江苏省南通市2023届高考物理一轮复习带点粒子在复合场中运动的应用学案（无答案）

江苏省南通市2023届高考物理一轮复习带点粒子在复合场中运动的应用学案（无答案）PAGEPAGE2带点粒子在复合场中运动的应用考纲解读：掌握速度选择器的工作原理和计算方法。掌握质谱仪的工作原理及其应用。知道磁流体发电机的发电原理。知道盘旋加速器的根本构造和加速原理。速度选择器的工作原理如下图,两板间分布有正交的匀强电场与匀强磁场,一束不考虑重力的带正电粒子+q以不同速度进入此正交复合场中.对带电粒子进行受力分析,受到洛伦兹力和静电力的作用.假设粒子在运动过程中不发生偏转,那么有F电=f洛,即qE=qvB,故v=.如果v'>v,那么向上偏转;如果v'<v,那么向下偏转.这样就可以把速度为v=的带电粒子选择出来.改变匀强电场或匀强磁场的大小,就可以选择出所需速度的带电粒子,这个装置就叫做速度选择器.注意:速度选择器只选择速度的大小而不选择粒子的种类,即粒子的速度只要满足v=就能沿直线匀速通过速度选择器,而与粒子的电性、电荷量、质量无关.【典题演示1】(单项选择)在如下图的平行板器件中,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,那么该粒子()A.一定带正电B.速度v=C.假设速度v>,粒子一定不能从板间射出D.假设此粒子从右端沿虚线方向进入,仍做直线运动练习一:如下图的平行板器件中,电场强度E和磁感应强度B相互垂直,具有不同水平速度的带电粒子从P孔射入后发生偏转的情况不同.利用这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器.假设正离子(不计重力)以水平速度v=射入速度选择器,那么()A.正离子从P孔射入后,能沿着图示虚线路径通过速度选择器B.正离子从Q孔射入后,能沿着图示虚线路径通过速度选择器C.仅改变离子的电性,负离子从P孔射入后,不能沿图示虚线路径通过速度选择器D.仅改变离子的电荷量,正离子从P孔射入后,不能沿图示虚线路径通过速度选择器小结:质谱仪的工作原理如下图,带电粒子(设初速度为零)经加速电压为U的加速电场加速,由动能定理qU=mv2,加速后得到的速度为v=,再垂直于磁场方向射入同一匀强磁场,在磁场中做匀速圆周运动,经半个圆周打到照相底片上,带电粒子运动半径r==.由于B与U的值是预先设定的,假设粒子所带电荷量q,那么可测出该带电粒子的质量m=,所以质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具.【典题演示2】(多项选择)(2022·盐城中学)如下图为某种质谱仪的工作原理示意图.此质谱仪由以下几局部构成:粒子源N;P、Q间的加速电场;静电分析器,即中心线半径为R的四分之一圆形通道,通道内有均匀辐射电场,方向沿径向指向圆心O,且与圆心O等距离的各点的电场强度大小相等;磁感应强度为B、方向垂直于纸面向外的有界匀强磁场;胶片MO.由粒子源发出的不同带电粒子经加速电场加速后进入静电分析器,某些粒子能沿中心线通过静电分析器并经小孔S垂直于磁场边界进入磁场,最终打到胶片上的某点.粒子从粒子源发出时的初速度不同,不计粒子所受的重力.以下说法中正确的选项是()A.从小孔S进入磁场的粒子的速度大小一定相等B.从小孔S进入磁场的粒子的动能一定相等C.打到胶片上同一点的粒子初速度大小一定相等D.打到胶片上位置距离O点越远的粒子,比荷越小练习二:(2022·如东中学)速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如下图,那么以下说法中正确的选项是()A.该束带电粒子带负电B.速度选择器的P1极板带正电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,粒子的比荷越小练习三：质谱仪是一种分析同位素的重要工具,它的构造原理如下图.离子源S产生质量为m、电荷量为q的钾离子,离子出来时速度很小,可视为零.离子经过电势差为U的电场加速后,沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场,经半圆周到达照相底片上的P点.(1)求粒子进入磁场时的速度v0.(2)求P点到入口S1的距离x.(3)在实验过程中由于仪器不完善,加速电压在平均值U附近变化±ΔU,求需要以多大相对精确度维持加速电压值,才能使钾39、钾41的同位素束在照相底片上不发生覆盖.小结:磁流体发电机的工作原理磁流体发电机的原理是大量等离子气体(高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的微粒)喷入磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上产生电势差,此时B板的电势高.设A、B平行金属板的面积为S,相距为d,喷入气体速度为v,板间磁场的磁感应强度为B,当等离子气体匀速通过A、B板间时,A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,即为电源电动势,此时离子受力平衡,q=qvB,电动势E=Bdv.【典题演示3】(多项选择)如下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变阻器R相连,等离子体以速度v平行于两金属板垂直射入磁场.假设要增大该发电机的电动势,可采取的方法是()A.增大d B.增大RC.增大B D.增大v电磁流量计的工作原理流量的定义为单位时间内流过某截面的体积,公式为Q==vS.如下图,一圆形导管直径为d,用非磁性材料制成,其中有可以导电的液体向左流动,导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转,a、b间出现电势差,当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时,得到q=qvB.a、b间的电势差就保持稳定,从而Q=vS=·π=.【典题演示4】(单项选择)为了诊断病人的心脏功能和动脉血液黏稠情况,需要测量血管中血液的流量.如下图为电磁流量计示意图,将血管置于磁感应强度为B的磁场中,测得血管两侧a、b两点间电压为U,血管的直径为d,那么血管中血液的流量Q(单位时间内流过的体积)为()B.C.D.练习四：如下图,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,与其前后外表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,那么()A.霍尔元件前外表的电势低于后外表B.假设电源的正、负极对调,电压表将反偏C.IH与I成正比D.电压表的示数与RL消耗的电功率成正比小结：盘旋加速器工作原理盘旋加速器的结构如下图,A和B是封在高度真空室内的两个半圆形盒,常称为D形盒.将D形盒与交流电源连接,在其缝隙内便产生交变电场.将两个D形盒放在电磁铁的两个磁极之间,使它处于垂直于D形盒平面的匀强磁场当中.将带电粒子引入两盒中央的P点,设这时电场恰好由B向A,粒子被加速进入A盒;粒子在盒内因受到磁场的作用而做圆周运动,待其运动到缝隙边缘时,电场恰好换向,粒子再次被加速而进入B盒,这样粒子一次又一次被加速,半径也一次次增大,最后被引出,形成高能粒子流.注意:缝隙很小,加速时间忽略不计,交变电压的周期必须与带电粒子做匀速圆周运动的周期相同,为T=,这样才能实现一直加速.【典题演示5】(单项选择)盘旋加速器的原理如下图.这台加速器由两个铜质D形盒构成,其间留有空隙.以下说法中正确的选项是()A.离子从电场中获得能量B.离子由加速器的边缘进入加速器C.加速电场的周期随离子速度的增大而增大D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关练习五：盘旋加速器是加速带电粒子的装置,其主体局部是两个D形金属盒.两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中,a、b分别与高频交流电源两极相连接.以下说法中正确的选项是()A.粒子从磁场中获得能量B.粒子从电场中获得能量C.带电粒子的运动周期是变化的D.增大金属盒的半径可使粒子射出时的动能增加练习五：如下图,盘旋加速器D形盒的半径为R,所加磁场的磁感应强度为B,被加速的质子从D形盒中央由静止出发,经交变电场加速后射出.设质子在磁场中做匀速圆周运动的周期为T,假设忽略质子在电场中的加速时间,那么以下说法中正确的选项是()A.如果只增大交变电压U,那么质子在加速器中运行时间将变短B.如果只增大交变电压U,那么电荷的最大动能会变大C.质子在电场中加速的次数越多,其最大动能越大D.高频交变电流的周期应为练习六:如下图为盘旋加速器的示意图.其核心局部是两个