《2019年高考物理一轮复习第九章磁场专题强化十带电粒子在复合场中运动的实例分析学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019年高考物理一轮复习第九章磁场专题强化十带电粒子在复合场中运动的实例分析学案（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、专题强化十带电粒子在复合场中运动的实例分析专题解读1.本专题是磁场、力学、电场等知识的综合应用，高考往往以计算压轴题的形式出现2学习本专题，可以培养同学们的审题能力、推理能力和规范表达能力针对性的专题训练，可以提高同学们解决难题压轴题的信心3用到的知识有：动力学观点(牛顿运动定律)、运动学观点、能量观点(动能定理、能量守恒)、电场的观点(类平抛运动的规律)、磁场的观点(带电粒子在磁场中运动的规律)命题点一质谱仪的原理和分析1作用测量带电粒子质量和分离同位素的仪器2原理(如图1所示)图1加速电场：qUmv2；偏转磁场：qvB，l2r；由以上两式可得r，m，.例1现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍
2、的离子，其示意图如图2所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍此离子和质子的质量比约为()图2A11B12C121D144同一加速电场；同一出口离开磁场答案D解析由qUmv2得带电粒子进入磁场的速度为v，结合带电粒子在磁场中运动的轨迹半径R，综合得到R，由题意可知，该离子与质子在磁场中具有相同的轨道半径和电荷量，故144，故选D.11922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖若速度
3、相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图3所示，则下列相关说法中正确的是()图3A该束带电粒子带负电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小D在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大答案C解析带电粒子在磁场中向下偏转，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子带正电，故选项A错误在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，故选项B错误进入B2磁场中的粒子速度是一定的，根据qvB得，r，知r越大，比荷越小，而质量m不一定大，故选项C正确，D错误2一台
4、质谱仪的工作原理如图4所示，电荷量均为q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上已知放置底片的区域MNL，且OML.某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧区域QN仍能正常检测到离子在适当调节加速电压后，原本打在MQ区域的离子即可在QN区域检测到图4(1)求原本打在MN中点P点的离子质量m；(2)为使原本打在P点的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围答案(1)(2)U解析(1)离子在电场中加速qU0mv2，在磁场中做匀速圆周运动qvBm，解得r0，代入r0L，解得m
5、.(2)由(1)知，U，离子打在Q点rL，U，离子打在N点rL，U，则电压的范围为U.命题点二回旋加速器的原理和分析1加速条件：T电场T回旋；2磁场约束偏转：qvBv.3带电粒子的最大速度vmax，rD为D形盒的半径粒子的最大速度vmax与加速电压U无关4回旋加速器的解题思路(1)带电粒子在缝隙的电场中加速、交变电流的周期与磁场周期相等，每经过磁场一次，粒子加速一次(2)带电粒子在磁场中偏转、半径不断增大，周期不变，最大动能与D形盒的半径有关例2(多选)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图5所示置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略磁感应强度为
6、B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响则下列说法正确的是()图5A质子被加速后的最大速度不可能超过2RfB质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1D不改变磁感应强度B和交流电频率f，该回旋加速器的最大动能不变D形金属盒半径为R；狭缝很小答案AC解析质子被加速后的最大速度受到D形盒半径R的制约，因v2Rf，故A正确；质子离开回旋加速器的最大动能Ekmmv2m42R2f22m2R2f2，与加速电压U无关，B错误；根
7、据R，Uqmv，2Uqmv，得质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1，C正确；因回旋加速器的最大动能Ekm2m2R2f2与m、R、f均有关，D错误3(多选)如图6甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，并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的变化规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是()图6A在Ekt图中应有t4t3t3t2t2t1B高频电源的变化周期应该等于tntn1C粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D当B一定时，要想粒子获得的最大动能越大，则要求D形盒的面积也
8、越大答案AD解析由T可知，粒子回旋周期不变，则有t4t3t3t2t2t1，选项A正确；交流电源的周期必须和粒子在磁场中运动的周期一致，故高频电源的变化周期应该等于2(tntn1)，选项B错误；由R可知，粒子的最大动能为Ekm，故粒子最后获得的最大动能与加速次数无关，与D形盒内磁感应强度和D形盒的半径有关，可知选项C错误，D正确4回旋加速器的工作原理如图7甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m，电荷量为q，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U0.周期T.一束该粒子在t0时间内从A处均匀地飘入狭缝，其初速度
9、视为零现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用求：图7(1)出射粒子的动能Ek；(2)粒子从飘入狭缝至动能达到Ek所需的总时间t0.答案(1)(2)解析(1)粒子运动半径为R时，有qvBm，又Ekmv2，解得Ek.(2)设粒子被加速n次达到动能Ek，则EknqU0.粒子在狭缝间做匀加速运动，设n次经过狭缝的总时间为t，加速度a，粒子做匀加速直线运动，有ndat2，由t0(n1)t，解得t0.命题点三霍尔效应的原理和分析1.定义：高为h，宽为d的金属导体(自由电荷是电子)置于匀强磁场B中，当电流通过金属导体时，在金属导体的上表面A和下表面A
10、之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压2电势高低的判断：如图8，金属导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，下表面A的电势高图83霍尔电压的计算：导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转，A、A间出现电势差，当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，A、A间的电势差(U)就保持稳定，由qvBq，InqvS，Shd；联立得Uk，k称为霍尔系数例3(多选)如图9所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为I，线圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小B与I成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此时通过霍尔元件的电流为IH，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足：U
11、Hk，式中k为霍尔系数，d为霍尔元件两侧面间的距离电阻R远大于RL，霍尔元件的电阻可以忽略，则()图9A霍尔元件前表面的电势低于后表面B若电源的正负极对调，电压表将反偏CIH与I成正比D电压表的示数与RL消耗的电功率成正比UHk；电阻R远大于RL.答案CD解析当霍尔元件通有电流IH时，根据左手定则，电子将向霍尔元件的后表面运动，故霍尔元件的前表面电势较高若将电源的正负极对调，则磁感应强度B的方向换向，IH方向变化，根据左手定则，电子仍向霍尔元件的后表面运动，故仍是霍尔元件的前表面电势较高，选项A、B错误因R与RL并联，根据并联分流，得IHI，故IH与I成正比，选项C正确由于B与I成正比，设Ba
12、I，则ILI，PLIRL，故UHkPL，知UHPL，选项D正确5(多选)如图10，为探讨霍尔效应，取一块长度为a、宽度为b、厚度为d的金属导体，给金属导体加与前后侧面垂直的匀强磁场B，且通以图示方向的电流I时，用电压表测得导体上、下表面M、N间电压为U.已知自由电子的电荷量为e.下列说法中正确的是()图10AM板比N板电势高B导体单位体积内自由电子数越多，电压表的示数越大C导体中自由电子定向移动的速度为vD导体单位体积内的自由电子数为答案CD解析电流方向向右，电子定向移动方向向左，根据左手定则判断可知，电子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则M板积累了电子，M、N之间产生向上的电场，所以M板比N板电
13、势低，选项A错误电子定向移动相当于长度为d的导体切割磁感线产生感应电动势，电压表的读数U等于感应电动势E，则有UEBdv，可见，电压表的示数与导体单位体积内自由电子数无关，选项B错误；由UEBdv得，自由电子定向移动的速度为v，选项C正确；电流的微观表达式是InevS，则导体单位体积内的自由电子数n，Sdb，v，代入得n，选项D正确6利用霍尔效应制作的元件，广泛应用于测量和自动控制等领域如图11是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧就会形成电势差UCD，下列说法中正确的是()图11A电势差UCD仅与材料有关B仅增大磁感应强度时，C、
14、D两面的电势差变大C若霍尔元件中定向移动的是自由电子，则电势差UCD0D在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平方向答案B解析设霍尔元件的厚度为d, 长为a，宽为b，稳定时有Bqvq，又因为InqSv，其中n为单位体积内自由电荷的个数，q为自由电荷所带的电荷量，Sbd，联立解得：UCD，可知选项A错误；若仅增大磁感应强度B，则C、D两面的电势差增大，选项B正确；若霍尔元件中定向移动的是自由电子，由左手定则可知，电子将向C侧偏转，则电势差UCD0，选项C错误；地球赤道上方的地磁场方向为水平方向，元件的工作面要与磁场方向垂直，故元件的工作面应保持竖直方向，选项D错误命题点四速度选择器、磁流体发电机和电磁流量计1速度选择器图12(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直(如图12)(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qvBqE，即v.(3)速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量(4)速度选择器具有单向性2磁流体发电机(如图13)图13(1)原理：等离子气体喷入磁场，正负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在A、B板上，产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能(2)电源正、负极判断：根据左手定则可判断出图中的B
