2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第九章磁場(chǎng)專題強(qiáng)化八帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析學(xué)案新人教版

1、專題強(qiáng)化八帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析本專題是磁場(chǎng)、電場(chǎng)、力學(xué)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，用到的知識(shí)有：動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)、運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)、能量觀點(diǎn)(動(dòng)能定理、能量守恒定律)、電場(chǎng)的觀點(diǎn)(類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律)、磁場(chǎng)的觀點(diǎn)(帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律)。一、電場(chǎng)、磁場(chǎng)分區(qū)域應(yīng)用實(shí)例1質(zhì)譜儀(1)作用測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。(2)原理(如圖所示)加速電場(chǎng)：qumv2；偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：qvb，l2r；由以上兩式可得r ，m，。2回旋加速器(1)構(gòu)造：如圖所示，d1、d2是半圓形金屬盒，d形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，d形盒的縫隙處接交流電源。(2)原理：交流電周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等，使粒子每經(jīng)過(guò)一次

2、d形盒縫隙，粒子被加速一次。(3)最大動(dòng)能：由qvmb、ekmmv得ekm，粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度b和盒半徑r決定，與加速電壓無(wú)關(guān)。(4)總時(shí)間：粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速兩次，每次增加動(dòng)能qu，加速次數(shù)n，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間tt。例1現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子(h)在入口處從靜止開(kāi)始被電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若換作粒子(he)在入口處從靜止開(kāi)始被同一電場(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)的倍數(shù)是(b)abc2d解析粒子在加速電場(chǎng)中加速，由動(dòng)能定理qumv2

3、0，則v ，粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有qvbm，解得b ，設(shè)質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為e，則粒子質(zhì)量為4m，電荷量為2e，為使質(zhì)子和粒子在入口處從靜止開(kāi)始被同一電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，則半徑r應(yīng)保持不變，所需要的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b b，故選項(xiàng)b正確。例2(2021河南名校聯(lián)考)(多選)如圖所示為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小恒定，且被限制在ac板間，虛線中間不需加電場(chǎng)，帶電粒子從p0處以速度v0沿電場(chǎng)線方向射入加速電場(chǎng)，經(jīng)加速后再進(jìn)入d形盒中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說(shuō)法正確的是(bd)a加速粒子的最大速度與

4、d形盒的尺寸無(wú)關(guān)b帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速一次c帶電粒子每一次被加速后在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的直徑增加量相同，即p1p2等于p2p3d加速電場(chǎng)方向不需要做周期性的變化解析本題考查改進(jìn)的回旋加速器及其相關(guān)知識(shí)。根據(jù)bqv有v，所以帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與速度成正比，所以加速粒子的最大速度與d形盒的尺寸有關(guān)，選項(xiàng)a錯(cuò)誤；由于圖示中虛線中間不加電場(chǎng)，則帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速一次，選項(xiàng)b正確；根據(jù)動(dòng)能定理，經(jīng)第一次加速后粒子速度為v1，有qumvmv，經(jīng)第二次加速后粒子速度為v2，有qumvmv，同理有qumvmv，而軌跡半徑r，所以p1p22(r2r1)，p2p3，又vvvv，所以1

5、，即v2v1v3v2，可知p1p2大于p2p3，選項(xiàng)c錯(cuò)誤；帶電粒子每一次都從同一方向經(jīng)過(guò)電場(chǎng)，所以加速電場(chǎng)方向不需要做周期性的變化，選項(xiàng)d正確。二、電場(chǎng)、磁場(chǎng)同區(qū)域并存的實(shí)例共同特點(diǎn)：當(dāng)帶電粒子(不計(jì)重力)在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，qvbqe。1速度選擇器(1)平行板中電場(chǎng)強(qiáng)度e和磁感應(yīng)強(qiáng)度b互相垂直。(如圖)(2)帶電粒子能夠沿直線勻速通過(guò)速度選擇器的條件是qvbqe，即v。(3)速度選擇器只能選擇粒子的速度，不能選擇粒子的電性、電荷量、質(zhì)量。(4)速度選擇器具有單向性。2磁流體發(fā)電機(jī)(1)原理：如圖所示，等離子體噴入磁場(chǎng)，正、負(fù)離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)而聚集在b、a板上，產(chǎn)生電勢(shì)

6、差，它可以把離子的動(dòng)能通過(guò)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電能。(2)電源正、負(fù)極判斷：根據(jù)左手定則可判斷出圖中的b是發(fā)電機(jī)的正極。(3)電源電動(dòng)勢(shì)u：設(shè)a、b平行金屬板的面積為s，兩極板間的距離為l，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，等離子體的電阻率為，噴入氣體的速度為v，板外電阻為r。當(dāng)正、負(fù)離子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，兩極板間達(dá)到的最大電勢(shì)差為u(即電源電動(dòng)勢(shì))，則 qqvb，即ublv。(4)電源內(nèi)阻：r。(5)回路電流：i。3電磁流量計(jì)(1)流量(q)的定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過(guò)導(dǎo)管某一截面的導(dǎo)電液體的體積。(2)公式：qsv；s為導(dǎo)管的橫截面積，v是導(dǎo)電液體的流速。(3)導(dǎo)電液體的流速(v)的計(jì)算如圖所示，一圓柱形導(dǎo)管直

7、徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導(dǎo)電的液體向右流動(dòng)。導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差(u)達(dá)到最大，由qqvb，可得v。(4)流量的表達(dá)式：qsv。(5)電勢(shì)高低的判斷：根據(jù)左手定則可得ab。4霍爾效應(yīng)的原理與分析(1)定義：高為h、寬為d的導(dǎo)體(自由電荷是電子或正電荷)置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)b中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的上表面a和下表面a之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，此電壓稱為霍爾電壓。(2)電勢(shì)高低的判斷：如圖，導(dǎo)體中的電流i向右時(shí)，根據(jù)左手定則可得，若自由電荷是電子，則下表面a的電

8、勢(shì)高。若自由電荷是正電荷，則下表面a的電勢(shì)低。(3)霍爾電壓的計(jì)算：導(dǎo)體中的自由電荷(電荷量為q)在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，a、a間出現(xiàn)電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、a間的電勢(shì)差(u)就保持穩(wěn)定，由qvbq，inqvs，shd；聯(lián)立得uk，k稱為霍爾系數(shù)。例3(多選)磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)。如圖所示，平行金屬板之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束含有大量正、負(fù)帶電粒子的等離子體，沿圖中所示方向噴入磁場(chǎng)。圖中虛線框部分相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，把兩個(gè)極板與用電器相連，則(bd)a用電器中的電流方向從b到ab用電器中的電流方向從a到bc若只減小磁感應(yīng)強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)增大d若只增大噴入粒子的速度，

9、發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)增大解析本題通過(guò)磁流體發(fā)電機(jī)考查帶電粒子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。首先對(duì)等離子體進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析：開(kāi)始時(shí)由左手定則可知，帶正電粒子所受洛倫茲力方向向上，帶負(fù)電粒子所受洛倫茲力方向向下，則帶正電粒子向上板聚集，帶負(fù)電粒子向下板聚集，兩板間產(chǎn)生了電勢(shì)差，即金屬板變?yōu)橐浑娫?，且上板為正極，下板為負(fù)極，所以用電器中的電流方向從a到b，故a錯(cuò)誤，b正確；此后帶正電粒子除受到向上的洛倫茲力f洛外，還受到向下的電場(chǎng)力f，最終二力達(dá)到平衡，即最終等離子體將勻速通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域，則有qvbq，解得電動(dòng)勢(shì)ebdv，所以發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)e與噴入粒子的速度大小v及磁感應(yīng)強(qiáng)度大小b成正比，故d正確，c錯(cuò)誤。例4(202

10、0江蘇揚(yáng)州中學(xué)期中)(多選)自行車速度計(jì)是利用霍爾效應(yīng)獲知自行車的運(yùn)動(dòng)速率。如圖甲所示，自行車前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)一圈，這塊磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖電壓。如圖乙所示為霍爾元件的工作原理圖。當(dāng)磁場(chǎng)靠近霍爾元件時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)，最終使導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差，即為霍爾電勢(shì)差。下列說(shuō)法正確的是(ad)a根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和自行車車輪的半徑即可獲知車速大小b圖乙中霍爾元件的電流i一定是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的c自行車的車速越大，霍爾電勢(shì)差越高d如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源，霍爾電勢(shì)差將減小解析本題考查霍爾元件的原理及應(yīng)用。

11、根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)可求得車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周期t，結(jié)合自行車車輪的半徑r，根據(jù)v可求解自行車車輪邊緣處的線速度大小，即車速大小，a正確；題圖乙中霍爾元件的電流是由帶負(fù)電的自由電子的定向移動(dòng)形成的，b錯(cuò)誤；導(dǎo)體在磁場(chǎng)方向的厚度為d，自由電子在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，有qqvb，電流的微觀表達(dá)式inesv，聯(lián)立解得霍爾電勢(shì)差uh，與自行車的速度無(wú)關(guān)，c錯(cuò)誤；如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源，則電流i減小，故霍爾電勢(shì)差將減小，d正確。專題強(qiáng)化訓(xùn)練1電磁流量計(jì)是一種測(cè)量導(dǎo)電液體流量的裝置(單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的液體體積，稱為流量)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，上、下兩個(gè)面m、n為導(dǎo)體材料，前后兩個(gè)面為絕緣材料。流量計(jì)的長(zhǎng)、寬

12、、高分別為a、b、c，左、右兩端開(kāi)口，在垂直于前、后表面向里的方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，某次測(cè)量中，與上下兩個(gè)面m、n相連的電壓表示數(shù)為u，則管道內(nèi)液體的流量為(b)acbbcubcdubb解析本題考查電磁流量計(jì)及其相關(guān)知識(shí)。導(dǎo)電液體通過(guò)電磁流量計(jì)，相當(dāng)于帶電粒子直線通過(guò)裝置區(qū)域，由qqbv，解得v。管道內(nèi)液體的流量qbcvb，選項(xiàng)b正確。2(多選)如圖所示，若干個(gè)動(dòng)量相同的帶電粒子，先后沿直線通過(guò)由相互正交磁感應(yīng)強(qiáng)度為b1的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度為e的勻強(qiáng)電場(chǎng)組成的速度選擇器，這些粒子通過(guò)平板mn上的狹縫p進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度為b2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，最終落在平板mn上的a1a3處，下列判斷正確的是

13、(abd)a磁感應(yīng)強(qiáng)度為b1的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外b能通過(guò)狹縫p的帶電粒子的速度大小等于c所有打在mn上的帶電粒子，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b2的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相同d打在mn上的帶電粒子位置離p越遠(yuǎn)，帶電粒子的電荷量q越小解析本題考查速度選擇器及其相關(guān)知識(shí)。速度選擇器中粒子所受電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡，根據(jù)電場(chǎng)方向與左手定則可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b1的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，選項(xiàng)a正確；在速度選擇器中，滿足qvb1eq，可得能通過(guò)狹縫p的帶電粒子的速度大小v，選項(xiàng)b正確；所有打在mn上的帶電粒子，都穿過(guò)速度選擇器，所以帶電粒子的速度大小均為v，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期t，由題圖可知，帶電粒子打在各處的軌跡半

14、徑r不同，故帶電粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b2的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t也不同，選項(xiàng)c錯(cuò)誤；由qvb2m可得r，因?yàn)閹щ娏Ｗ觿?dòng)量pmv均相同，打在mn上的帶電粒子位置離p的距離d2r2，所以d與q成反比，故打在mn上的帶電粒子位置離p越遠(yuǎn)，帶電粒子的電荷量q越小，選項(xiàng)d正確。3(2021安徽六安省示范高中質(zhì)檢)(多選)回旋加速器是高能物理中的重要儀器，其原理是利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)使帶電粒子回旋加速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速?gòu)亩沽Ｗ荧@得很高的能量。如圖甲所示，兩個(gè)d形金屬盒置于恒定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并分別與高頻電源相連(電壓隨時(shí)間變化如圖乙所示)，d形盒的半徑為r，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，兩d形盒間的距離為d(dr)。若用回旋加速器加速氘核h(設(shè)氘核的質(zhì)量m、電荷量q)，則下列判斷正確的是(bc)a加速電壓u0越大，氘核獲得的最大動(dòng)能越大b氘核加速的最大動(dòng)能為c氘核在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為d該回旋加速器不可以用來(lái)