2024-2025學(xué)年高中物理第1章安培力與洛倫茲力第3節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用作業(yè)含解析魯科版選擇性必修2

PAGE10-洛倫茲力的應(yīng)用(25分鐘60分)一、選擇題(本題共6小題，每小題7分，共42分)1.如圖所示為電視機顯像管中電子束偏轉(zhuǎn)的示意圖。磁環(huán)上的偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時，沿軸線向紙內(nèi)射入的電子束的偏轉(zhuǎn)方向()A.向上 B.向下C.向左 D.向右【解析】選C。由安培定則知螺線管上端為S極，下端為N極，兩個螺線管在O點磁場方向均向上，合磁場方向仍向上，再由左手定則推斷知電子束向左偏轉(zhuǎn)，故C選項正確。2.在顯像管的電子槍中，從炙熱的金屬絲不斷放出的電子進(jìn)入電壓為U的加速電場，設(shè)其初速度為零，經(jīng)加速后形成橫截面積為S、長為L的電子束。已知電子的電荷量為e、質(zhì)量為m，射出加速電場時單位長度電子束內(nèi)的電子個數(shù)是N，則電子束的電流強度為()A.Ne B.NeSC.NLS D.eS【解析】選A。依據(jù)動能定理得：eU=mv2得到：v=在剛射出加速電場時，一小段長為L的電子束內(nèi)電子電量為：q=IΔt=單位長度內(nèi)的電子數(shù)：N=聯(lián)立解得：I=Ne·故A正確，B、C、D錯誤。3.1932年美國物理學(xué)家勞倫斯獨創(chuàng)了回旋加速器，如圖所示，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與D形盒面垂直，兩盒間的狹縫很小，粒子穿過的時間可忽視，它們接在電壓為U、周期為T的溝通電源上，中心A處粒子源產(chǎn)生的粒子飄入狹縫中由初速度為零起先加速，最終從出口處飛出。D形盒的半徑為R，下列說法正確的是()A.粒子在出口處的最大動能與加速電壓U有關(guān)B.粒子在出口處的最大動能與D形盒的半徑無關(guān)C.粒子在D形盒中運動的總時間與溝通電的周期T有關(guān)D.粒子在D形盒中運動的總時間與粒子的比荷無關(guān)【解析】選D。依據(jù)回旋加速器的加速原理，粒子不斷加速，做圓周運動的半徑不斷變大，最大半徑即為D形盒的半徑R，由qvmB=m得vm=最大動能為Ekm=故A、B錯誤；粒子每加速一次動能增加ΔEkm=qU粒子加速的次數(shù)為N==粒子在D形盒中運動的總時間t=N·，T=聯(lián)立得t=N·=故C錯誤，D正確。4.兩個相同的回旋加速器，分別接在加速電壓U1和U2的高頻電源上，且U1>U2，兩個相同的帶電粒子分別從這兩個加速器的中心由靜止起先運動，設(shè)兩個粒子在加速器中運動的時間分別為t1和t2，獲得的最大動能分別為Ek1和Ek2，則()A.t1<t2，Ek1>Ek2 B.t1=t2，Ek1<Ek2C.t1<t2，Ek1=Ek2 D.t1>t2，Ek1=Ek2【解析】選C。粒子在磁場中做勻速圓周運動，由Ekm=，可知，粒子獲得的最大動能只與磁感應(yīng)強度和D形盒的半徑有關(guān)，所以Ek1=Ek2；設(shè)粒子在加速器中繞行的圈數(shù)為n，則Ek=nqU，由以上關(guān)系可知n與加速電壓U成反比，由于U1>U2，則n1<n2，而t=nT，T不變，所以t1<t2，故C正確，A、B、D錯誤。5.質(zhì)譜儀是測帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的一種儀器，它的工作原理是帶電粒子(不計重力)經(jīng)同一電場加速后垂直進(jìn)入同一勻強磁場做圓周運動，然后利用相關(guān)規(guī)律計算出帶電粒子的質(zhì)量。其工作原理如圖所示，虛線為某粒子的運動軌跡，由圖可知()A.此粒子帶負(fù)電B.下極板S2比上極板S1電勢高C.若只增大加速電壓U，則半徑r變大D.若只增大入射粒子的質(zhì)量，則半徑r變小【解析】選C。由左手定則可知，粒子帶正電，故A錯誤；粒子經(jīng)過電場要加速，因粒子帶正電，所以下極板S2比上極板S1電勢低，故B錯誤；依據(jù)動能定理得qU=mv2，由qvB=m得r=，若只增大加速電壓U，則半徑r變大，若只增大入射粒子的質(zhì)量，則半徑r變大，故C正確，D錯誤。故選C。6.圖中所示為某種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：粒子源N；P、Q間的加速電場；靜電分析器，即中心線半徑為R的四分之一圓形通道，通道內(nèi)有勻稱輻射電場，方向沿徑向指向圓心O，且與圓心O等距的各點電場強度大小相等；磁感應(yīng)強度為B的有界勻強磁場，方向垂直于紙面對外；膠片M。由粒子源發(fā)出的不同帶電粒子，經(jīng)加速電場加速后進(jìn)入靜電分析器，某些粒子能沿中心線通過靜電分析器并經(jīng)小孔S垂直磁場邊界進(jìn)入磁場，最終打到膠片上的某點，粒子從粒子源發(fā)出時的初速度不同，不計粒子所受重力。下列說法中正確的是()A.從小孔S進(jìn)入磁場的粒子速度大小肯定相等B.從小孔S進(jìn)入磁場的粒子動能肯定相等C.打到膠片上同一點的粒子速度大小肯定相等D.打到膠片上位置距離O點越遠(yuǎn)的粒子，比荷越大【解析】選C。對粒子加速過程有：Uq=mv2，粒子經(jīng)過圓形通道后從S射出后，速度不變，與v相同，可見比荷不同，速度就不同，A錯誤；粒子的動能取決于電量，電量不同動能不同，B錯誤；打到膠片上的位置取決于半徑，r==，可見打到膠片相同位置的粒子只與比荷有關(guān)，由前面分析得，比荷相同，速度相同，C正確；由r的表達(dá)式知，打到膠片上位置距離O點越遠(yuǎn)的粒子，比荷越小，D錯誤。二、非選擇題(18分)7.如圖所示，有一對平行金屬板，兩板相距為0.05m。電壓為10V；兩板之間有勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B0=0.1T，方向與金屬板面平行并垂直于紙面對里。圖中右邊一半徑R為0.1m、圓心為O的圓形區(qū)域內(nèi)也存在勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B=T，方向垂直于紙面對里。一質(zhì)量m=10-26kg帶正電的微粒沿平行于金屬板面，從A點垂直于磁場的方向射入平行金屬板之間，沿直線射出平行金屬板之間的區(qū)域，并沿直徑CD方向射入圓形磁場區(qū)域，最終從圓形區(qū)域邊界上的F點射出。已知速度的偏轉(zhuǎn)角為60°，不計微粒重力。求：(1)微粒速度v的大小；(2)微粒的電量q；(3)微粒在圓形磁場區(qū)域中運動時間t?！窘馕觥?1)在正交場中運動時：B0qv=q可解得：v=2000m/s(2)偏轉(zhuǎn)角60°則軌跡對應(yīng)的圓心角為60°，軌跡半徑r=RqvB=mq=解得：q=2×10-22C(3)依據(jù)T=則t=T=s答案：(1)2000m/s(2)2×10-22C(3)s【補償訓(xùn)練】磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。把平行金屬板A、B和電阻R連接，A、B之間有很強的磁場，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子)以速度v噴入磁場，A、B兩板間便產(chǎn)生電壓，成為電源的兩個電極。下列推斷正確的是()A.A板為電源的正極B.A、B兩板間電壓等于電源的電動勢C.兩板間非靜電力對等離子體做功，使電路獲得電能D.若增加兩極板的正對面積，則電源的電動勢會增加【解析】選C。由左手定則可知，正離子向B板偏轉(zhuǎn)，則B板為電源的正極，選項A錯誤；A、B兩板間電壓相當(dāng)于電源的路端電壓，則小于電源的電動勢，選項B錯誤；兩板間洛倫茲力，即非靜電力對等離子體做功，使電路獲得電能，選項C正確；平衡時q=qvB，則E=Bdv，則若增加兩極板的正對面積，則電源的電動勢不變，選項D錯誤；故選C。(15分鐘40分)8.(8分)(多選)如圖所示是電視機顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖。假如發(fā)覺電視畫面的幅度比正常的偏小，可能引起的緣由是()A.電子槍放射實力減弱，電子數(shù)削減B.加速電場的電壓過高，電子速率偏大C.偏轉(zhuǎn)線圈局部短路，線圈匝數(shù)削減D.偏轉(zhuǎn)線圈電流過大，偏轉(zhuǎn)磁場增加【解析】選B、C。假如發(fā)覺電視畫面幅度比正常時偏小，是由于電子束的偏轉(zhuǎn)角減小，即軌道半徑增大所致，電子槍放射實力減弱，電子數(shù)削減，而運動的電子速率及磁場不變，因此不會影響電視畫面偏大或小，所以A錯誤；當(dāng)加速電場電壓過高，電子速率偏大，則會導(dǎo)致電子運動半徑增大，從而使偏轉(zhuǎn)角度減小，導(dǎo)致畫面比正常偏小，故B正確；當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈匝間短路，線圈匝數(shù)減小時，導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)磁場減小，從而使電子運動半徑增大，所以導(dǎo)致畫面比正常偏小，故C正確；當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈電流過大，偏轉(zhuǎn)磁場增加時，從而導(dǎo)致電子運動半徑變小，所以導(dǎo)致畫面比正常偏大，故D錯誤。9.(8分)如圖一所示是用來加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒，在加速帶電粒子時，兩金屬盒置于勻強磁場中，兩盒分別與高頻溝通電源相連。帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間t的改變規(guī)律如圖二所示，忽視帶電粒子在電場中的加速時間，則下列推斷中正確的是()A.在Ek-t圖像中應(yīng)有t4-t3<t3-t2<t2-t1B.加速電壓越大，粒子最終獲得的動能就越大C.粒子加速次數(shù)越多，粒子最大動能肯定越大D.要想粒子獲得的最大動能增大，可增加D形盒的面積【解析】選D。依據(jù)T=，粒子回旋周期不變，在Ek-t圖中應(yīng)有t4-t3=t3-t2=t2-t1，故A錯誤；依據(jù)公式qvB=m有v=，故最大動能Ekm=mv2=，與加速電壓無關(guān)，與加速次數(shù)無關(guān)，故B、C錯誤；依據(jù)最大動能Ekm=，與半徑有關(guān)；面積增加，則半徑增加，故D正確；故選D。10.(24分)質(zhì)譜儀是探討同位素的重要儀器，如圖所示為質(zhì)譜儀原理示意圖。設(shè)粒子質(zhì)量為m、電荷量為q，從S1無初速度進(jìn)入電場，加速電場電壓為U，之后垂直磁場邊界進(jìn)入勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B。不計粒子重力。求：(1)粒子進(jìn)入磁場時的速率是多大？(2)打在底片上的位置到S3的距離多大？(3)粒子從進(jìn)入磁場到打在底片上的時間是多少？【解析】(1)粒子在加速電場中運動，有：qU=mv2得粒子進(jìn)入磁場時的速率為：v=(2)設(shè)粒子在磁場中運動的軌道半徑為r，有：qvB=m打在底片上的位置到S3的距離：d=2r得：d=(3)粒子在磁場中運動的周期為：T==所求時間為：t==答案：(1)(2)(3)【補償訓(xùn)練】1.(多選)法國擁有目前世界上最先進(jìn)的高危病毒試驗室——讓·梅里厄P4試驗室，該P4試驗室全程都在高度無接觸物理防護(hù)性條件下操作，一方面防止試驗人員和其他物品受污染，同時也防止其釋放到環(huán)境中。為了無損測量生物試驗廢棄液體的流量，常用到一種電磁流量計，其原理可以簡化為如圖所示模型：液體內(nèi)含有大量正、負(fù)離子，從容器右側(cè)流入，左側(cè)流出，流量值Q等于單位時間通過橫截面的液體的體積，在垂直紙面對里的勻強磁場的作用下，下列說法正確的是()A.全部帶電粒子都受到豎直向下洛倫茲力B.穩(wěn)定后測量的UMN=BvdC.電磁流量計也可以用于測量不帶電的液體的流速D.廢液流量Q=【解析】選B、D。由左手定則可知，正離子受到的洛倫茲力向下，負(fù)離子受到的洛倫茲力向上，A錯誤；穩(wěn)定后，粒子受力平衡：qvB=q解得UMN=Bvd，B正確；電磁流量計是通過磁場對帶電粒子的洛倫茲力使正、負(fù)離子往上下兩管壁移動，從而形成電勢差，測量電勢差的大小來計算流速，無法測不帶電的液體流速，C錯誤；廢液流量：Q=Sv，其中v=，S=，解得Q=，D正確。故選B、D。2.(多選)在一個很小的矩形半導(dǎo)體薄片上，制作四個電極E、F、M、N，做成了一個霍爾元件，在E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，M、N間的電壓為UH。已知半導(dǎo)體薄片中的載流子為正電荷，電流與磁場的方向如圖所示，下列說法正確的有()A.N板電勢高于M板電勢B.磁感應(yīng)強度越大，MN間電勢差越大C.將磁場方向變?yōu)榕c薄片的上、下表面平行，UH不變D.將磁場和電流分別反向，N板電勢低于M板電勢【解析】選A、B。依據(jù)左手定則，電流的方向向里，自由電荷受力的方向指