2025高考物理總復習現(xiàn)代科技中的電場與磁場問題

第5講專題提升現(xiàn)代科技中的電場與磁場問題高考總復習2025專題概述:帶電粒子在組合場、疊加場中的運動規(guī)律廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活及現(xiàn)代科技中,組合場應(yīng)用實例主要有質(zhì)譜儀和回旋加速器;疊加場應(yīng)用實例有速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計、霍爾元件等。題型一電場和磁場組合的應(yīng)用實例一、質(zhì)譜儀1.構(gòu)造如圖所示,由粒子源、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和照相底片等構(gòu)成。2.原理

二、回旋加速器

1.構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓形金屬盒,D形盒的縫隙處接交變電流,D形盒處于勻強磁場中。2.原理:①交變電流周期和粒子做圓周運動的周期相等;②使粒子每經(jīng)過一次D形盒縫隙,粒子被加速一次?？枷蛞?/p>

質(zhì)譜儀的原理及應(yīng)用典題1

質(zhì)譜儀可以用來分析同位素。如圖所示,在容器A中有互為同位素的兩種原子核,它們可從容器A下方的小孔S1無初速度飄入加速電場,經(jīng)小孔S3垂直進入勻強磁場,分別打到M、N兩點,距離S3分別為x1、x2。則分別打到M、N的原子核質(zhì)量之比為(

)C考向二

回旋加速器的原理及應(yīng)用典題2(2024湖北武漢華中師大一模)世界上第一臺回旋加速器,如圖甲所示。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖乙所示,D1和D2是兩個中空的、半徑為R的半圓形金屬盒,兩盒之間窄縫的寬度為d,它們之間有一定的電勢差U。兩個金屬盒處于與盒面垂直的勻強磁場中,磁感應(yīng)強度大小為B。D1盒的中央A處的粒子源可以產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為+q(q>0)的粒子,粒子每次經(jīng)過窄縫都會被電場加速,之后進入磁場做勻速圓周運動,經(jīng)過若干次加速后,粒子從金屬盒D1邊緣離開,忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子間的相互作用及相對論效應(yīng)。(1)求粒子離開加速器時獲得的最大動能Ekm。(2)在分析帶電粒子的運動軌跡時,求第N次加速后與第N+1次加速后勻速圓周運動軌道直徑的差值。(3)已知回旋加速器兩盒之間窄縫的寬度d=1cm,加速電壓U=2kV,磁感應(yīng)強度B=0.1T,可加速氘核(電荷量為q=1.6×10-19C,質(zhì)量m=3.34×10-27kg),達到最大動能Ekm=60keV。氘核在電場中加速的時間不能忽略,氘核在最后一次加速后剛好繼續(xù)完成半個勻速圓周運動,求氘核運動的總時間。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析

(1)當帶電粒子運動半徑為半圓金屬盒的半徑R時,粒子的速度達到最大值vm,由牛頓第二定律得(3)氘核每穿過縫隙一次,靜電力對氘核做功。由動能定理有nqU=Ekm解得氘核穿過D形盒間縫隙的總次數(shù)為n=30氘核在電場中做勻加速直線運動,將在電場中的運動看成一個整體方法技巧

解決電磁場科學技術(shù)問題的一般思維程序

題型二電場與磁場疊加的應(yīng)用實例考向一

速度選擇器的原理及應(yīng)用典題3(2024北京海淀模擬)如圖所示,速度選擇器的兩平行導體板之間有方向互相垂直的勻強電場和勻強磁場,磁場方向垂直紙面向里。一電荷量為+q(q>0)的粒子以速度v從S點進入速度選擇器后,恰能沿圖中虛線通過。不計粒子重力,下列說法可能正確的是(

)A.電荷量為-q的粒子以速度v從S點進入后將向下偏轉(zhuǎn)B.電荷量為+2q的粒子以速度v從S點進入后將做類平拋運動C.電荷量為+q的粒子以大于v的速度從S點進入后動能將逐漸減小D.電荷量為-q的粒子以大于v的速度從S點進入后動能將逐漸增大C解析

電荷量為+q的粒子以速度v進入速度選擇器后受力平衡,有qvB=qE,由左手定則可知,洛倫茲力豎直向上,靜電力豎直向下,即電場強度的方向豎直向下,且有E=vB,當電荷量為-q的粒子以速度v從S點進入后,粒子所受的洛倫茲力和靜電力同時反向,仍受力平衡,粒子沿著圖中虛線通過,A錯誤;電荷量為+2q的粒子以速度v從S點進入后,洛倫茲力和靜電力均加倍,粒子受力平衡,將沿著圖中虛線通過,B錯誤;電荷量為+q的粒子以大于v的速度從S點進入后,向上的洛倫茲力大于向下的靜電力,粒子的運動軌跡將向上彎曲,靜電力對粒子做負功,粒子的動能將逐漸減小,C正確;電荷量為-q的粒子以大于v的速度從S點進入后,向下的洛倫茲力大于向上的靜電力,粒子的運動軌跡將向下彎曲,靜電力對粒子做負功,粒子的動能將逐漸減小,D錯誤。考向二

磁流體發(fā)電機的原理及應(yīng)用典題4(多選)磁流體發(fā)電機又叫等離子體發(fā)電機,如圖所示,燃燒室在3000K的高溫下將氣體全部電離為電子和正離子,即高溫等離子體。高溫等離子體經(jīng)噴管提速后以1000m/s的速度進入矩形發(fā)電通道。發(fā)電通道有垂直于噴射速度方向的勻強磁場,磁場方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強度大小為6T。等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn),在兩極間形成電勢差。已知發(fā)電通道長a=60cm,寬b=20cm,高d=30cm,等離子體的電阻率ρ=2Ω·m,外接電阻R不為零,電流表視為理想電表,閉合開關(guān)K,則以下判斷正確的是(

)A.電阻R兩端的電壓為1800VB.發(fā)電通道的上極板為電源正極C.當外接電阻R的阻值為4Ω時,發(fā)電機輸出功率最大D.增加磁感應(yīng)強度B,電流表讀數(shù)也會相應(yīng)增大答案

BD

考向三

電磁流量計的原理及應(yīng)用典題5

工業(yè)上常用電磁流量計來測量高黏度及強腐蝕性導電流體的流量Q(單位時間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積)。其原理如圖所示,在非磁性材料做成的圓管處加一磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場,當導電液體流過此磁場區(qū)域時,測出管壁上下M、N兩點間的電勢差U,就可計算出管中液體的流量。已知排污管道直徑為10cm。在定標時測定,當M、N點間外接電壓表示數(shù)為1mV時,其流量約為280m3/h。下列說法正確的是(

)A.測量M、N間電勢差時,應(yīng)將電壓表正接線柱與M相連B.其他條件一定時,M、N間電壓與流量成反比C.其他條件一定時,電壓表示數(shù)恒定,其流量與導電液體中的離子濃度成正比D.若排污管直徑換成5cm,電壓表示數(shù)為1mV時,其流量約為140m3/hD解析

根據(jù)左手定則可知,管壁內(nèi)正離子會向下偏轉(zhuǎn),負離子向上偏轉(zhuǎn),因此測量M、N間電勢差時,應(yīng)將電壓表正接線柱與N相連,A錯誤;當正負離子受到的靜電力與洛倫茲力平衡時,離子不再偏轉(zhuǎn),MN間有穩(wěn)定的電勢差,即恒定,即U不變時,流量與導電液體中的離子濃度無關(guān),B、C錯誤;排污管道直徑為10

cm,在定標時測定,當M、N點間外接電壓表示數(shù)為1

mV時,其流量約為280

m3/h,若排污管直徑換成5

cm,電壓表示數(shù)為1

mV時,其流量約為考向四

霍爾元件的原理及應(yīng)用典題6(2024浙江臺州模擬)利用霍爾元件可以進行微小位移的測量。如圖所示,在兩塊磁感應(yīng)強度相同、同極相對放置的磁體縫隙中放入某種金屬材料制成的霍爾元件,當霍爾元件處于中間位置時,磁感應(yīng)強度B為0,霍爾電壓UH為0,將該點作為位移的零點,以水平向右為正方向。當霍爾元件通以大小不變的電流I,并沿著±z方向移動時,則有霍爾電壓輸出,從而實現(xiàn)微小位移的測量。下列說法正確的是(

)A.若僅增加電流I的大小,霍爾電壓減小B.當霍爾元件向+z方向移動時,UMN小于零C.若僅增加霍爾元件z軸方向的厚度,霍爾電壓增大D.該霍爾元件可以實現(xiàn)把微小位移量轉(zhuǎn)換為磁學量輸出B解析

當霍爾元件向+z方向移動時,磁場方向水平向左,根據(jù)左手定則可知,電子向M面偏轉(zhuǎn),M表面帶負電,N表面帶正電,所以N表面的電勢高,則UMN小于零,B正確。設(shè)載流子的電荷量為q,沿電流方向定向運動的平均速度為v,單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)為n,導體板橫截面積為S,霍爾元件沿z軸厚度為a,霍爾元件上下寬度為b,電流微觀表達式I=nqSv=nqabv,當達到穩(wěn)定狀態(tài)時,洛倫茲力與靜電力平衡,根據(jù)平衡條件得

=qvB,聯(lián)立可得

,可知UH與B、I成正比,而B與z軸的位置有關(guān),故UH與坐標z是有關(guān)的;在Δz<0區(qū)域(霍爾元件距離左側(cè)的N極較近),所處的B