高考物理二輪總復(fù)習(xí)專題能力訓(xùn)練10帶電粒子在組合場復(fù)合場中的運動

專題能力訓(xùn)練10帶電粒子在組合場、復(fù)合場中的運動(時間:45分鐘滿分:100分)一、選擇題(本題共8小題,每小題7分,共56分。在每小題給出的四個選項中,1~6題只有一個選項符合題目要求,7~8題有多個選項符合題目要求。全部選對的得7分,選對但不全的得4分,有選錯的得0分)1.(2021·黑龍江哈爾濱三中高三模擬)霍爾元件廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域,霍爾元件一般用半導(dǎo)體材料制成,有的半導(dǎo)體中的載流子(自由電荷)是自由電子,有的半導(dǎo)體中的載流子是空穴(相當(dāng)于正電荷)。下圖為用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件的工作原理示意圖,厚度為h,寬度為d,當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時,在導(dǎo)體上下表面會產(chǎn)生電勢差,下列說法正確的是()A.若元件的載流子是自由電子,上表面的電勢低于下表面的電勢B.若元件的載流子是空穴,上表面的電勢低于下表面的電勢C.保持電流I不變,僅增大h時,上下表面的電勢差增大D.保持電流I不變,僅增大d時,上下表面的電勢差增大2.(2021·山東濟(jì)南模擬)如圖所示,兩平行金屬板水平放置,板長和板間距均為l,兩板間接有直流電源,極板間有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場。一帶電微粒從板左端中央位置以速度v0=gl垂直磁場方向水平進(jìn)入極板,微粒恰好做勻速直線運動。若保持a板不動,讓b板向下移動0.5l,微粒從原位置以相同速度進(jìn)入,恰好做勻速圓周運動,重力加速度為g,則該微粒在極板間做勻速圓周運動的時間為()A.πg(shù)l3gC.πg(shù)lg D3.(2022·江蘇常熟中學(xué)檢測)有一種污水流量計,其原理可以簡化為如圖所示模型:廢液內(nèi)含有大量正、負(fù)離子,從直徑為d的圓柱形容器右側(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?？臻g有垂直于紙面向里的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,下列說法正確的是()A.帶負(fù)電粒子所受洛倫茲力方向向下B.M、N兩點間電壓與液體流速無關(guān)C.污水流量計的流量與管道直徑無關(guān)D.只需要再測出M、N兩點間電壓就能夠推算廢液的流量4.(2022·福建龍巖三模)CT掃描機(jī)器是醫(yī)院常用的檢測儀器,下圖是某種CT機(jī)主要部分的剖面圖。電子束從電子槍射出,進(jìn)入M、N兩極之間的加速電場,加速后進(jìn)入由偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場,磁場方向垂直于紙面。電子束沿帶箭頭的實線所示的方向前進(jìn),最終打到靶上P點,產(chǎn)生的X射線(如圖中帶箭頭的虛線所示)照射受檢人員后到達(dá)探測器。下列說法正確的是()A.偏轉(zhuǎn)磁場的方向垂直于紙面向外B.靶產(chǎn)生的X射線是由于原子的內(nèi)層電子受電子束的激發(fā)而產(chǎn)生的C.若只減小偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,P點一定向左移D.若同時增大M、N之間的加速電壓和偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,P點一定向左移5.(2022·山西臨汾二模)如圖所示,在某空間有方向相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,電場方向斜向上且與水平方向成45°角,磁場方向垂直于紙面向里。一質(zhì)量為m的帶正電的小球用不可伸長的絕緣細(xì)線懸掛于O點。開始小球靜止于P點,細(xì)線水平?，F(xiàn)用外力將小球拉到最低點Q由靜止釋放,小球運動到P點時細(xì)線的拉力恰好為零。重力加速度為g,細(xì)線始終處于拉直狀態(tài),則小球運動到P點時受到的洛倫茲力的大小為()A.mg B.2mgC.22mg D.3mg6.(2022·北京豐臺二模)跑道式回旋加速器的工作原理如圖所示。兩個勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行,相距為l,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,方向垂直于紙面向里。P、Q之間存在勻強(qiáng)加速電場,電場強(qiáng)度為E,方向與磁場邊界垂直。質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場,多次經(jīng)過電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)后,從位于邊界上的出射口K引出時動能為Ek。已知K、Q的距離為d,帶電粒子的重力不計。則下列說法正確的是 ()A.第一次加速后,粒子在Ⅱ中運動的半徑比在Ⅰ中的半徑大B.粒子每次從P點被加速到再次回到P點所用的時間相同C.粒子從出射口K引出的動能Ek=qD.粒子出射前經(jīng)過加速電場的次數(shù)N=q7.如圖所示,一對間距可變的平行金屬板C、D水平放置,兩板間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場B。兩板通過滑動變阻器與鉛蓄電池相連,這種鉛蓄電池能快速轉(zhuǎn)換到“逆變”狀態(tài),即外界電壓過低時能向外界提供一定的供電電壓,當(dāng)外界電壓超過某一限定值時可轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)。閉合開關(guān)S后,有一束不計重力的帶正電粒子從左側(cè)以一定的速度v0射入兩板間恰能做直線運動?，F(xiàn)對入射粒子或?qū)ρb置進(jìn)行調(diào)整,則下列有關(guān)描述正確的是()A.若僅將帶正電的粒子換成帶負(fù)電的粒子,也能直線通過B.若只增大兩板間距到一定程度,可使鉛蓄電池處于充電狀態(tài)C.若將滑動變阻器的滑片P向a端滑動,可提高C極板的電勢D.若只減小入射粒子的速度,可使鉛蓄電池處于充電狀態(tài)8.回旋加速器主要結(jié)構(gòu)如圖所示,兩個中空的半圓形金屬盒接高頻交流電源置于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場中,兩盒間的狹縫寬度很小。粒子源S位于金屬盒的圓心處,產(chǎn)生的粒子初速度可以忽略。用兩臺回旋加速器分別加速氕(p)和氚(T)核,這兩臺加速器的金屬盒半徑、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高頻交流電源的電壓均相等,不考慮相對論效應(yīng),則氕(p)和氚(T)核()A.所能達(dá)到的最大動能相等B.所能達(dá)到的最大動量大小相等C.氕核受到的最大洛倫茲力大于氚核D.在達(dá)到最大動能的過程中通過狹縫的次數(shù)相等二、非選擇題(本題共3小題,共44分)9.(14分)(2022·廣東潮州二模)在芯片制造過程中,離子注入是芯片制造的重要工序。圖甲是我國自主研發(fā)的離子注入機(jī),圖乙是離子注入機(jī)的部分工作原理示意圖。從離子源發(fā)出的離子經(jīng)電場加速后沿水平方向先通過速度選擇器,再進(jìn)入磁分析器,磁分析器是中心線半徑為R的四分之一圓環(huán),其兩端中心位置M和N處各有一個小孔,利用磁分析器選擇出特定比荷的離子后經(jīng)N點打在硅片(未畫出)上,完成離子注入。已知速度選擇器和磁分析器中的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向均垂直于紙面向外;速度選擇器中勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度大小為E。整個系統(tǒng)置于真空中,不計離子重力。甲乙(1)求能從速度選擇器中心線通過的離子的速度大小v。(2)求能通過N打到硅片上的離子的比荷qm10.(15分)(2019·全國卷Ⅰ)如圖所示,在直角三角形OPN區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向外。一帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)電壓U加速后,沿平行于x軸的方向射入磁場;一段時間后,該粒子在OP邊上某點以垂直于x軸的方向射出。已知O點為坐標(biāo)原點,N點在y軸上,OP與x軸的夾角為30°,粒子進(jìn)入磁場的入射點與離開磁場的出射點之間的距離為d,不計重力。求:(1)帶電粒子的比荷;(2)帶電粒子從射入磁場到運動至x軸的時間。11.(15分)右圖為豎直平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系xOy,x軸水平且上方有豎直向下的勻強(qiáng)電場,電場強(qiáng)度大小為E,在x軸下方有一圓形有界勻強(qiáng)磁場,與x軸相切于坐標(biāo)原點,半徑為R。已知質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子,在y軸上的(0,R)點無初速度釋放,粒子恰好經(jīng)過磁場中33(1)求磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。(2)若將該粒子釋放位置沿y=R直線向左移動一段距離l,無初速度釋放,當(dāng)l為多大時粒子在磁場中運動的時間最長?最長時間是多少?(3)在(2)的情況下粒子回到電場后運動到最高點時的橫坐標(biāo)為多少?

專題能力訓(xùn)練10帶電粒子在組合場、復(fù)合場中的運動1.A解析:若元件的載流子是自由電子,根據(jù)左手定則,自由電子向上表面聚集,則上表面的電勢低于下表面的電勢,A正確。若元件的載流子是空穴,根據(jù)左手定則,空穴相當(dāng)于正電荷向上表面聚集,則上表面的電勢高于下表面的電勢,B錯誤。電流I不變時,則有qE=qUh=qvB,又I=nqSv=nqvdh,則U=BInqd,上下表面的電勢差與h無關(guān),僅增大2.A解析:微粒恰好做勻速直線運動時,有qUl=qv0B+mg,恰好做勻速圓周運動時,有qU32l=mg,聯(lián)立解得mg2=qv0B,即v0=mg2qB,由題意可知v0=gl,則有mg2qB=gl,由公式qv0B=mv02R,得3.D解析:根據(jù)左手定則判斷,帶負(fù)電粒子所受洛倫茲力方向向上,選項A錯誤。廢液流速穩(wěn)定后,粒子受力平衡,有qvB=qUd,解得U=Bvd,易知M、N兩點間電壓與液體流速有關(guān),選項B錯誤。廢液的流量為Q=Svtt=Sv,聯(lián)立可得Q=πUd4B4.B解析:根據(jù)左手定則可知,偏轉(zhuǎn)磁場的方向垂直于紙面向里,選項A錯誤。靶產(chǎn)生的X射線是由于原子的內(nèi)層電子受電子束的激發(fā)而產(chǎn)生的,選項B正確。根據(jù)洛倫茲力提供向心力得qvB=mv2r,則r=mvqB,若只減小偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,電子在磁場中的軌跡半徑增大,P點向右移,選項C錯誤。忽略電子從電子槍出射時的速度,電子經(jīng)過加速電場,根據(jù)動能定理得qU=12mv2,解得v=2qUm,電子在磁場中的半徑為r=mvqB5.D解析:小球靜止于P點時,細(xì)線恰好水平,由平衡原理,說明重力和靜電力的合力水平向右,設(shè)重力和靜電力的合力為F,則F=mg。從Q到P,由動能定理得Fl=12mv2。運動到P點細(xì)線的拉力恰好為零,向心力表達(dá)式為F洛F=mv2l,得F洛=6.C解析:粒子在磁場中根據(jù)洛倫茲力提供向心力得qvB=mv2r,得r=mvqB,由題意可知,粒子在Ⅱ中運動的速度大小與在Ⅰ中運動的速度大小相等,則半徑也相等,選項A錯誤。粒子每次從P點被加速到再次回到P點所用的時間等于在兩磁場中運動的時間與在電場中加速的時間之和,由T=2πmqB可知,粒子在兩磁場中運動的時間相同,但在加速電場中的時間越來越短,所以粒子每次從P點被加速到再次回到P點所用的時間不同,選項B錯誤。設(shè)粒子從出射口K射出時的速度大小為vm,此時粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑最大,為r=d2,粒子在磁場中做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心力,由牛頓第二定律得qvmB=mvm2r,粒子從出射口K射出時的動能Ek=12mvm27.AB解析:帶正電的粒子恰好做直線運動,其靜電力和洛倫茲力相平衡,由Udq=qv0B可知v0=UBd,若換成帶負(fù)電的粒子,靜電力和洛倫茲力都反向,仍然平衡,直線通過,故選項A正確;若增大兩板間距,帶正電粒子射入時受洛倫茲力作用偏轉(zhuǎn)而堆積在上極板上,將提高兩板間電壓,若此電壓超過蓄電池的逆變電壓就會使之處于“逆變”狀態(tài)而被充電,故選項B正確;由于電容器的兩極板是彼此絕緣的,調(diào)節(jié)滑片8.BC解析:粒子在磁場中做勻速圓周運動,由洛倫茲力提供向心力,由牛頓第二定律得qvB=mv2r,得v=qBrm;粒子軌道半徑r為最大R時,粒子速度最大,粒子的最大速度為vmax=qBRm,粒子最大動量p=mvmax=qBR,則所能達(dá)到的最大動量大小相等;粒子能達(dá)到的最大動能為Ekmax=12mvmax2=q2B2R29.答案:(1)EB(2)EB解析:(1)離子通過速度選擇器時,有qE=qvB解得v=EB(2)離子在磁分析器中,有qvB=mv解得q對離子受力分析可知,離子受到的洛倫茲力指向圓心O,根據(jù)左手定則可知離子帶正電荷。10.答案:(1)4UB2解析:(1)設(shè)帶電粒子的質(zhì)量為m,電荷量為q,加速后的速度大小為v。由動能定理有qU=12mv2 設(shè)粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑為r,由洛倫茲力公式和牛頓第二定律有qvB=mv2r由幾何關(guān)系知d=2r ③聯(lián)立①②③式得qm=(2)由幾何關(guān)系知,帶電粒子射入磁場后運動到x軸所經(jīng)過的路程為s=πr2+r帶電粒子從射入磁場到運動至x軸的時間為t=sv 聯(lián)立②④⑤⑥式得t=Bd211.答案:(1)3mE2qR(2)32R(3)53解析:(1)粒子勻加速運動,有EqR=12mv2,解得v=設(shè)圓周運動半徑為r,圓心為O1,則