2024-2025學(xué)年高中物理第三章5洛倫茲力的應(yīng)用練習(xí)含解析教科版選修3-1

PAGEPAGE105.洛倫茲力的應(yīng)用基礎(chǔ)鞏固1.(多選)傳統(tǒng)電視機(jī)的顯像管中,電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的.電子束經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)后,進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū),磁場(chǎng)方向垂直于圓面.不加磁場(chǎng)時(shí),電子束將通過(guò)磁場(chǎng)中心O點(diǎn)而打到屏幕上的中心M,加磁場(chǎng)后電子束偏轉(zhuǎn)到P點(diǎn)外側(cè).現(xiàn)要使電子束偏轉(zhuǎn)回到P點(diǎn),可行的方法是()A.增大加速電壓B.增加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C.將圓形磁場(chǎng)區(qū)域向屏幕靠近些D.將圓形磁場(chǎng)的半徑增大些解析:增大加速電壓,可增大粒子的速度,使粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑增大,現(xiàn)要使電子束偏轉(zhuǎn)回到P點(diǎn),可行的方法是增大加速電壓,選項(xiàng)A正確.增加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,使粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑減小,電子束偏轉(zhuǎn)到P點(diǎn)外側(cè)以外,選項(xiàng)B錯(cuò)誤.將圓形磁場(chǎng)區(qū)域向屏幕靠近些,可使電子束偏轉(zhuǎn)到P點(diǎn),選項(xiàng)C正確.將圓形磁場(chǎng)的半徑增大些,電子束偏轉(zhuǎn)到P點(diǎn)外側(cè)以外,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案:AC2.如圖所示的虛線(xiàn)區(qū)域內(nèi),充溢垂直紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng),一帶電顆粒A以肯定初速度由左邊界的O點(diǎn)射入磁場(chǎng)、電場(chǎng)區(qū)域,恰好沿水平直線(xiàn)從區(qū)域右邊界O'點(diǎn)穿出,射出時(shí)速度的大小為vA,若僅撤去磁場(chǎng),其他條件不變,另一個(gè)相同的顆粒B仍以相同的速度由O點(diǎn)射入并從區(qū)域右邊界穿出,射出時(shí)速度的大小為vB,則顆粒B()A.穿出位置肯定在O'點(diǎn)上方,vB<vAB.穿出位置肯定在O'點(diǎn)上方,vB>vAC.穿出位置肯定在O'點(diǎn)下方,vB<vAD.穿出位置肯定在O'點(diǎn)下方,vB>vA解析:設(shè)帶電顆粒從O位置飛入的速度為v0,若帶電顆粒A帶負(fù)電,其電場(chǎng)力、重力、洛倫茲力均向下,與運(yùn)動(dòng)方向垂直,不行能做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),所以顆粒A肯定為正電荷,且滿(mǎn)意mg=Eq+Bqv0,因?yàn)樽鰟蛩僦本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),故vA=v0.若僅撤去磁場(chǎng),由于mg>Eq,帶電顆粒B向下偏轉(zhuǎn),穿出位置肯定在O'點(diǎn)下方,合力對(duì)其做正功,故vB>v0,因此vB>vA,故D正確.答案:D3.(多選)如圖所示,有一混合正離子束先后通過(guò)正交電磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ和勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅱ,假如這束正離子束在區(qū)域Ⅰ中不偏轉(zhuǎn),進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ后偏轉(zhuǎn)半徑R相同,則它們具有相同的()A.電荷量 B.質(zhì)量 C.速度 D.比荷解析:正交電磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ事實(shí)上是一個(gè)速度選擇器,這束正離子在區(qū)域Ⅰ中均不偏轉(zhuǎn),說(shuō)明它們具有相同的速度,故選項(xiàng)C正確.在區(qū)域Ⅱ中半徑相同,R=mvqB,所以它們應(yīng)具有相同的比荷答案:CD4.(多選)一臺(tái)回旋加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成,其間留有空隙.下列說(shuō)法正確的是()A.粒子的運(yùn)動(dòng)周期和運(yùn)動(dòng)速率成正比B.粒子的軌道半徑與它的速率成正比C.其他條件不變,增大加速電壓,可以增加粒子射出時(shí)的動(dòng)能D.其他條件不變,增大D形金屬盒的半徑,可以增加粒子射出時(shí)的動(dòng)能解析:由qvB=mv2r和qvB=mr·4π2T2得T=2πm答案:BD5.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.144解析:離子經(jīng)電場(chǎng)加速Uq=12mv2,離子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí),qvB=mv答案:D6.(多選)速度選擇器裝置的示意圖如圖所示,電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)相互垂直,具有不同速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的狀況不同,一電荷量為+q、質(zhì)量為m的粒子(不計(jì)重力)以速度v水平向右射入,粒子沿直線(xiàn)穿過(guò)不發(fā)生偏轉(zhuǎn),則下列說(shuō)法正確的是()A.帶電粒子速度滿(mǎn)意的條件為v=B.若粒子帶負(fù)電,粒子仍能沿直線(xiàn)穿過(guò)C.若粒子水平向左射入,粒子仍能沿直線(xiàn)穿過(guò)D.若粒子速度為2v,粒子向上偏轉(zhuǎn)距離d,如圖所示,則粒子飛離時(shí)速度為解析:由速度選擇器的原理和作用知,選項(xiàng)A、B正確,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由動(dòng)能定理-qEd=12答案:ABD7.如圖所示的裝置,左半部為速度選擇器,右半部為勻強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng).一束同位素離子流從狹縫S1射入速度選擇器,能夠沿直線(xiàn)通過(guò)速度選擇器并從狹縫S2射出的離子,又沿著與電場(chǎng)垂直的方向,馬上進(jìn)入電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),最終打在照相底片D上.已知同位素離子的電荷量為q(q>0),速度選擇器內(nèi)部存在著相互垂直的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E0的勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng),照相底片D與狹縫S1、S2連線(xiàn)平行且距離為L(zhǎng),忽視重力的影響.(1)求從狹縫S2射出的離子速度v0的大小;(2)若打在照相底片上的離子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中沿速度v0方向飛行的距離為x,求出x與離子質(zhì)量m之間的關(guān)系式(用E0、B0、E、q、m、L表示).解析:(1)能從速度選擇器射出的離子滿(mǎn)意qE0=qv0B0①所以v0=(2)離子進(jìn)入勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)E后做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng),則x=v0t③L=由牛頓其次定律得qE=ma⑤由②③④⑤解得x=答案:(1)實(shí)力提升1.(多選)如圖所示為某磁譜儀部分構(gòu)件的示意圖.圖中,永磁鐵供應(yīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng),硅微條徑跡探測(cè)器可以探測(cè)粒子在其中運(yùn)動(dòng)的軌跡.宇宙射線(xiàn)中有大量的電子、正電子和質(zhì)子.當(dāng)這些粒子從上部垂直進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.電子與正電子的偏轉(zhuǎn)方向肯定不同B.電子與正電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑肯定相同C.僅依據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法推斷該粒子是質(zhì)子還是正電子D.粒子的動(dòng)能越大,它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑越小解析:由左手定則知,電子與正電子的偏轉(zhuǎn)方向肯定不同,選項(xiàng)A正確;電子與正電子的速度大小關(guān)系不確定,故無(wú)法比較它們運(yùn)動(dòng)的半徑大小關(guān)系,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;質(zhì)子與正電子的速度大小關(guān)系不確定,無(wú)法比較它們運(yùn)動(dòng)的半徑大小關(guān)系,因此僅依據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法推斷粒子是質(zhì)子還是正電子,選項(xiàng)C正確;由r=mvqB答案:AC2.(多選)利用如圖所示的方法可以測(cè)得金屬導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)n.現(xiàn)測(cè)得一塊橫截面為矩形的金屬導(dǎo)體的寬為b,厚為d,并加有與側(cè)面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B,當(dāng)通以圖示方向電流I時(shí),在導(dǎo)體上、下表面間用電壓表可測(cè)得電壓為U,已知自由電子的電荷量為e,則下列推斷正確的是()A.上表面電勢(shì)高B.下表面電勢(shì)高C.該導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為D.該導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為解析:由左手定則知道,電子向上表面聚集,下表面電勢(shì)高,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確.由eUd=evB和I=neSv得答案:BD3.(多選)目前世界上正探討的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),如圖表示它的發(fā)電原理:將一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒,而從整體來(lái)說(shuō)呈中性)沿如圖所示方向噴射入磁場(chǎng),磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B,這時(shí)金屬板上就聚集了電荷.在磁極配置如圖中所示的狀況下,下列說(shuō)法正確的是()A.A板帶正電B.有電流從b經(jīng)用電器流向aC.金屬板A、B間的電場(chǎng)方向向下D.等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的緣由是離子所受洛倫茲力大于所受靜電力解析:等離子體射入磁場(chǎng)后,由左手定則知正離子受到向下的洛倫茲力向B板偏轉(zhuǎn),故B板帶正電,B板電勢(shì)高,電流方向從b流向a,電場(chǎng)的方向由B板指向A板,選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確;當(dāng)Bvq>Eq時(shí)離子發(fā)生偏轉(zhuǎn),故選項(xiàng)D正確.答案:BD4.(多選)一個(gè)帶電粒子以初速度v0垂直于電場(chǎng)方向向右射入勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域,穿出電場(chǎng)后接著又進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域.設(shè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域有明確的分界線(xiàn),且分界線(xiàn)與電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行,如圖中的虛線(xiàn)所示.在如圖所示的幾種狀況中,可能出現(xiàn)的是()解析:選項(xiàng)A、C中粒子在電場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn),所以粒子帶正電,在進(jìn)入磁場(chǎng)后,A圖中粒子應(yīng)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng),正確;C圖中粒子應(yīng)順時(shí)針運(yùn)動(dòng),錯(cuò)誤.同理可以推斷選項(xiàng)B錯(cuò)誤,選項(xiàng)D正確.答案:AD5.1922年英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的獨(dú)創(chuàng)、同位素和質(zhì)譜的探討榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,則下列相關(guān)說(shuō)法正確的是()A.該束帶電粒子帶負(fù)電B.速度選擇器的P1極板帶負(fù)電C.在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子,比荷D.在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子,質(zhì)量越大解析:帶電粒子在磁場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn),磁場(chǎng)的方向垂直紙面對(duì)外,依據(jù)左手定則知,該粒子帶正電,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤.在平行金屬板間,依據(jù)左手定則知,帶電粒子所受的洛倫茲力方向豎直向上,則電場(chǎng)力的方向豎直向下,知電場(chǎng)強(qiáng)度的方向豎直向下,所以速度選擇器的P1極板帶正電,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤.進(jìn)入B2磁場(chǎng)中的粒子速度是肯定的,依據(jù)qvB=mv2r得,r=mvqB,知r答案:C6.回旋加速器的工作原理如圖甲所示,置于真空中的D形金屬盒半徑為R,兩盒間狹縫的間距為d,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直.被加速粒子的質(zhì)量為m、電荷量為+q,加在狹縫間的交變電壓如圖乙所示,電壓值的大小為U0,周期T=2π狹縫速運(yùn)動(dòng)甲乙(1)出射粒子的動(dòng)能Em;(2)粒子從飄入狹縫至動(dòng)能達(dá)到Em所需的總時(shí)間t0;(3)要使飄入狹縫的粒子中有超過(guò)99%能射出,d應(yīng)滿(mǎn)意的條件.解析:(1)粒子運(yùn)動(dòng)半徑為R時(shí)qvB=mv2R且Em(2)粒子被加速n次達(dá)到動(dòng)能Em,則Em=nqU0粒子在狹縫間做勻加速運(yùn)動(dòng),設(shè)n次經(jīng)過(guò)狹縫的總時(shí)間為Δt加速度a=勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)nd=12a·(Δ由t0=(n-1)·T2+Δ(3)只有在0~T則所占的比例為η=由η>99%,解得d<答案:(1)7.質(zhì)譜儀原理如圖所示,a為粒子加速器,電壓為U1,b為速度選擇器,磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交.磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,板間距離為d,c為偏轉(zhuǎn)分別器,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2.今有一質(zhì)量為m、電荷量為+e的粒