2019年高考物理雙基突破：專題24-帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的實(shí)際應(yīng)用(精講)(含解析)

1、一質(zhì)譜儀1構(gòu)造 ：如圖所示，由粒子源、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和照相底片等構(gòu)成。2原理 ：粒子由靜止被加速電場(chǎng)加速，qu12mv2。粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有qvbmv2r。由以上兩式可得r1b2muq，mqr2b22u，qm2ub2r2。3質(zhì)譜儀是根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)量的差異來(lái)區(qū)分不同粒子的儀器。解題時(shí)要關(guān)注粒子開(kāi)始什么量相同，什么量不同，最后造成偏轉(zhuǎn)量不同的原因是什么，從而達(dá)到區(qū)分不同粒子的目的。【題 1】 （多選）如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過(guò)由相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度為b）和勻強(qiáng)電場(chǎng)（電場(chǎng)強(qiáng)度為e）組成的速度選擇器，然后粒子通過(guò)平板s上的狹縫p 進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場(chǎng)

2、（磁感應(yīng)強(qiáng)度為 b ），最終打在a1a2上，下列表述正確的是a粒子帶負(fù)電b所有打在a1a2上的粒子，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相同c能通過(guò)狹縫p 的帶電粒子的速率等于ebd粒子打在a1a2的位置越靠近p，粒子的比荷qm越大【答案 】cd當(dāng)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力可得rmvbq，則qmvbr，越靠近p，r 越小，粒子的比荷越大，d 正確；所有打在a1a2上的粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的 磁場(chǎng)中都只運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期，周期t2 mb q，比荷不同，打在a1a2上的粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 b 的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同，b 錯(cuò)誤。【題 3】 現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中磁感應(yīng)

3、強(qiáng)度恒定質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種2 價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將加速電壓減小到原來(lái)的112倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為a6 b12 c24 d144 【答案】 c 二價(jià)正離子與質(zhì)子從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)則r 相同，所以mqu，離子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的24 倍， c 正確， a、b、d 錯(cuò)誤。二、回旋加速器1構(gòu)造 ：如圖所示，d1、d2是半圓形金屬盒，d 形盒的縫隙處接交流電源，d 形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。2原理 ：交流電的周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等，粒子經(jīng)電場(chǎng)加速，經(jīng)磁場(chǎng)回旋。使粒子每

4、經(jīng)過(guò)一次d 形盒縫隙，粒子被加速一次。3粒子獲得的最大動(dòng)能：由 qvbmv2r，得 ekmq2b2r22m，可見(jiàn)粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度b 和 d 形盒半徑 r 決定，與加速電壓無(wú)關(guān)。4粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間：粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速兩次，每次增加動(dòng)能qu，加速次數(shù) nekmqu，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間tn2tekm2qu2 mqb br22u。5回旋加速器解題時(shí)要注意兩點(diǎn)：一是加速電壓是交變電壓，其周期和粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同。二是粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度b 和 d 形盒最大半徑r 決定，而與加速電壓無(wú)關(guān)?！绢} 4】 （多選）回旋加速器的原理如圖所示

5、，它由兩個(gè)銅質(zhì)d 形盒 d1、d2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說(shuō)法正確的是a離子從電場(chǎng)中獲得能量b離子從磁場(chǎng)中獲得能量c只增大空隙距離可增加離子從回旋加速器中獲得的動(dòng)能d只增大d 形盒的半徑可增加離子從回旋加速器中獲得的動(dòng)能【答案】 ad【題 5】 （多選） 回旋加速器的工作原理示意圖如圖。置于高真空中的半徑為r 的 d 形金屬盒中，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可忽略。磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直，高頻交流電頻率為f，加速電壓為u。若 a 處粒子源產(chǎn)生的質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為q，在加速器中被加速，且加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力的影響。則下列說(shuō)法正確的是a質(zhì)子被加速后的最大速度不

6、可能超過(guò)2 rfb質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器時(shí)的最大動(dòng)能與加速電壓u 成正比c質(zhì)子第2 次和第 1 次經(jīng)過(guò)兩d 形盒間狹縫后軌道半徑之比為21 d改變磁感應(yīng)強(qiáng)度b 和交流電頻率f，該回旋加速器的最大動(dòng)能不變【答案】 ac【解析】粒子被加速后的最大速度受到d 形盒半徑r 的制約，因vm2 rt2 rf，a 正確；粒子離開(kāi)回旋加速器的最大動(dòng)能ekm12mv212 m 42r2f2 2m2r2f2，與加速電壓u 無(wú)關(guān)， b 錯(cuò)誤；根據(jù)rmvbq，uq12mv21， 2uq12mv22，得質(zhì)子第2 次和第1 次經(jīng)過(guò)兩d 形盒間狹縫后軌道半徑之比為21，c 正確；因回旋加速器的最大動(dòng)能 ekm2m2r2f2，與

7、 m、r、f 均有關(guān)， d 錯(cuò)誤?！绢} 6】圖甲是回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個(gè)d 形金屬盒， d 形盒與高頻電源相連，且置于垂直于盒面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，帶電粒子在電場(chǎng)中的動(dòng)能ek隨時(shí)間 t 的變化規(guī)律如圖乙所示，若忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間，則下列判斷正確的是a在 ekt 圖中有 t4t3t3t2t2t1b在 ekt 圖中有 ek4ek3ek3ek2 ek2ek1c若粒子加速次數(shù)越多，則射出加速器的粒子動(dòng)能就越大d若加速電壓越大，則射出加速器的粒子動(dòng)能就越大【答案】 b 三、速度選擇器1構(gòu)造 ：如圖，平行板中電場(chǎng)強(qiáng)度e 和磁感應(yīng)強(qiáng)度b 互相垂直，這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來(lái)，

8、所以叫速度選擇器。2帶電粒子能夠沿直線勻速通過(guò)速度選擇器的條件：eqqvb，即 veb，速度 v 與粒子電荷量、電性、質(zhì)量無(wú)關(guān)。速度選擇器只能選擇粒子的速度，不能選擇粒子的電性、電荷量、質(zhì)量。3速度選擇器具有單向性?！绢} 7】 如圖所示，從s 處發(fā)出的熱電子經(jīng)加速電壓u 加速后垂直進(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)電子流向上極板偏轉(zhuǎn)。設(shè)兩極板間電場(chǎng)強(qiáng)度為e，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b。欲使電子沿直線從電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域通過(guò)，只采取下列措施，其中可行的是a適當(dāng)減小電場(chǎng)強(qiáng)度eb適當(dāng)減小磁感應(yīng)強(qiáng)度bc適當(dāng)增大加速電場(chǎng)極板之間的距離d適當(dāng)減小加速電壓u【答案】 a【題 8】 （多選）如圖是一“濾速器”裝置的示意

9、圖。a、b 為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經(jīng)小孔o(hù) 進(jìn)入 a、b 兩板之間。為了選取具有某種特定速率的電子，可在a、 b 間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使所選電子仍能沿水平直線oo 運(yùn)動(dòng)，由o射出，不計(jì)重力作用?？赡苓_(dá)到上 述目的要求的是a使 a 板電勢(shì)高于b 板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里b使 a 板電勢(shì)低于b 板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里c使 a 板電勢(shì)高于b 板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向外d使 a 板電勢(shì)低于b 板，磁場(chǎng)方向垂直紙面向外【答案】 ad 四、磁流體發(fā)電 機(jī)1原理 ：等離子氣體噴入磁場(chǎng)，正、負(fù)離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)而聚集在a、b 板上，使

10、兩極板產(chǎn)生電勢(shì)差，它可以把離子的動(dòng)能通過(guò)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電能。（如圖）當(dāng)離子做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩極板間的電勢(shì)差最大。2電源正、負(fù)極判斷：根據(jù)左手定則可判斷出圖中的b 板是發(fā)電機(jī)的正極。3電源電動(dòng)勢(shì)u：設(shè) a、b 平行金屬板的面積為s，兩極板間的距離為l，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，等離子氣體的電阻率為 ，噴入氣體的速度為v，板外電阻為r.當(dāng)正、負(fù)離子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，兩極板間達(dá)到的最大電勢(shì)差為u（即電源電動(dòng)勢(shì)），則qulqvb，即 u blv。4電源內(nèi)阻 ：rls。5回路電流 ：iurr?！绢} 9】 （多選）磁流體發(fā)電機(jī)又叫等離子體發(fā)電機(jī)，如圖，燃燒室在3 000 k 的高溫下將氣體全部電離為正離 子

11、與負(fù)離子，即高溫等離子體。高溫等離子體經(jīng)噴管提速后以1 000 m/s 的速度進(jìn)入矩形發(fā)電通道。發(fā)電通道有垂直于噴射速度方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為6 t，等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩極間形成電勢(shì)差，已知發(fā)電通道長(zhǎng) a50 cm，寬 b20 cm，高 d 20 cm，等離子體的電阻率 2 m，則以下判斷中正確的是a發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為1 200 v b開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，高溫等離子體可以勻速通過(guò)發(fā)電通道c當(dāng)外接電阻為8 時(shí)，電流表示數(shù)為150 a d當(dāng)外接電阻為4 時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率最大【答案】 abd 【解析】由udqqvb，得電源電動(dòng)勢(shì)uvbd1 200 v，a 正確；由電阻定律rdab4 ，得發(fā)電機(jī)內(nèi)阻為

12、4 ，由閉合電路歐姆定律得，當(dāng)外接電阻為8 時(shí)，電流為100 a ，故 c 錯(cuò)誤；當(dāng)外電路總電阻rr 時(shí)有最大輸出功率，得d 正確?！绢} 10】 （多選） 磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如圖是它的示意圖。平行金屬板a、b 之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)離子）噴入磁場(chǎng)， a、b 兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把a(bǔ)、b 和用電器連接，a、b 就是直流電源的兩個(gè)電極，設(shè)a、b 兩板間距為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b ，等離子體以速度v 沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入a、b 兩板之間，則下列說(shuō)法正確的是aa 是直流電源的正極bb 是直流電源的正極c電源的電

13、動(dòng)勢(shì)為bdvd電源的電動(dòng)勢(shì)為qvb【答案】 bc 五、霍爾效應(yīng)1定義 ：高為 h、寬為 d 的導(dǎo)體（自由電荷是電子或正電荷）置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)b 中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的上表面a 和下表面a 之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，此電壓稱為霍爾電壓。2電勢(shì)高低的判斷：如圖，導(dǎo)體中的電流i 向右時(shí)，根據(jù)左手定則可得，若自由電荷是電子，則下表面a的電勢(shì)高；若自由電荷為正電荷，則上表面a 的電勢(shì)高。3霍爾電壓的計(jì)算：導(dǎo)體中的自由電荷（電子）在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，a、 a 間出現(xiàn)電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、a間的電勢(shì)差（u） 就保持穩(wěn)定，由qvbquh，inqvs，shd；聯(lián)立得

14、 ubinqdkbid，k1nq稱為霍爾系數(shù)?！?題 11】 （多選） 自行車速度計(jì)利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車的運(yùn)動(dòng)速率，如圖甲，自行車前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)一圈，這塊磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖電壓，圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當(dāng)磁場(chǎng)靠近霍爾元件時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷在磁場(chǎng)力作用下偏轉(zhuǎn)，最終使導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差，即為霍爾電勢(shì)差。下列說(shuō)法正確的是a根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和自行車車輪的半徑即可獲知車速大小b自行車的車速越大，霍爾電勢(shì)差越高c圖乙中霍爾元件的電流i 是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的d如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源，霍爾電勢(shì)差將減小【答案

15、】 ad 【題 12】 （多選） 利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度b 垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流i，c、d 兩側(cè)面會(huì)形成電勢(shì)差ucd，下列說(shuō)法中正確的是a電勢(shì)差ucd僅與材料有關(guān)b若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢(shì)差ucdb?！绢} 13】 （多選）為了測(cè)量化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在排污管末端安裝了流量計(jì)（流量q 為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某截面流體的體積）如圖13 所示，長(zhǎng)方體絕緣管道的長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、 c，左、右兩端開(kāi)口，所在空間有垂直于前后表面、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為b 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在上、下兩個(gè)面的內(nèi)側(cè)

16、固定有金屬板m、n，污水充滿管道從左向右勻速流動(dòng)，測(cè)得m、n 間電壓為 u，污水流過(guò)管道時(shí)受到的阻力大小ff klv2，k 是比例系數(shù)，l 為污水沿流速方向的長(zhǎng)度，v 為污水的流速。則a污水的流量qabubb金屬板m 的電勢(shì)不一定高于金屬板 n 的電勢(shì)c電壓 u 與污水中離子濃度無(wú)關(guān)d左、右兩側(cè)管口的壓強(qiáng)差 pkau2bb2c3【答案】 cd 【解析】根據(jù)：qvbquc得： vubc，則有qvsvbcubcbcubb，故 a 錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則，正離子向上表面偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子向下表面偏轉(zhuǎn)，知上表面的電勢(shì)一定高于下表面的電勢(shì)，即金屬板m 的電勢(shì)一定高于金屬板n的電勢(shì)，故b 錯(cuò)誤；最終離子在電場(chǎng)力和洛

17、倫茲力作用下平衡，有：qvb quc，解得： u vbc，與污水中離子濃度無(wú)關(guān)，故c 正確；根據(jù)平衡條件，則有： pbcff klv2kav2，而 vubc，解得 pkau2bb2c3，故 d 正確。【題 14】 （多選）電磁泵在目前的生產(chǎn)、科技中得到了廣泛應(yīng)用。如圖，泵體是一個(gè)長(zhǎng)方體，ab 邊長(zhǎng)為 l1，兩側(cè)端面是邊長(zhǎng)為l2的正方形；流經(jīng)泵體內(nèi)的液體密度為 、在泵頭通入導(dǎo)電劑后液體的電導(dǎo)率為（電阻率的倒數(shù)），泵體所在處有方向垂直前表面向外的磁場(chǎng)b，把泵體的上下兩表面接在電壓為u（內(nèi)阻不計(jì)） 的電源上，則a泵體上表面應(yīng)接電源正極b通過(guò)泵體的電流iul1c增大磁感應(yīng)強(qiáng)度可獲得更大的抽液高度d增大液體的電阻率可獲得更大的抽液高度【答案】 ac 速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾效應(yīng)和電磁流量計(jì)的比較1速度選擇器、