高考物理必备专题18之12 磁场的联系实际的新情景问题（解析版）

专题12磁场的最新“联系实际的新情景问题”本章主要考查电流的磁效应、安培力、带电粒子在磁场中运动的问题，主要涉及各种电流产生的磁场、安培力的大小和方向、带电粒子在洛伦兹力作用下的运动，主要体现一是电流磁效应主要结合安培力的大小和方向、静电力平衡、安培力做功等问题考查；二是匀强磁场中带电粒子做圆周运动，主要涉及群发粒子的收集比例问题；三是带电粒子在复合场的运动主要涉及叠加和不叠加两种形式，本章洛伦兹力在现代科技中的应用问题，高考广泛联系实际考查。1.（2022·广东广州市综合测试)如图，高压输电线上使用“正方形间隔棒”支撑导线、、、，目的是固定导线间距，防止导线相碰．的几何中心为O，当四根导线通有等大同向电流时（）A.几何中心O点的磁感应强度不为零B.几何中心O点的磁感应强度为零C.对的安培力小于对的安培力D.所受安培力的方向沿正方形的对角线方向【答案】BD【解析】因四条导线中的电流大小相等，O点与四条导线的距离均相等，由右手定则和对称性可知，L1在O点的磁感应强度与L3在O点的磁感应强度等大反向，L2在O点的磁感应强度与L4在O点的磁感应强度等大反向，所以四条导线在O点的磁感应强度等于0，故A错误，B正确；C．L2相比L3，离L1更近些，处于L1较强的磁场区域，由安培力大小与B成正比可知，对的安培力大于对的安培力，故C错误；D．根据“同向电流吸引，反向电流排斥”的推论可知，L1受其余三条导线的吸引力分别指向三条导线，根据对称性，L2与L4对L1的安培力大小相等，所以两者合力指向ac方向，再与L3对L1的安培力（沿ac方向）合成，总安培力方向沿正方形的对角线方向，故D正确。2.（多选）（2022·江西南昌市·南昌十中月考）高纬度地区的高空，大气稀薄，常出现美丽的彩色“极光”。极光是由太阳发射的高速带电粒子受地磁场的影响，进入两极附近时，撞击并激发高空中的空气分子和原子引起的。假如我们在北极地区仰视，发现正上方如图所示的弧状极光，则关于这一现象中高速粒子的说法正确的是（）A．高速粒子带正电 B．粒子轨迹半径逐渐增大C．仰视时，粒子沿逆时针方向运动 D．仰视时，粒子沿顺时针方向运动【答案】AD【解析】在北极上空有竖直向下的磁场，带电粒子运动的轨迹由地面上看沿顺时针方向，则由左手定则得粒子带正电，故C错误，A、D正确；运动过程中粒子因空气阻力做负功，粒子的动能变小，速度减小，根据公式得，则半径变小，故B错误。3.（2022·全国高考乙卷试题·T18）安装适当的软件后，利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图，在手机上建立直角坐标系，手机显示屏所在平面为xOy面。某同学在某地对地磁场进行了四次测量，每次测量时y轴指向不同方向而z轴正向保持竖直向上。根据表中测量结果可推知（）测量序号Bx/μTBy/μTBz/μT1021-4520-20-463210-454-210-45A.测量地点位于南半球B.当地的地磁场大小约为50μTC第2次测量时y轴正向指向南方D.第3次测量时y轴正向指向东方【答案】BC【解析】如图所示地球可视为一个磁偶极，磁南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。由表中z轴数据可看出z轴的磁场竖直向下，则测量地点应位于北半球，A错误；磁感应强度为矢量，故由表格可看出此处的磁感应强度大致为，计算得B≈50μT，B正确；由选项A可知测量地在北半球，而北半球地磁场指向北方斜向下，则第2次测量，测量，故y轴指向南方，第3次测量，故x轴指向北方而y轴则指向西方，C正确、D错误。4.（2022·广东佛山市二模）13．据报道，我国空间站安装了现代最先进的霍尔推进器用以空间站的轨道维持。如图乙，在很窄的圆环空间内有沿半径向外的磁场1，其磁感强度大小可近似认为处处相等；垂直圆环平面同时加有匀强磁场2和匀强电场（图中没画出），磁场1与磁场2的磁感应强度大小相等，已知电子电量为e，质量为m，若电子恰好可以在圆环内沿顺时针方向做半径为R、速率为v的匀速圆周运动。则以下说法正确的是（）A．电场方向垂直环平面向外 B．电子运动周期为C．垂直环平面的磁感强度大小为 D．电场强度大小为【答案】BCD【解析】根据左手定则可知电子在圆环内受到沿半径向外的磁场1的洛伦兹力方向垂直环平面向里，电场力需要与该洛伦兹力平衡，电场力方向应垂直环平面向外，由于电子带负电，故电场方向垂直环平面向里，A错误；B．电子在圆环内沿顺时针方向做半径为、速率为的匀速圆周运动，则电子运动周期为B正确；C．电子在圆环内受到磁场2的洛伦兹力提供电子做圆周运动的向心力，则有解得C正确；D．电子在垂直环平面方向受力平衡，则有解得D正确；5.（2022·福建高三一模）特高压直流输电是国家重点能源工程。如图所示为特高压直流输电塔仰视图，两根等高、相互平行的水平长直导线分别通有方向相同的电流和，。a、b、c三点连线与两根导线等高并垂直，b点位于两根导线间的中点，a、c两点与b点距离相等，d点位于b点正下方。不考虑地磁场的影响，则（）A．a点处的磁感应强度方向竖直向上 B．b点处的磁感应强度大小为零C．c点处的磁感应强度方向竖直向上 D．d点处的磁感应强度大小为零BC【解析】由安培定则可知，两电流产生的磁场在a处都是竖直向下，则两电流的合磁场在a处方向竖直向下，A错误；根据安培定则可知，电流I1产生的磁场在b处，和电流I2产生的磁场在b处，由于，则两根导线在b处的磁感应强度大小相同，方向相反，B正确；由安培定则可知，两电流产生的磁场在c处都是竖直向上，则两电流的合磁场在c处方向竖直向上，C正确；根据安培定则，两电流产生的磁场在d点处的磁场方向分别为斜右上方和斜右下方，两者的和场强不为零，D错误。6.（2022·江苏省百校联考高三下学期5月三模）1930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形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氚核（）加速，所需的高频电源的频率为f，已知元电荷为e，下列说法正确的是（）A.被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大B.高频电源的电压越大，氚核最终射出回旋加速器的速度越大C.氚核的质量为D.该回旋加速器接频率为f的高频电源时，也可以对氦核（）加速C【解析】根据周期公式可知，被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而不变。A错误；设D形盒的半径为R，则最终射出回旋加速器的速度满足，即有，最终射出回旋加速器的速度与频率无关。B错误；根据周期公式可知C正确；因为氚核（）与氦核（）的荷质比不同，所以不能用来加速氦核（）。D错误。7.（2022·浙江高二月考）如图甲，用强磁场将百万度高温的等离子体（等量的正离子和电子）约束在特定区域实现受控核聚变的装置叫托克马克。我国托克马克装置在世界上首次实现了稳定运行100秒的成绩。多个磁场才能实现磁约束，其中之一叫纵向场，图乙为其横截面的示意图，越靠管的右侧磁场越强。尽管等离子体在该截面上运动的曲率半径远小于管的截面半径，但如果只有纵向场，带电粒子还会逐步向管壁“漂移”，导致约束失败。不计粒子重力，下列说法正确的是（）A．正离子在纵向场中沿逆时针方向运动B．发生漂移是因为带电粒子的速度过大C．正离子向左侧漂移，电子向右侧漂移D．正离子向下侧漂移，电子向上侧漂移【答案】AD【解析】根据左手定则可判断出正离子在纵向场中沿逆时针方向运动，故A正确；因为左右两边磁场强度不一样，导致左右的半径不同，所以发生偏移；根据得发现B越大，R越小，所以右边部分的R大于左边部分的R，结合左手定则判断出正离子就会向下侧漂移，电子向上侧漂移，故C错误，D正确。8.（2022·浙江省柯桥中学高三月考）在实验室中有一种污水流量计，其原理可以简化为如图所示模型：废液内含有大量正、负离子，从直径为的圆柱形容器右侧流入，左侧流出。流量值等于单位时间通过横截面的液体的体积。空间有垂直纸面向里的磁感应强度为的匀强磁场，并测出、间的电压，则下列说法正确的是（）A．正、负离子所受洛伦兹力方向是相同的B．容器内液体的流速为C．河水流量计也可以用于测量不带电的液体的流速D．污水流量为【答案】B【解析】带电粒子进入磁场后受到洛伦兹力作用，根据左手定则可知，正粒子受到的洛伦兹力向下，负粒子受到洛伦兹力向上，故A错误；当达到平衡时有解得，选项B正确；不带电的液体在磁场中不受力，M、N两点没有电势差，无法计算流速，故C错误；污水流量为，选项D错误。9.（2022·山东潍坊市·高三月考）质谱仪最初是由英国物理学家阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖的两种同位素氖20和氖22，从而证实了同位素的存在。如图所示，让氖20和氖22原子核从质谱仪小孔飘入电压为U的加速电场（初速度可看作零），然后从垂直进入匀强磁场发生偏转，最后打在底片上的不同地方。已知氖20和氖22原子核带电量相同，质量之比约为，从底片上获得在磁场中运动轨迹的直径分别为、，则，应为（）A． B．C． D．【答案】C【解析】设粒子的电荷量为q，进入磁场的速度为v，由动能定理可得则进入磁场时的速度为，在磁场中，由洛伦兹力提供向心力可得，，化简可得，则有，故选C。110.（2022·济南市·山东省实验中学高三）如图所示，是磁流体发电机示意图。平行金属板a、b之间有一个很强的匀强磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量等量正、负离子）垂直于磁场的方向喷入磁场，a、b两板间便产生电压．如果把a、b板与用电器相连接，a、b板就是等效直流电源的两个电极。若磁场的磁感应强度为B，每个离子的电荷量大小为q、速度为v，a、b两板间距为d，两板间等离子体的等效电阻为r，用电器电阻为R。稳定时，下列判断正确的是（）A．图中a板是电源的正极B．电源的电动势为BvqC．用电器中电流为D．用电器两端的电压为Bvd【答案】D【解析】A．由左手定则，正离子受洛伦兹力后向下偏转，负离子受洛伦兹力后向上偏转，b板为电源的正极，A错误；BCD．由平衡条件得qvB＝q，电源电动势E＝U＝Bdv，电流I＝＝用电器两端的电压UR＝IR＝Bvd故BC错误，D正确故选D。11.（2022·湖北随州市·广水市一中模拟）如图所示为一种质谱仪示意图，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半径为R，通道内均匀辐射状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．不计粒子的重力，下列说法正确的是（）A.粒子一定带正电B.加速电场的电压C.D.若一群离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该群离子具有相同的比荷【答案】ABD【解析】由左手定则可知粒子带正电，故A正确；粒子在M、N间被加速，则有，根据电场力提供向心力，则有，联立解得，故B正确；根据洛伦兹力提供向心力，则有，可得，故C错误；若一群离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，说明运动的轨迹相同，由于磁场、电场与静电分析器的半径不变，则C选项可知该群离子具有相同的比荷，故D正确．12．“电磁炮”的模型如图，光滑水平加速导轨电阻不计，轨道宽为L=0.1m，竖直向上的匀强磁场的磁感应强度B=1T，“弹体”总质量m=0.01kg，弹体在轨道间的电阻R=1Ω，可控电源的内阻r=4Ω，提供的电流是I=0.2A，以保证“电磁炮”匀加速发射，不计空气阻力。求：（1）弹体所受安培力大小；（2）弹体从静止加速到10m/s过程中系统产生的总热量。【答案】（1）0.02N；（2）1J【解析】（1）炮弹受到的安培力大小F=BIL=0.02N（2）由牛顿第二定律可知炮弹匀加速运动时间系统产生的总热量Q=I2（R+r）t=1J13.（2022·全国高考甲卷试题·T25）光点式检流计是一种可以测量微小电流的仪器，其简化的工作原理示意图如图所示。图中A为轻质绝缘弹簧，C为位于纸面上的线圈，虚线框内有与纸面垂直的匀强磁场；随为置于平台上的轻质小平面反射镜，轻质刚性细杆D的一端与M固连且与镜面垂直，另一端与弹簧下端相连，PQ为圆弧形的、带有均匀刻度的透明读数条，PQ的圆心位于M的中心使用前需调零，使线圈内没有电流通过时，M竖直且与纸面垂直；入射细光束沿水平方向经PQ上的O点射到M上后沿原路反射。线圈通入电流后弹簧长度改变，使M发生倾斜，入射光束在M上的入射点仍近似处于PQ的圆心，通过读取反射光射到PQ上的位置，可以测得电流的大小。已知弹簧的劲度系数为k，磁场磁感应强度大小为B，线圈C的匝数为N。沿水平方向的长度为l，细杆D的长度为d，圆弧PQ的半径为r﹐r>>d，d远大于弹簧长度改变量的绝对值。（1）若在线圈中通入的微小电流为I，求平衡后弹簧长度改变量的绝对值x及PQ上反射光点与O点间的弧长s；（2）某同学用此装置测一微小电流，测量前未调零，将电流通入线圈后，PQ上反射光点出现在O点上方，与O点间的弧长为s1．保持其它条件不变，只将该电流反向接入，则反射光点出现在О点下方，与O点间的弧长为s2。求待测电流的大小。【答案】（1），；（2）【解析】（1）由题意当线圈中通入微小电流I时，线圈中的安培力为F=NBIl根据胡克定律有F=NBIl=k│x│设此时细杆转过的弧度为θ，则可知反射光线转过的弧度为2θ，又因为d>>x，r>>d则sinθ≈θ，sin2θ≈2θ所以有x=dθs=r2θ联立可得（2）因为测量前未调零，设没有通电流时偏移的弧长为s′，当初始时反射光点在O点上方，通电流I′后根据前面的结论可知有当电流反向后有联立可得同理可得初始时反射光点在O点下方结果也相同，故待测电流的大小为14.（2022·广东江门市模拟）某种离子诊断测量简化装置如图所示。竖直平面内存在边界为正方形EFGH、方向垂直纸面向外的匀强磁场，探测板CD平行于HG水平放置，只能沿竖直方向移动。a、b两束宽度不计带正电的离子从静止开始经匀强电场加速后持续从边界EH水平射入磁场a束离子在EH的中点射入经磁场偏转后垂直于HG向下射出，并打在探测板的右端点D点，已知正方形边界的边长为2R，两束离子间的距离为，离子的质量均为m、电荷量均为q，不计重力及离子间的相互作用，已知。求：（1）求磁场的磁感应强度B的大小以及a束离子在磁场运动的时间t；（2）要使两束离子均能打到探测板上，求探测板CD到HG的距离最大是多少？【13题答案】【答案】（1），；（2）【解析】【详解】（1）离子在电场中加速，由动能定理解得根据题意，a束离子在磁场中做匀速圆周运动，运动轨迹如图根据几何关系可知，半径为由牛顿第二定律联立解得根据公式可知由图可知，运动时间为（2）设