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

1、第四课复合领域STS问题探究1.质谱仪。(1)结构：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和摄影胶片组成。(2)原理：静止时粒子被加速电场加速。根据动能定理，可以得到关系式：曲=MV2。粒子被磁场中的洛仑兹力偏转，以匀速圆周运动运动。根据牛顿第二定律，qvb=m .要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量和比电荷，可以从这两个方程中得到。r=，m=，=。2.回旋加速器。(1)结构：如图所示，D1和D2为半圆形金属盒，d形盒的缝隙与交流电源相连。d形盒处于均匀磁场中。(2)原理：交流电的周期等于粒子圆周运动的周期。在圆周运动过程中，粒子一次又一次地穿过D形盒子的间隙，两个盒子之间的电势差一次又一

2、次地反向，所以粒子将被一次又一次地加速。从qvB=，Ekm=，可以看出，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)平行板中的电场强度e和磁感应强度b相互垂直。这个装置可以选择具有一定速度的粒子，所以它被称为速度选择器。(2)带电粒子可以沿直线以恒定速度通过速度选择器的条件是QE=qvb，即v=qvb。4.磁流体发电机。(1) MHD发电是一项新技术，它可以直接将内部能量转化为电能。(2)根据左手定则，图中的B是发电机的正极。(3)当MHD发生器两板之间的距离为L，等离子体速度为V，磁场的磁感应强度为B时，两板之间的最大电位差为U=BLV

3、。(4)功率电阻R=，外部电阻R中的电流可由闭合电路的欧姆定律计算，即I=。5.电磁流量计。工作原理：如图所示，圆形导管直径为d，由非磁性材料制成。导电液体在导管中向左流动，并且导电液体中的自由电荷(正离子和负离子)在洛伦兹力的作用下横向偏转，导致a和b之间的电势差，形成电场。当自由电荷施加的电场力和洛仑兹力平衡时，a和b之间的电势差保持稳定，即qvb=QE=6.霍尔效应。矩形截面载流导体置于均匀磁场中。当磁场方向垂直于电流方向时，在垂直于磁场和电流方向的方向上出现电势差。这种现象称为霍尔效应，产生的电位差称为霍尔电位差。其原理如图所示。质谱仪的两个重要组成部分是加速电场和偏转磁场。例如，质谱

4、仪的示意图显示在右侧。假设有一个静态带电粒子，质量为m，电荷为q(不包括重力)，它被电压为u的加速电场加速，然后垂直进入磁感应强度为b的偏转磁场，带电粒子击中负片上的P点。如果OP=X，X和U之间的函数关系可以正确地反映在下图中分析：带电粒子首先被加速电场加速，所以曲=MV2，进入磁场后偏转，OP=X=2R=，两个方程是联立的：OP=X=，所以B是正确的。课堂作业一、单项选择问题1.如图所示，将金属块置于垂直于表面c的均匀磁场中，磁感应强度为b，厚度为d，高度为h。当稳定电流I沿平行于平面c的方向通过时，金属块中每单位体积参与传导的自由电子数为(上表面m和下表面n上的电势分别为um和un)(c

5、)。A.|UM-UN| B.|C.| D.|UM-UN|分析：假设电子的定向运动速度为V，每单位体积的自由电子数为nC.其他条件不变，只是注射速度增加，UAB增加D.其他条件不变，只是磁感应强度增加，UAB增加分析：从左手定则可知，正电荷在B板，B板带正电，A错在B；当平衡稳定时，QVB=Q，可以看出UAB随着注入速度或磁感应强度的增加而增加，C和D是正确的。3.从左端进入质谱仪后，具有相同速度的粒子束的轨迹如图所示，那么以下相关陈述是正确的(C)A.带电粒子带负电B.速度选择器的P1板带负电C.带电粒子通过狭缝S0的速度等于D.粒子越靠近狭缝S0撞击薄膜，粒子的比电荷越小分析：根据左手定则，

6、皮带中的带电粒子带正电，速度选择器的P1板带正电，所以选项A和B是错误的；根据QE=qvb1，可以得到带电粒子通过狭缝S0的速度v=并且选项c是正确的。从r=可以看出，粒子撞击薄膜的位置越靠近狭缝S0，r越小，粒子的比电荷越大，选项d是错误的。4.在电视机显像管中，电子束的扫描是通过磁偏转技术实现的，其扫描原理如图一所示。偏转磁场在圆形区域的方向垂直于圆形表面，当不施加磁场时，电子束将穿过屏幕中心的O点并击中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该是B(B)分析：从问题的含义来看，如果要得到以M为中点的亮线PQ，当磁场的磁感应强度B随时间T变化

7、时，方向应该有变化，所以有两个误差C和d。对于选项A的变化图像，可能只出现两个亮点。因此，正确的选项是b .5.图一是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个丁字金属盒。加速带电粒子时，将两个金属盒置于均匀磁场中，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B所示。如果忽略带电粒子在电场中的加速时间，下面的判断是正确的(B)A.高频电源的变化周期应等于TN-TN-1B.在Ekt图中应该有T4-T3=T3-T2=T2-t1C.粒子加速的次数越多，粒子获得的最大动能就越大D.不同粒子获得的最大动能是相同的分析：从图中可以看出，单个D盒中粒子运动的时间为TN-TN-1。因为粒

8、子在磁场中运动的周期与速度无关，所以B是正确的；交流电源周期为2(总氮-总氮-1)，甲错；从r=，可知当粒子的运动半径等于d盒半径时，加速过程结束，粒子的动能Ekm=即粒子的动能与加速次数无关，而c是错误的；粒子的最大动能也与粒子的质量和电荷有关。d是错的。第二，不定选择题6.劳伦斯在1930年制造了世界上第一个回旋加速器。其原理如图所示。这个加速器由两个铜制的D盒D1和D2组成，中间有一个缺口。下列说法是正确的A.离子从加速器中心附近进入加速器B.离子从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分析：离子在其中心附近进入加速器，从电场中获得能量，最后从其边缘离开加

9、速器。选项A和D是正确的。7.如图所示，是电磁流量计的示意图。一段横截面为矩形的管道由金属制成，前后两侧由绝缘材料制成。图中的长度、宽度和高度分别为a、b和c。流量计的两端与输送流体的管道(图中未示出)相连。现在，一个大学流量计中液体的流速为v=，根据流动的定义，q=BC=BCV。它可以通过以上两个公式求解：q=0。8.图A是用于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。加速带电粒子时，将两个金属盒置于均匀磁场中，两个金属盒分别连接高频电源。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B所示，忽略带电粒子在电场中的加速时间，下面的判断是正确的(AD)A.在ek-t图

10、中，应提供T4-T3=T3-T2=T2-t1B.高频电源的变化周期应等于TN-TN-1C.粒子加速的次数越多，粒子的最大动能就越大D.如果粒子获得的最大动能较大，则可以增加D形盒的面积分析：带电粒子在均匀磁场中匀速圆周运动的周期与速度无关，所以T4-T3=T3-T2=T2-T1应该在EK-T图中找到，选项A是正确的；带电粒子在回旋加速器中每周期加速两次，高频电源的变化周期应等于2 (TN-TN-1)，选项B是错误的；从r=可以看出，粒子获得的最大动能取决于D形盒的半径，当轨道半径等于D形盒的半径时，加速度不能继续，因此选项C是错误的，而选项D是正确的。9.在质谱仪的示意图中，离子源S产生的正离

11、子通过狭缝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。离子从S3注入具有磁感应强度B2的均匀磁场区域。由于各种离子的轨道半径不同，它们分别被注入到基底的不同位置，形成各自的谱线。如果氘和S3谱线之间的距离增加两倍，A.把B2还原成原来的样子B.B2增加两倍C.将B1还原为原始值D.将E还原为原始值分析：在B2地区，如果要求R=，B2则选项A正确，否则离子离开加速电场板S2的速度为V2V；在离子速度选择器中，v=是根据qvb1=QE得到的，即B1,选项c是正确的(注意：调整B1同时涉及到调整加速电场的电压U4U)10.该图是MHD发电机的示意图。在

12、距离为d的平行金属板a和c之间，有一个均匀的磁场，磁感应强度为b，垂直方向，纸面朝外。两块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。等离子体以平行于两块金属板的速度v连续垂直进入磁场，理想电流表a读数为I，然后(BCD)A.发电机的电动势B.发电机的内阻是r=-R。C.发电机的效率=D.当变阻器触点P向上滑动时，单位时间内到达金属板A和C的等离子体数量增加分析：当等离子体上的洛伦兹力等于电场力时，电动势处于稳定状态，那么场强E1=BV，发动机的电动势E=E1D=EDV，外部电路的电压是IR，而A是错误的；发电机的内阻相当于电源的内阻，所以发电机的内阻R=-R，B是正确的；发电机

13、的效率=，c是正确的；当触点P向上移动时，电路中的电阻减小，电路中的电流增加，单位时间内移动的电荷数增加，D是正确的。第三，非选择题11.如图所示，左边有一对平行的金属板，两板之间的距离为d，电压为u；两块板之间有一个均匀的磁场，磁感应强度为B0，方向平行于金属板表面，向内垂直于纸面。在图的右侧半径为R、中心为O的圆形区域也有一个均匀的磁场，磁感应强度为B，方向垂直于纸面。带有电荷Q的正离子沿平行于金属的方向注入平行金属板之间式中，v是离子运动速度的大小，E0是平行金属板之间均匀电场的强度，有：E0=，从 公式中得出：v=。(2)在圆形磁场中，离子匀速圆周运动。根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律：

14、qvB=m，在公式中，m和r分别是离子的质量和它们的圆周运动半径。假设离子穿过磁场边界上的点g，离子圆周运动的中心O必须在穿过点e并垂直于EF的直线上，并且在EG的垂直平分线上(见上图)。几何关系如下：r=沙坦，在公式中，是OO和直径EF之间的夹角，由几何关系得到：2+=。联立 方程，离子质量为：m=cot。回答：(1) (2)婴儿床12.如图所示，在粒子源k和虚线MN之间存在加速电场，在虚线MN和PQ之间存在均匀电场，在虚线PQ和荧光屏之间存在均匀磁场，并且MN、PQ和荧光屏彼此平行。图中显示了电场和磁场的方向。点a和点o之间的连线垂直于荧光屏。从k发射的具有零初始速度的正电荷粒子被电场加速

15、，并以速度v0从点a垂直注入偏转电场。在离开偏转电场后，它进入一个均匀的磁场，最后垂直击中图中的屏幕。众所周知，电场和磁场面积在垂直方向上足够长，并且加速电场电压和偏转电场强度之间的关系是U=，其中D是偏转电场的宽度，并且磁感应强度、偏转电场强度和带电粒子离开加速电场的速度v0之间的关系符合表达式v0=(U、E和B是上述关系中的未知量)(1)试图解释v0的大小与k和MN之间的距离之间的关系；(2)计算带电粒子进入磁场的速度；(3)带电粒子在电场和磁场中的总偏转距离是多少？分析：(1)带电粒子由加速电场中的动能定理得到；mv=qU，可以看出，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

16、关。(2)带电粒子在加速电场中获得的动能为：mv=qU=qEd，进入偏转电场后，偏转角度为：tan =1，也就是说，带电粒子在电场中的偏转角为45。垂直速度等于水平速度：vy=v0，带电粒子离开偏转电场即进入磁场的速度为v，v=v0。(3)磁场中带电粒子的半径为：R=d。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。假设偏转电场中带电粒子的偏转距离为 Y1，有：QED=QE y1，y1=0.5d；磁场中的偏转距离是 y2，有：y2=r(1-cos)=d=0.414d；粒子在电场和磁场中的总偏转距离为 y，有： y= y1 y2=0.9d .回答：(1)v0的大小与K和MN之间的距离无关(2)