新教材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)用分層作業(yè)魯科版選擇性必修第二冊(cè)

第3節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用A級(jí)必備學(xué)問(wèn)基礎(chǔ)練1.如圖所示,回旋加速器是加速帶電粒子的裝置,其主體部分是兩個(gè)D形金屬盒。兩金屬盒處在垂直于盒面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,a、b分別與高頻溝通電源兩極相連接,下列說(shuō)法正確的是()A.離子從磁場(chǎng)中獲得能量B.帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期是改變的C.離子由加速器的中心旁邊進(jìn)入加速器D.增大金屬盒的半徑,粒子射出時(shí)的最大動(dòng)能不變2.質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具,它的構(gòu)造原理如圖所示,離子源S產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量為m,電荷量為q的正離子,離子產(chǎn)生出來(lái)時(shí)的速度很小,可以看作是靜止的,離子產(chǎn)生出來(lái)后經(jīng)過(guò)電壓U加速,進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),沿著半圓運(yùn)動(dòng)而達(dá)到記錄它的照相底片P上,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離為x,則下列說(shuō)法正確的是()A.若某離子經(jīng)上述裝置后,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離大于x,則說(shuō)明離子的質(zhì)量肯定變大B.若某離子經(jīng)上述裝置后,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離大于x,則說(shuō)明加速電壓U肯定變大C.若某離子經(jīng)上述裝置后,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離大于x,則說(shuō)明磁感應(yīng)強(qiáng)度B肯定變大D.若某離子經(jīng)上述裝置后,測(cè)得它在P上的位置到入口處S1的距離大于x,則說(shuō)明離子所帶電荷量q可能變小3.回旋加速器的工作原理如圖所示,置于高真空中的D形金屬盒半徑為R,兩盒間的狹縫很小,帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可以忽視不計(jì)。磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直。A處粒子源產(chǎn)生的粒子,質(zhì)量為m、電荷量為+q,在加速器中被加速,加速電壓為U。加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力作用。求粒子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比。B級(jí)關(guān)鍵實(shí)力提升練4.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重許多倍的離子,其示意圖如圖所示,其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止起先被加速電場(chǎng)加速,經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止起先被同一加速電場(chǎng)加速,為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng),需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為()A.11 B.12 C.121 D.1445.(2024江蘇南通期末)回旋加速器的示意圖如圖所示,交變電壓u大小和頻率保持不變,磁場(chǎng)B的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可以調(diào)整。用該裝置分別對(duì)質(zhì)子(11H)和氦核(2A.1∶8 B.1∶4C.1∶2 D.1∶16.回旋加速器D形盒中心為質(zhì)子流,D形盒的交變電壓為U,靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后,進(jìn)入D形盒,其最大軌道半徑為R,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,質(zhì)子質(zhì)量為m,電荷量為e。求:(1)質(zhì)子最初進(jìn)入D形盒的動(dòng)能。(2)質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最終得到的動(dòng)能。(3)溝通電源的頻率。7.一臺(tái)質(zhì)譜儀的工作原理如圖所示,電荷量均為+q、質(zhì)量不同的離子飄入電壓為U0的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為零。這些離子經(jīng)加速后通過(guò)狹縫O沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),最終打在底片上。已知放置底片的區(qū)域MN=l,且OM=l。某次測(cè)量發(fā)覺(jué)MN中左側(cè)23區(qū)域MQ損壞,檢測(cè)不到離子,但右側(cè)13區(qū)域QN仍能正常檢測(cè)到離子。在適當(dāng)調(diào)整加速電壓后,原本打在MQ的離子即可在(1)求原本打在MN的中點(diǎn)P的離子質(zhì)量m;(2)為使原本打在P的離子能打在QN區(qū)域,求加速電壓U的調(diào)整范圍。

第3節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用1.C離子在回旋加速器中從電場(chǎng)中獲得能量,帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期是不變的,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;離子由加速器的中心旁邊進(jìn)入加速器,增大金屬盒的半徑,粒子射出時(shí)的最大動(dòng)能增大,選項(xiàng)C正確、D錯(cuò)誤。2.D由qU=12mv2,得v=2qUm,x=2R,所以x=2mvqB=2B2mUq3.解析設(shè)粒子第1次經(jīng)過(guò)狹縫后的半徑為r1,速度為v1,則有qU=12mv12,qv1B=mv同理,粒子第2次經(jīng)過(guò)狹縫后的半徑r2=1則r2∶r1=2∶1。答案2∶14.D帶電粒子在加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),有qU=12mv2,在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí),其半徑r=mvqB,由以上兩式整理得r=1B2mUq。由于質(zhì)子與一價(jià)正離子的電荷量相同,B1∶B2=5.B由題意可得,粒子射出時(shí)速度最大,動(dòng)能也最大,且粒子射出時(shí)的最大半徑為D形盒的半徑,故兩種粒子射出時(shí)的運(yùn)動(dòng)半徑相等,由qvB=mv2R,v=2πRT,可得粒子射出的最大速度為vm=qBRm,粒子周期為T(mén)=2πmqB,交變電壓頻率保持不變,則兩種粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期相同,即2πmHqHBH=2π6.解析(1)質(zhì)子在電場(chǎng)中加速,由動(dòng)能定理得Ek=eU。(2)質(zhì)子在回旋加速器的磁場(chǎng)中繞行的最大軌道半徑為R,由牛頓其次定律得evB=mv質(zhì)子的最大動(dòng)能Ekm=12mv聯(lián)立解得Ekm=e2(3)溝通電源的頻率f=1T答案(1)eU(2)e2B27.解析(1)離子在電場(chǎng)中加速,qU0=12mv在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),