时 的速度为v 则 A 金属块从斜面顶端滑到底端的过程中 做的是加速度逐渐减小的加速运动 B 金属块从斜面顶端滑到底端的过程中 机械能增加了qEh C 金属块从斜面顶端滑到底端的过程中 机械能增加了mv2 mgh 1 2 D 金属块离开斜面后将做匀速圆周运动 解析 金属块在下滑的过程中 随着速度的增大 洛伦兹力增大 对斜面的压力减 小 故摩擦力f mg qE qvB 不断减小 金属块做加速度逐渐增大的加速运动 选项 A 错误 又由功能关系得 E机 W电 Wf qEh 选项 B 错误 机械能的变化量为 E机 Ek Ep mv2 mgh 选项 C 正确 1 2 由题意知 mg qE 故离开斜面后金属块不可能做匀速圆周运动 选项 D 错误 答案 C 5 如图所示 充电的两平行金属板间有场强为E的匀强电场和方向与电场垂直 垂直 纸面向里 的匀强磁场 磁感应强度为B 构成了速度选择器 氕核 氘核 氚核以相同的 动能 Ek 从两极板中间垂直于电场和磁场射入速度选择器 且氘核沿直线射出 不计粒子 的重力 则射出时 A 动能增加的是氚核B 动能增加的是氕核 C 偏向正极板的是氚核D 偏向正极板的是氕核 解析 带电粒子直线通过速度选择器的条件为 v0 E B 3 对于氘核 qE qB 2Ek 2m0 对于氕核 qE qB 向正极偏转 动能减少 2Ek m0 对于氚核 qE qB 向负极偏转 动能增加 2Ek 3m0 答案 AD 6 如图所示 竖直放置的两个平行金属板间有匀强电场 在两板之间等高处有两个质 量相同的带电小球 P小球从紧靠左极板处由静止开始释放 Q小球从两板正中央由静止开 始释放 两小球最后都能打在右极板上的同一点 则从开始释放到打到右极板的过程中 A 它们的运行时间tP tQ B 它们的电荷量之比qP qQ 2 1 C 它们的动能增加量之比 EkP EkQ 4 1 D 它们的电势能减少量之比 EP EQ 2 1 解析 将两小球的运动都沿水平和竖直正交分解 竖直的分运动都为自由落体运动 故它们从开始释放到打在右极板的过程中运行时间相等 选项 A 错误 对于水平分运动 有 t2 t2 1 2 qPE m qQE m 故知qP qQ 2 1 选项 B 正确 P球动能的增量 EkP mgh qPE d Q球动能的增量 EkQ mgh qQE mgh qPE d 选项 C 错误 d 2 1 4 同理 EP qPE d EQ qQE 可得 EP EQ 4 1 选项 D 错误 d 2 答案 B 7 均匀分布着等量异种电荷的半径相等的半圆形绝缘杆被正对着固定在同一平面上 如图所示 AB是两种绝缘杆所在圆圆心连线的中垂线而且与二者共面 该平面与纸面平行 有一磁场方向垂直于纸面 一带电粒子 重力不计 以初速度v0一直沿直线AB运动 则 A 磁场是匀强磁场 B 磁场是非匀强磁场 C 带电粒子做匀变速直线运动 D 带电粒子做变加速运动 解析 由对称性知直线AB上的电场方向与AB垂直 又由两绝缘杆的形状知AB上的 电场并非处处相等 在AB上的每一点 由平衡条件知qE qvB 故知磁场为非匀强磁场 带电粒子做匀速直线运动 答案 B 8 如图所示 带电粒子在没有电场和磁场的空间内以速度v0从坐标原点O沿x轴方 向做匀速直线运动 若空间只存在垂直于xOy平面的匀强磁场时 粒子通过P点时的动能 为Ek 当空间只存在平行于y轴的匀强电场时 则粒子通过P点时的动能为 4 A EkB 2EkC 4EkD 5Ek 解析 由题意知带电粒子只受电场力或洛伦兹力的作用 且有Ek mv02 1 2 当空间只存在电场时 带电粒子经过P点 说明 vPy t v0 t 10 cm 即vPy 2v0 1 2 由动能的定义可得 EkP mv02 mvPy2 5Ek 1 2 1 2 答案 D 9 如图所示 一个带电荷量为 Q 的点电荷甲固定在绝缘平面上的O点 另一个带电 荷量为 q 质量为m的点电荷乙 从A点以初速度v0沿它们的连线向甲滑行运动 运动 到B点静止 已知静电力常量为k 点电荷乙与水平面的动摩擦因数为 A B间的距离 为s 下列说法正确的是 A O B间的距离为 kQq mg B 点电荷乙从A运动到B的运动过程中 中间时刻的速度小于 v0 2 C 点电荷乙从A运动到B的过程中 产生的内能为mv02 1 2 D 在点电荷甲产生的电场中 A B两点间的电势差UAB m v02 2 gs 2q 解析 由题意知电荷乙做加速度越来越小的减速运动 v t图象如图所示 可知点 电荷乙从A运动到B的中间时刻的速度vC 故选项 B 正确 这一过程一直有 v0 2 mg 故sOB 选项 A 错误 kQq r2 kQq mg 点电荷乙由A运动到B的过程中 电场力做正功 设为W 由动能定理得 W mgs 0 mv02 1 2 可得 此过程中产生的内能Q mgs W mv02 选项 C 错误 1 2 由上可知 A B两点间的电势差为 UAB 选项 D 正确 W q 1 2mv02 mgs q 答案 BD 5 10 如图甲所示 在第 象限内有水平向右的匀强电场 电场强度为E 在第 象限内分别存在如图所示的匀强磁场 磁感应强度大小相等 有一个带电粒子以垂直于x 轴的初速度v0从x轴上的P点进入匀强电场中 并且恰好与y轴的正方向成 45 角进入磁 场 又恰好垂直进入第 象限的磁场 已知OP之间的距离为d 则带电粒子在磁场中第二 次经过x轴时 在电场和磁场中运动的总时间为 甲 A B 2 5 7 d 2v0 d v0 C 2 D 2 d v0 3 2 d v0 7 2 解析 带电粒子的运动轨迹如图乙所示 由题意知 带电粒子到达y轴时的速度 v v0 这一过程的时间t1 2 d v0 2 2d v0 又由题意知 带电粒子在磁场中的偏转轨道半径r 2d 2 乙 故知带电粒子在第 象限中的运动时间为 t2 3 m 4Bq 3 2 d 2v 3 d 2v0 带电粒子在第 象限中运动的时间为 t3 2 d v0 故t总 2 d v0 7 2 答案 D 二 非选择题 共 60 分 11 6 分 在 用描迹法画出电场中平面上的等势线 的实验中 所用灵敏电流表的 指针偏转方向与电流的关系是 当电流从正接线柱流入电流表时 指针偏向正接线柱一 侧 6 1 某同学在实验中接通电源开关 将两表笔E1 E2在导电纸上移动 不管怎样移动 表针都不偏转 经检查 电源与电流表均完好 则产生这一现象的原因可能是 2 排除故障后 用这个电表探测基准点 2 两侧的等势点时 将电流表正接线柱的E1 接在基准点 2 上 如图所示 把负接线柱的E2接在纸上某一点 若发现电表的指针发生了 偏转 该同学移动E2的方向正确的是 A 若电表的指针偏向正接线柱一侧 E2向右移动 B 若电表的指针偏向正接线柱一侧 E2向左移动 C 若电表的指针偏向负接线柱一侧 E2向右移动 D 若电表的指针偏向负接线柱一侧 E2向左移动 答案 1 导电纸导电一面向下 3 分 2 BC 3 分 12 6 分 用示波器观察频率为 900 Hz 的正弦电压信号 把该信号接入示波器 Y 输 入 1 当屏幕上出现如图所示的波形时 应调节 旋钮 如果正弦波的正负半周均超 出了屏幕的范围 应调节 旋钮或 旋钮 或这两个钮配合使用 以使正弦波的 整个波形出现在屏幕内 2 如需要屏幕上正好出现一个完整的正弦波形 应将 旋钮置于 位置 然 后调节 旋钮 答案 1 竖直位移 或 衰减 或衰减调节 Y 增益 每空 1 分 2 扫描范围 1 k 挡位 扫描微调 每空 1 分 13 10 分 一种半导体材料称为 霍尔材料 用它制成的元件称为 霍尔元件 这 种材料内有一种称为 载流子 的可定向移动的电荷 每个载流子的电荷量 q 1 6 10 19C 霍尔元件在自动检测 控制领域得到广泛应用 如录像机中用来测量录 像磁鼓的转速 电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断 等 在一次实验中 由一块霍尔材料制成的薄板宽L1 ab 1 0 10 2 m 长 bc L2 4 0 10 2 m 厚h 1 0 10 3 m 水平放置在竖直向上的磁感应强度B 1 5 T 的匀强磁场中 bc方向通有I 3 0 A 的电流 如图所示 沿宽度产生 1 0 10 5 V 的横 向电压 7 1 假定载流子是电子 则a b两端哪端的电势较高 2 薄板中形成电流I的载流子定向运动的速度是多少 解析 1 根据左手定则可确定a端电势较高 3 分 2 当导体内有载流子沿电流方向所在的直线做定向运动时 受到洛伦兹力的作用而产 生横向分运动 产生横向电场 横向电场的电场力与载流子所受到的洛伦兹力平衡时 导 体横向电压稳定 设载流子沿电流方向所在的直线做定向运动的速率为v 横向电压为 Uab 横向电场强度为E 则 电场力FE qE 2 分 qUab L1 磁场力FB qvB 2 分 平衡时FE FB 1 分 解得 v 6 7 10 4 m s 2 分 答案 1 a端电势较高 2 6 7 10 4 m s 14 10 分 图甲为电视机中显像管的工作原理示意图 电子枪中的灯丝加热阴极使电 子逸出 这些电子再经加速电场加速后 从O点进入由磁偏转线圈产生的偏转磁场中 经 过偏转磁场后打到荧光屏MN上 使荧光屏发出荧光形成图像 不计逸出电子的初速度和重 力 已知电子的质量为m 电荷量为e 加速电场的电压为U 偏转线圈产生的磁场分布在 边长为l的正方形abcd区域内 磁场方向垂直纸面 且磁感应强度B随时间t的变化规律 如图乙所示 在每个周期内磁感应强度B都是从 B0均匀变化到B0 磁场区域的左边界的 中点与O点重合 ab边与OO 平行 右边界bc与荧光屏之间的距离为s 由于磁场区域 较小 且电子运动的速度很大 所以在每个电子通过磁场区域的过程中 可认为磁感应强 度不变 即为匀强磁场 不计电子之间的相互作用 1 求电子射出电场时的速度大小 2 为使所有的电子都能从磁场的bc边射出 求偏转线圈产生磁场的磁感应强度的最 大值 3 若所有的电子都能从bc边射出 求荧光屏上亮线的最大长度是多少 解析 设电子射出电场的速度为v 则根据动能定理 对电子的加速过程有 mv2 eU 1 分 1 2 解得 v 1 分 2eU m 2 当磁感应强度为B0或 B0时 垂直于纸面向外为正方向 电子刚好从b点或c点 射出 1 分 8 丙 设此时圆周的半径为R 如图丙所示 根据几何关系有 R2 l2 R 2 1 分 l 2 解得 R 1 分 5l 4 电子在磁场中运动 洛伦兹力提供向心力 因此有 evB0 m 1 分 v2 R 解得 B0 1 分 4 5l 2mU e 3 根据几何关系可知 tan 1 分 4 3 设电子打在荧光屏上离O 点的最大距离为d 则 d stan 1 分 l 2 l 2 4s 3 由于偏转磁场的方向随时间变化 根据对称性可知 荧光屏上的亮线最大长度为 D 2d l 1 分 8s 3 答案 1 2 3 l 2eU m 4 5l 2mU e 8s 3 15 12 分 如图甲所示 在平面直角坐标系xOy中的第一象限内存在磁感应强度大小 为B 方向垂直于坐标平面向内的有界圆形匀强磁场区域 图中未画出 在第二象限内存 在沿x轴负方向的匀强电场 一粒子源固定在x轴上的A点 A点坐标为 L 0 粒子源 沿y轴正方向释放出速度大小为v的电子 电子恰好能通过y轴上的C点 C点坐标为 0 2L 电子经过磁场偏转后恰好垂直通过第一象限内与x轴正方向成 15 角的射线 ON 已知电子的质量为m 电荷量为e 不考虑粒子的重力和粒子之间的相互作用 求 甲 1 第二象限内电场强度E的大小 2 电子离开电场时的速度方向与y轴正方向的夹角 3 圆形磁场的最小半径Rm 解析 1 从A到C的过程中 电子做类平抛运动 有 L t2 1 分 eE 2m 2L vt 1 分 9 联立解得 E 1 分 mv2 2eL 2 设电子到达C点的速度大小为vC 方向与y轴正方向的夹角为 由动能定理 有 mvC2 mv2 eEL 2 分 1 2 1 2 乙 解得 vC v 2 cos 1 分 v vC 2 2 解得 45 1 分 3 电子的运动轨迹图如图乙所示 电子在磁场中做匀速圆周运动的半径r mvC eB 1 分 2mv eB 电子在磁场中偏转 120 后垂直于ON射出 则磁场最小半径为 Rm rsin 60 PQ 2 2 分 由以上两式可得 Rm 1 分 6mv 2eB 答案 1 2 45 3 mv2 2eL 6mv 2eB 16 13 分 如图甲所示 竖直挡板MN的左侧空间有方向竖直向上的匀强电场和垂直 纸面向里的水平匀强磁场 电场和磁场的范围足够大 电场强度的大小E 40 N C 磁感 应强度的大小B随时间t变化的关系图象如图乙所示 选定磁场垂直纸面向里为正方 向 在t 0 时刻 一质量m 8 10 4 kg 带电荷量q 2 10