高考物理一輪復(fù)習(xí) 第9章 第4課 復(fù)合場中的STS題型探究練習(xí)

1、第四課復(fù)合領(lǐng)域STS問題探究1.質(zhì)譜儀。(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，由粒子源、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和攝影膠片組成。(2)原理：靜止時粒子被加速電場加速。根據(jù)動能定理，可以得到關(guān)系式：曲=MV2。粒子被磁場中的洛侖茲力偏轉(zhuǎn)，以勻速圓周運動運動。根據(jù)牛頓第二定律，qvb=m .要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質(zhì)量和比電荷，可以從這兩個方程中得到。r=，m=，=。2.回旋加速器。(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，D1和D2為半圓形金屬盒，d形盒的縫隙與交流電源相連。d形盒處于均勻磁場中。(2)原理：交流電的周期等于粒子圓周運動的周期。在圓周運動過程中，粒子一次又一次地穿過D形盒子的間隙，兩個盒子之間的電勢差一次又一

2、次地反向，所以粒子將被一次又一次地加速。從qvB=，Ekm=，可以看出，粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度B和D形盒半徑R決定，與加速電壓無關(guān)。3.速度選擇器(如圖所示)(1)平行板中的電場強度e和磁感應(yīng)強度b相互垂直。這個裝置可以選擇具有一定速度的粒子，所以它被稱為速度選擇器。(2)帶電粒子可以沿直線以恒定速度通過速度選擇器的條件是QE=qvb，即v=qvb。4.磁流體發(fā)電機。(1) MHD發(fā)電是一項新技術(shù)，它可以直接將內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化為電能。(2)根據(jù)左手定則，圖中的B是發(fā)電機的正極。(3)當(dāng)MHD發(fā)生器兩板之間的距離為L，等離子體速度為V，磁場的磁感應(yīng)強度為B時，兩板之間的最大電位差為U=BLV

3、。(4)功率電阻R=，外部電阻R中的電流可由閉合電路的歐姆定律計算，即I=。5.電磁流量計。工作原理：如圖所示，圓形導(dǎo)管直徑為d，由非磁性材料制成。導(dǎo)電液體在導(dǎo)管中向左流動，并且導(dǎo)電液體中的自由電荷(正離子和負(fù)離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致a和b之間的電勢差，形成電場。當(dāng)自由電荷施加的電場力和洛侖茲力平衡時，a和b之間的電勢差保持穩(wěn)定，即qvb=QE=6.霍爾效應(yīng)。矩形截面載流導(dǎo)體置于均勻磁場中。當(dāng)磁場方向垂直于電流方向時，在垂直于磁場和電流方向的方向上出現(xiàn)電勢差。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電位差。其原理如圖所示。質(zhì)譜儀的兩個重要組成部分是加速電場和偏轉(zhuǎn)磁場。例如，質(zhì)譜

4、儀的示意圖顯示在右側(cè)。假設(shè)有一個靜態(tài)帶電粒子，質(zhì)量為m，電荷為q(不包括重力)，它被電壓為u的加速電場加速，然后垂直進入磁感應(yīng)強度為b的偏轉(zhuǎn)磁場，帶電粒子擊中負(fù)片上的P點。如果OP=X，X和U之間的函數(shù)關(guān)系可以正確地反映在下圖中分析：帶電粒子首先被加速電場加速，所以曲=MV2，進入磁場后偏轉(zhuǎn)，OP=X=2R=，兩個方程是聯(lián)立的：OP=X=，所以B是正確的。課堂作業(yè)一、單項選擇問題1.如圖所示，將金屬塊置于垂直于表面c的均勻磁場中，磁感應(yīng)強度為b，厚度為d，高度為h。當(dāng)穩(wěn)定電流I沿平行于平面c的方向通過時，金屬塊中每單位體積參與傳導(dǎo)的自由電子數(shù)為(上表面m和下表面n上的電勢分別為um和un)(c

5、)。A.|UM-UN| B.|C.| D.|UM-UN|分析：假設(shè)電子的定向運動速度為V，每單位體積的自由電子數(shù)為nC.其他條件不變，只是注射速度增加，UAB增加D.其他條件不變，只是磁感應(yīng)強度增加，UAB增加分析：從左手定則可知，正電荷在B板，B板帶正電，A錯在B；當(dāng)平衡穩(wěn)定時，QVB=Q，可以看出UAB隨著注入速度或磁感應(yīng)強度的增加而增加，C和D是正確的。3.從左端進入質(zhì)譜儀后，具有相同速度的粒子束的軌跡如圖所示，那么以下相關(guān)陳述是正確的(C)A.帶電粒子帶負(fù)電B.速度選擇器的P1板帶負(fù)電C.帶電粒子通過狹縫S0的速度等于D.粒子越靠近狹縫S0撞擊薄膜，粒子的比電荷越小分析：根據(jù)左手定則，

6、皮帶中的帶電粒子帶正電，速度選擇器的P1板帶正電，所以選項A和B是錯誤的；根據(jù)QE=qvb1，可以得到帶電粒子通過狹縫S0的速度v=并且選項c是正確的。從r=可以看出，粒子撞擊薄膜的位置越靠近狹縫S0，r越小，粒子的比電荷越大，選項d是錯誤的。4.在電視機顯像管中，電子束的掃描是通過磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)的，其掃描原理如圖一所示。偏轉(zhuǎn)磁場在圓形區(qū)域的方向垂直于圓形表面，當(dāng)不施加磁場時，電子束將穿過屏幕中心的O點并擊中M點。為了使屏幕上出現(xiàn)一條以M為中心的亮線PQ，偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度B隨時間變化的規(guī)律應(yīng)該是B(B)分析：從問題的含義來看，如果要得到以M為中點的亮線PQ，當(dāng)磁場的磁感應(yīng)強度B隨時間T變化

7、時，方向應(yīng)該有變化，所以有兩個誤差C和d。對于選項A的變化圖像，可能只出現(xiàn)兩個亮點。因此，正確的選項是b .5.圖一是回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個丁字金屬盒。加速帶電粒子時，將兩個金屬盒置于均勻磁場中，分別與高頻電源相連。帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間T的變化規(guī)律如圖B所示。如果忽略帶電粒子在電場中的加速時間，下面的判斷是正確的(B)A.高頻電源的變化周期應(yīng)等于TN-TN-1B.在Ekt圖中應(yīng)該有T4-T3=T3-T2=T2-t1C.粒子加速的次數(shù)越多，粒子獲得的最大動能就越大D.不同粒子獲得的最大動能是相同的分析：從圖中可以看出，單個D盒中粒子運動的時間為TN-TN-1。因為粒

8、子在磁場中運動的周期與速度無關(guān)，所以B是正確的；交流電源周期為2(總氮-總氮-1)，甲錯；從r=，可知當(dāng)粒子的運動半徑等于d盒半徑時，加速過程結(jié)束，粒子的動能Ekm=即粒子的動能與加速次數(shù)無關(guān)，而c是錯誤的；粒子的最大動能也與粒子的質(zhì)量和電荷有關(guān)。d是錯的。第二，不定選擇題6.勞倫斯在1930年制造了世界上第一個回旋加速器。其原理如圖所示。這個加速器由兩個銅制的D盒D1和D2組成，中間有一個缺口。下列說法是正確的A.離子從加速器中心附近進入加速器B.離子從加速器的邊緣進入加速器C.離子從磁場中獲得能量D.離子從電場中獲得能量分析：離子在其中心附近進入加速器，從電場中獲得能量，最后從其邊緣離開加

9、速器。選項A和D是正確的。7.如圖所示，是電磁流量計的示意圖。一段橫截面為矩形的管道由金屬制成，前后兩側(cè)由絕緣材料制成。圖中的長度、寬度和高度分別為a、b和c。流量計的兩端與輸送流體的管道(圖中未示出)相連?，F(xiàn)在，一個大學(xué)流量計中液體的流速為v=，根據(jù)流動的定義，q=BC=BCV。它可以通過以上兩個公式求解：q=0。8.圖A是用于加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒。加速帶電粒子時，將兩個金屬盒置于均勻磁場中，兩個金屬盒分別連接高頻電源。帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間T的變化規(guī)律如圖B所示，忽略帶電粒子在電場中的加速時間，下面的判斷是正確的(AD)A.在ek-t圖

10、中，應(yīng)提供T4-T3=T3-T2=T2-t1B.高頻電源的變化周期應(yīng)等于TN-TN-1C.粒子加速的次數(shù)越多，粒子的最大動能就越大D.如果粒子獲得的最大動能較大，則可以增加D形盒的面積分析：帶電粒子在均勻磁場中勻速圓周運動的周期與速度無關(guān)，所以T4-T3=T3-T2=T2-T1應(yīng)該在EK-T圖中找到，選項A是正確的；帶電粒子在回旋加速器中每周期加速兩次，高頻電源的變化周期應(yīng)等于2 (TN-TN-1)，選項B是錯誤的；從r=可以看出，粒子獲得的最大動能取決于D形盒的半徑，當(dāng)軌道半徑等于D形盒的半徑時，加速度不能繼續(xù)，因此選項C是錯誤的，而選項D是正確的。9.在質(zhì)譜儀的示意圖中，離子源S產(chǎn)生的正離

11、子通過狹縫S1和S2之間的加速電場進入離子速度選擇器。 P1P2之間的電場強度為E，磁感應(yīng)強度為B1。離子從S3注入具有磁感應(yīng)強度B2的均勻磁場區(qū)域。由于各種離子的軌道半徑不同，它們分別被注入到基底的不同位置，形成各自的譜線。如果氘和S3譜線之間的距離增加兩倍，A.把B2還原成原來的樣子B.B2增加兩倍C.將B1還原為原始值D.將E還原為原始值分析：在B2地區(qū)，如果要求R=，B2則選項A正確，否則離子離開加速電場板S2的速度為V2V；在離子速度選擇器中，v=是根據(jù)qvb1=QE得到的，即B1,選項c是正確的(注意：調(diào)整B1同時涉及到調(diào)整加速電場的電壓U4U)10.該圖是MHD發(fā)電機的示意圖。在

12、距離為d的平行金屬板a和c之間，有一個均勻的磁場，磁感應(yīng)強度為b，垂直方向，紙面朝外。兩塊金屬板通過導(dǎo)線與滑動變阻器相連，變阻器接入電路的電阻為r。等離子體以平行于兩塊金屬板的速度v連續(xù)垂直進入磁場，理想電流表a讀數(shù)為I，然后(BCD)A.發(fā)電機的電動勢B.發(fā)電機的內(nèi)阻是r=-R。C.發(fā)電機的效率=D.當(dāng)變阻器觸點P向上滑動時，單位時間內(nèi)到達金屬板A和C的等離子體數(shù)量增加分析：當(dāng)?shù)入x子體上的洛倫茲力等于電場力時，電動勢處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么場強E1=BV，發(fā)動機的電動勢E=E1D=EDV，外部電路的電壓是IR，而A是錯誤的；發(fā)電機的內(nèi)阻相當(dāng)于電源的內(nèi)阻，所以發(fā)電機的內(nèi)阻R=-R，B是正確的；發(fā)電機

13、的效率=，c是正確的；當(dāng)觸點P向上移動時，電路中的電阻減小，電路中的電流增加，單位時間內(nèi)移動的電荷數(shù)增加，D是正確的。第三，非選擇題11.如圖所示，左邊有一對平行的金屬板，兩板之間的距離為d，電壓為u；兩塊板之間有一個均勻的磁場，磁感應(yīng)強度為B0，方向平行于金屬板表面，向內(nèi)垂直于紙面。在圖的右側(cè)半徑為R、中心為O的圓形區(qū)域也有一個均勻的磁場，磁感應(yīng)強度為B，方向垂直于紙面。帶有電荷Q的正離子沿平行于金屬的方向注入平行金屬板之間式中，v是離子運動速度的大小，E0是平行金屬板之間均勻電場的強度，有：E0=，從 公式中得出：v=。(2)在圓形磁場中，離子勻速圓周運動。根據(jù)洛倫茲力公式和牛頓第二定律：

14、qvB=m，在公式中，m和r分別是離子的質(zhì)量和它們的圓周運動半徑。假設(shè)離子穿過磁場邊界上的點g，離子圓周運動的中心O必須在穿過點e并垂直于EF的直線上，并且在EG的垂直平分線上(見上圖)。幾何關(guān)系如下：r=沙坦，在公式中，是OO和直徑EF之間的夾角，由幾何關(guān)系得到：2+=。聯(lián)立 方程，離子質(zhì)量為：m=cot?；卮穑?1) (2)嬰兒床12.如圖所示，在粒子源k和虛線MN之間存在加速電場，在虛線MN和PQ之間存在均勻電場，在虛線PQ和熒光屏之間存在均勻磁場，并且MN、PQ和熒光屏彼此平行。圖中顯示了電場和磁場的方向。點a和點o之間的連線垂直于熒光屏。從k發(fā)射的具有零初始速度的正電荷粒子被電場加速

15、，并以速度v0從點a垂直注入偏轉(zhuǎn)電場。在離開偏轉(zhuǎn)電場后，它進入一個均勻的磁場，最后垂直擊中圖中的屏幕。眾所周知，電場和磁場面積在垂直方向上足夠長，并且加速電場電壓和偏轉(zhuǎn)電場強度之間的關(guān)系是U=，其中D是偏轉(zhuǎn)電場的寬度，并且磁感應(yīng)強度、偏轉(zhuǎn)電場強度和帶電粒子離開加速電場的速度v0之間的關(guān)系符合表達式v0=(U、E和B是上述關(guān)系中的未知量)(1)試圖解釋v0的大小與k和MN之間的距離之間的關(guān)系；(2)計算帶電粒子進入磁場的速度；(3)帶電粒子在電場和磁場中的總偏轉(zhuǎn)距離是多少？分析：(1)帶電粒子由加速電場中的動能定理得到；mv=qU，可以看出，粒子獲得的速度只與加速電壓有關(guān)，與K和MN之間的距離無

16、關(guān)。(2)帶電粒子在加速電場中獲得的動能為：mv=qU=qEd，進入偏轉(zhuǎn)電場后，偏轉(zhuǎn)角度為：tan =1，也就是說，帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)角為45。垂直速度等于水平速度：vy=v0，帶電粒子離開偏轉(zhuǎn)電場即進入磁場的速度為v，v=v0。(3)磁場中帶電粒子的半徑為：R=d。帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場中增加的動能與在加速電場中獲得的動能相同。假設(shè)偏轉(zhuǎn)電場中帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為 Y1，有：QED=QE y1，y1=0.5d；磁場中的偏轉(zhuǎn)距離是 y2，有：y2=r(1-cos)=d=0.414d；粒子在電場和磁場中的總偏轉(zhuǎn)距離為 y，有： y= y1 y2=0.9d .回答：(1)v0的大小與K和MN之間的距離無關(guān)(2)