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1、磁磁场的的综合运用合运用一、质谱仪一、质谱仪二、速度选择器二、速度选择器三、盘旋加速器三、盘旋加速器06年广东东莞中学高考模拟试题年广东东莞中学高考模拟试题807年佛山市教学质量检测年佛山市教学质量检测807届广东省惠阳市综合测试卷三届广东省惠阳市综合测试卷三 22019年高考广东卷年高考广东卷15(3)江苏省如东高级中学江苏省如东高级中学07年年2月期末试卷月期末试卷192019年高考江苏卷年高考江苏卷17磁磁场的的综合运用合运用一、质谱仪一、质谱仪带电粒子在复合场中的运动规律广泛运用于近代物理带电粒子在复合场中的运动规律广泛运用于近代物理的许多实验安装中，如质谱仪、盘旋加速器、磁流体的许多
2、实验安装中，如质谱仪、盘旋加速器、磁流体发电机、电磁流量计等，因此，在复习中应将根底实发电机、电磁流量计等，因此，在复习中应将根底实际知识融入实践运用之中，提高分析和处理实践问题际知识融入实践运用之中，提高分析和处理实践问题的才干。的才干。 以以下下的的两两种种安安装装都都可可以以用用来来测定定带电粒粒子子的的荷荷质比比.也也可以在知可以在知电量的情况下量的情况下测定粒子定粒子质量。量。带电粒子粒子质量量m,电荷量荷量q,由由电压U加速后垂直加速后垂直进入磁入磁感感应强度度为B的匀的匀强磁磁场,设轨道半径道半径为r,那么有：那么有：NUOMB可得可得带电粒粒子子质量量m,电荷荷量量q,以以速速
3、度度v穿穿过速速度度选择器器(电场强度度E，磁磁感感应强度度B1),垂垂直直进入入磁磁感感应强度度为B2的的匀匀强磁磁场.设轨道道半半径径为r,那那么么有：有：MB2EB1NqE=qvB1可得：可得：二、速度选择器二、速度选择器正正交交的的匀匀强磁磁场和和匀匀强电场组成成“速速度度选择器器。带电粒粒子子不不计重重力力必必需需以以独独一一确确定定的的速速度度才才干干匀匀速速或或者者说沿沿直直线经过速速度度选择器器。否否那那么么将将发生生偏偏转。这个个速速度度的的大大小小可可以以由由洛洛仑兹力力和和电场力力的平衡得出：的平衡得出：vBEqvB=Eq这个个结论与离子与离子带何种何种电荷、荷、电量多少
4、都无关。量多少都无关。假假设速速度度小小于于这一一速速度度，电场力力将将大大于于洛洛仑兹力力，带电粒粒子子向向电场力力方方向向偏偏转，电场力力做做正正功功，动能能将将增增大大，洛洛仑兹力力也也将将增增大大；假假设大大于于这一一速速度度，将将向向洛洛仑兹力方向偏力方向偏转，电场力将做力将做负功，功，动能将减小能将减小,洛洛仑兹力也将减小，力也将减小，粒子的粒子的轨迹既不是抛物迹既不是抛物线，也不，也不是是圆，而是一条复，而是一条复杂曲曲线。三、盘旋加速器三、盘旋加速器利用利用带电粒子在匀粒子在匀强磁磁场中做匀速中做匀速圆周运周运动的周期与的周期与速度大小无关的特点，可以作成速度大小无关的特点，可
5、以作成盘旋加速器。旋加速器。在在AA和和AA间加加交交变电压，其其周周期期与与粒粒子子运运动周周期期一一样。带电粒粒子子在在两两个个D形形金金属属盒盒之之间运运动时，被被电场加加速速；在在D形形金金属属盒盒内内运运动时，由由于于D形形金金属属盒盒可可以以屏屏蔽蔽电场，因因此此带电粒粒子子只只受受洛洛仑兹力力作作用用而而作作匀匀速速圆周周运运动。D形形金金属属盒盒的的半半径径与与粒粒子子的的最最大大动能能对应。用此安装可以将。用此安装可以将质子加速到子加速到约20MeV。BAAABA0A06年广东东莞中学高考模拟试题年广东东莞中学高考模拟试题88盘盘旋旋加加速速器器是是加加速速带带电电粒粒子子的
6、的安安装装，其其中中心心部部分分是是分分别别与与高高频频交交流流电电两两极极相相衔衔接接的的两两个个D形形金金属属盒盒，两两盒盒间间的的狭狭缝缝中中构构成成的的周周期期性性变变化化的的匀匀强强电电场场，使使粒粒子子在在经经过过狭狭缝缝时时都都能能得得到到加加速速两两D形形金金属属盒盒处处于于垂垂直直于于盒盒底底面面的的匀匀强强磁磁场场中中，如如下下图图，设设匀匀强强磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度为为B，D形形金金属属盒盒的的半半径径为为R，狭狭缝缝间间的的间间隔隔为为d，匀匀强强电电场场间间的的加加速速电电压压为为U，要要增增大大带带电电粒粒子子电电荷荷量量为为q质质量量为为m，不不计计重重
7、力力射射出出时时的的动动能能，那那么么以下方法中正确的选项是：以下方法中正确的选项是： ( )A增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压 B减小狭缝间的间隔减小狭缝间的间隔C增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度 D增大增大D形金属盒的半径形金属盒的半径dRBU解：解：C D07年佛山市教学质量检测年佛山市教学质量检测88盘旋加速器是加速旋加速器是加速带电粒子的安装，其中心部分是粒子的安装，其中心部分是分分别与高与高频交流交流电两极相两极相衔接的两个接的两个D形金属盒，两盒形金属盒，两盒间的狭的狭缝中构成的周期性中构成的周期性变化的匀化的匀强强电场(其其频率率为f ),使粒子在使粒子
8、在经过狭狭缝时都能得到加速，两都能得到加速，两D形金属盒形金属盒处于于垂直于盒底面的匀垂直于盒底面的匀强强磁磁场中，如下中，如下图，设匀匀强强磁磁场的磁的磁感感应强强度度为B，D形金属盒的半径形金属盒的半径为R，狭，狭缝间的的间隔隔为d，匀，匀强强电场间的加速的加速电压为U。那么以下。那么以下说法中正确的法中正确的选项是：是：( )A增大匀增大匀强电场间的加速的加速电压，被，被加速粒子最加速粒子最终获得的得的动能将增大；能将增大；B.增大磁增大磁场的磁感的磁感应强度度, 被加速粒被加速粒子最子最终获得的得的动能将增大；能将增大；C.被加速粒子最被加速粒子最终速度大小不超速度大小不超2f R；D
9、.增大匀增大匀强电场间的加速的加速电压, 被加速被加速粒子在加速器中运粒子在加速器中运动的圈数将减少。的圈数将减少。dRBUB C D07届广东省惠阳市综合测试卷三届广东省惠阳市综合测试卷三 22.为为了了丈丈量量某某化化工工厂厂的的污污水水排排放放量量，技技术术人人员员在在该该厂厂的的排排污污管管末末端端安安装装了了如如下下图图的的流流量量计计，该该安安装装由由绝绝缘缘资资料料制制成成，长长、宽宽、高高分分别别为为a、b、c，左左右右两两端端开开口口，在在垂垂直直于于上上下下底底面面方方向向加加磁磁感感应应强强度度为为B的的匀匀强强磁磁场场，在在前前后后两两个个内内侧侧固固定定有有金金属属板
10、板作作为为电电极极，污污水水充充溢溢管管口口从从左左向向右右流流经经该该安安装装时时，电电压压表表将将显显示示两两个个电电极极间间的的电电压压U假假设设用用Q表表示示污污水水流流量量单单位位时时间间内内打打出出的的污污水水体体积，以下说法中正确的选项是积，以下说法中正确的选项是 A假假设设污污水水中中正正离离子子较较多多，那那么么前前外外表表比比后后外外表表电电势势高高B前外表的电势一定低于后外表的电势，前外表的电势一定低于后外表的电势，与哪种离子多无关与哪种离子多无关C污水中离子浓度越高，电压表污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大的示数将越大 D污水流量污水流量Q与与U成正比，与成正比，与
11、a、b无关无关前外表前外表cabQB解见下页解见下页B D解：由左手定那么，正离子向后外表集中，解：由左手定那么，正离子向后外表集中，负离子离子向前外表集中，前后外表构成向前外表集中，前后外表构成电势差，前外表的差，前外表的电势一定低于后外表的一定低于后外表的电势。设液体中离子的液体中离子的带电量量为q，污水的速度水的速度为v Bqv=qU/ b U= v Bb电压表的示数与表的示数与q无关，即与无关，即与污水中离子水中离子浓度无关度无关流量流量 Q=V/t=LS/t=vS=vbc=cU/B即即Q与与U成正比，与成正比，与a、b无关无关2019年高考广东卷年高考广东卷15(3)15.(3)带电
12、粒粒子子的的荷荷质比比q/m是是一一个个重重要要的的物物理理量量。某某中中学学物物理理兴趣趣小小组设计了了一一个个实验,探探求求电场和和磁磁场对电子运子运动轨迹的影响迹的影响,以求得以求得电子子的荷的荷质比比,实验安装如安装如图13所示。所示。他他们的主要的主要实验步步骤如下：如下： A首先在两极板首先在两极板M1M2之之间不不加加任任何何电场、磁磁场，开开启启阴阴极极射射线管管电源源，发射射的的电子子从两极板中央从两极板中央经过，在，在荧幕的正中心幕的正中心处察看到一个亮点；察看到一个亮点； B在在M1M2两两极极板板间加加适适宜宜的的电场：加加极极性性如如图13所所示示的的电压，并并逐逐渐
13、伐伐节增增大大，使使荧幕幕上上的的亮亮点点逐逐渐向向荧幕幕下下方方偏偏移移，直直到到荧幕幕上上恰恰美美观不不见亮亮点点为止止，记下下此此时外加外加电压为U。请问本步本步骤目的是什么？目的是什么？ M1M2电子束电子束荧屏荧屏电极板电极板d解解: 使使电子子刚好落在正极板的近好落在正极板的近荧光屏端光屏端边缘，利用，利用知量表达知量表达q/m.根根据据上上述述实验步步骤, ,同同窗窗们正正确确推推算算出出电子子的的荷荷质比比与外加与外加电场、磁、磁场及其他相关量的关系及其他相关量的关系为一一位位同同窗窗说，这阐明明电子子的的荷荷质比比将将由由外外加加电压决决议，外外加加电压越越大大那那么么电子子
14、的的荷荷质比比越越大大，他他以以为他他的的说法正确法正确吗？为什么？什么？ C坚持步骤坚持步骤B中的电压中的电压U不变，对不变，对M1M2区域加一区域加一个大小、方向适宜的磁场个大小、方向适宜的磁场B，使荧幕正中心重现亮点，使荧幕正中心重现亮点，试问外加磁场的方向如何？试问外加磁场的方向如何？垂直垂直电场方向向外垂直方向向外垂直纸面向外面向外说法不正确，法不正确，电子的荷子的荷质比是比是电子的固有参数子的固有参数.江苏省如东高级中学江苏省如东高级中学07年年2月期末试卷月期末试卷1919如如图甲甲为电视机中机中显像管的原理表示像管的原理表示图，电子子枪中的灯中的灯丝加加热阴极而逸出阴极而逸出电
15、子，子，这些些电子再子再经加加速速电场加速后，从加速后，从O点点进入由磁偏入由磁偏转线圈圈产生的偏生的偏转磁磁场中，中，经过偏偏转磁磁场后打到后打到荧光屏光屏MN上，使上，使荧光屏光屏发出出荧光构成光构成图像，不像，不计逸出逸出电子的初速度和重力。知子的初速度和重力。知电子的子的质量量为m、电荷量荷量为e，加速，加速电场的的电压为U0，假假设偏偏转线圈圈产生的磁生的磁场分布在分布在边长为L的正方形区域的正方形区域abcd内，磁内，磁场方向垂直方向垂直纸面，且磁感面，且磁感应强度随度随时间的的变化化规律如律如图乙所示。在每个周期内磁感乙所示。在每个周期内磁感应强度度都是从都是从-B0均匀均匀变化
16、到化到B0。磁。磁场区域的左区域的左边境的中点与境的中点与O点重合，点重合，ab边与与OO平行，右平行，右边境境bc与与荧光屏之光屏之间的的间隔隔为s。由于磁。由于磁场区域区域较小，小，电子速度很大，子速度很大，经过磁磁场时间t 远小于磁小于磁场变化周期化周期T，不，不计电子之子之间的相互的相互作用。作用。 第第3页页 假假设电视机任机任务中由于缺点而中由于缺点而导致偏致偏转线圈中圈中电流流忽然消逝其它部分任忽然消逝其它部分任务正常，在正常，在荧光屏中心构成光屏中心构成亮斑。亮斑。设一切一切电子垂直打在子垂直打在荧光屏上之后，全部被光屏上之后，全部被荧光屏吸收，且光屏吸收，且电子流构成的子流构
17、成的电流流为I，求，求荧光屏所受平光屏所受平均作用力均作用力F大小；用大小；用I、U0、e、m表示表示 为使一切的使一切的电子都能从磁子都能从磁场的的bc边射出，求偏射出，求偏转线圈圈产生磁生磁场的磁感的磁感应强度的最大度的最大值B0； 荧光屏上亮光屏上亮线的最大的最大长度是多少。假度是多少。假设电子不会子不会打在打在荧光屏之外光屏之外0BtB0-B0乙乙s甲甲abdcU0NMOO电子枪电子枪第第4页页 解解: 由由动能定理得：能定理得： eU0 = mv2/2 设时间t内有内有N个个电子打在子打在荧光屏上，那么有光屏上，那么有 I=N e/t，根据根据动量定理知：量定理知：F t = Nmv
18、-0由上三式得：由上三式得： 当磁感当磁感应强度度为B0或或B0时垂直于垂直于纸面向外面向外为正方向，正方向，电子子刚好从好从b点或点或c点射出，点射出，设此此时圆周的周的半径半径为R，如下，如下图。根据几何关系有：。根据几何关系有：s LRR-L/2L/2解得：解得： R = 5L/4电子在磁子在磁场中运中运动,洛洛仑兹力提供向心力力提供向心力,因此有因此有: 解得：解得：标题标题 设电子偏离原来方向的角度子偏离原来方向的角度为ORRL/2LU0根据几何关系可知：根据几何关系可知：= 37设电子打在子打在荧光屏上离光屏上离O点的最大点的最大间隔隔为d，那么，那么由于偏由于偏转磁磁场的方向随的
19、方向随时间变化，根据化，根据对称性可知，称性可知，荧光屏上的亮光屏上的亮线最大最大长度度为： 标题标题第第2页页2019年高考江苏卷年高考江苏卷1717、15分分磁磁谱仪是是丈丈量量能能谱的的重重要要仪器器。磁磁谱仪的的任任务原原理理如如下下图，放放射射源源S发出出质量量为m、电量量为q的的粒粒子子沿沿垂垂直直磁磁场方方向向进入入磁磁感感应强度度为B的的匀匀强磁磁场，被被限限束束光光栏Q限限制制在在 的的小小角角度度内内，粒粒子子经磁磁场偏偏转后后打打到到与与限限束束光光栏平平行行的的感感光光片片P上上。重重力力影影响不响不计(1)假假设能能量量在在EE+EE0,且且EE范范围内内的的粒粒子子
20、均均沿沿垂垂直直于于限限束束光光栏的的方方向向进入入磁磁场.试求求这些些粒子打在胶片上的范粒子打在胶片上的范围x1 (2)实践上，限束光践上，限束光栏有一定的有一定的宽度度, 粒子将在粒子将在 角内角内进入磁入磁场。试求能量均求能量均为E的的粒子打到感光粒子打到感光胶片上的范胶片上的范围x2QSxP解：解： 1设粒粒子子以以速速度度v进入入磁磁场，打打在在胶胶片片上上的的位置距位置距S的的间隔隔为xx1QSxP由由圆周运周运动 粒子的粒子的动能能 x=2R 由由式可得式可得由近似公式由近似公式化化简可得可得QSxP(2) 动能能为E的的粒子沿粒子沿 角入射角入射,轨道半径一道半径一样,设为Rx2由由圆周运周运动 粒子的粒子的动能能 由几何关系得由几何关系得标题标题
