新高考物理一輪復(fù)習(xí)分層提升練習(xí)專題59 電磁組合場和疊加場中的各類儀器（原卷版）

專題59電磁組合場和疊加場中的各類儀器導(dǎo)練目標(biāo)導(dǎo)練內(nèi)容目標(biāo)1質(zhì)譜儀目標(biāo)2回旋加速器目標(biāo)3速度選擇器目標(biāo)4磁流體發(fā)電機(jī)目標(biāo)5電磁流量計目標(biāo)6霍爾元件【知識導(dǎo)學(xué)與典例導(dǎo)練】電磁組合場中的各類儀器質(zhì)譜儀（1）作用測量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。（2）原理(如圖所示)①加速電場：qU＝eq\f(1,2)mv2。②偏轉(zhuǎn)磁場：qvB＝eq\f(mv2,r)，l＝2r，由以上兩式可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，m＝eq\f(qr2B2,2U)，eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2r2)。【例1】利用質(zhì)譜儀檢測電量相等（4價）的氣態(tài)C14和C12離子的濃度比，結(jié)合C14衰變?yōu)镹14的半衰期，可以判斷古代生物的年齡。如圖所示，離子從容器A下方的狹縫S1飄入電場，經(jīng)電場加速后通過狹縫S2、S3垂直于磁場邊界MN射入勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直紙面向里，離子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后發(fā)生分離，檢測分離后離子的電流強(qiáng)度可得離子的濃度比。測得SKIPIF1<0，則C14和C12的濃度比為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0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)動的周期相等，使粒子每經(jīng)過一次D形盒縫隙，粒子被加速一次。（3）最大動能由qvmB＝eq\f(mvm2,R)、Ekm＝eq\f(1,2)mvm2得Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和盒半徑R決定，與加速電壓無關(guān)。（4）總時間粒子在磁場中運(yùn)動一個周期，被電場加速兩次，每次增加動能qU，加速次數(shù)n＝eq\f(Ekm,qU)，粒子在磁場中運(yùn)動的總時間t＝eq\f(n,2)T＝eq\f(Ekm,2qU)·eq\f(2πm,qB)＝eq\f(πBR2,2U)。【例2】如圖所示為回旋加速器的示意圖，用回旋加速器加速某帶電粒子時，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電周期為T。設(shè)D形盒半徑為R，不計粒子在兩極板間運(yùn)動的時間，則下列說法正確的是（）A．為了保證粒子在電場中不斷被加速，粒子做圓周運(yùn)動的周期應(yīng)該為2TB．被加速的粒子在回旋加速器中做圓周運(yùn)動的周期隨半徑的增大而增大C．增大加速電場的電壓，其余條件不變，帶電粒子在D形盒中運(yùn)動的時間變短D．若只增大交流電源的電壓U，則粒子的最大動能將增大電磁疊加場中的各類儀器裝置原理圖規(guī)律共性規(guī)律速度選擇器若qv0B＝Eq，即v0＝eq\f(E,B)，粒子做勻速直線運(yùn)動穩(wěn)定平衡時電荷所受電場力和洛倫茲力平衡，即qeq\f(U,d)＝qvB磁流體發(fā)電機(jī)等離子體射入，受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，使兩極板帶正、負(fù)電荷，兩極板間電壓為U時穩(wěn)定，qeq\f(U,d)＝qv0B，U＝v0Bd電磁流量計當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差(U)達(dá)到最大，由qeq\f(U,d)＝qvB，可得v＝eq\f(U,Bd)霍爾元件當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，b、a間的電勢差(U)就保持穩(wěn)定，由qvB＝qeq\f(U,d)，可得U＝vBd【例3】速度選擇器裝置如圖所示，SKIPIF1<0為中軸線。一SKIPIF1<0粒子（SKIPIF1<0）以速度SKIPIF1<0自O(shè)點(diǎn)沿中軸線SKIPIF1<0射入恰沿中軸線SKIPIF1<0做勻速直線運(yùn)動。所有粒子均不考慮重力的影響，下列說法正確的是（）A．SKIPIF1<0粒子（SKIPIF1<0）以速度SKIPIF1<0自SKIPIF1<0點(diǎn)沿中軸線從右邊射入也能做勻速直線運(yùn)動B．電子（SKIPIF1<0）以速度SKIPIF1<0自O(shè)點(diǎn)沿中軸線SKIPIF1<0射入，恰沿中軸線SKIPIF1<0做勻速直線運(yùn)動C．氘核（SKIPIF1<0）以速度SKIPIF1<0自O(shè)點(diǎn)沿中軸線SKIPIF1<0射入，動能將增大D．氚核（SKIPIF1<0）以速度SKIPIF1<0自O(shè)點(diǎn)沿中軸線SKIPIF1<0射入，動能將增大【例4】如圖所示為磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖。等離子體高速射入磁場中，由于磁場對等離子體產(chǎn)生力的作用，A、B兩板間就會產(chǎn)生電壓。若平行板A、B的正對面積為S，板間距離為d，A、B間的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子體的流速為v，等效電阻率為SKIPIF1<0，與極板相連的外電阻為R，下列說法正確的是（）A．該發(fā)電機(jī)A板為負(fù)極，B板為正極B．外電阻兩端的電壓大小為SKIPIF1<0C．穩(wěn)定時電流表的示數(shù)為SKIPIF1<0D．僅增加外電阻的阻值，該發(fā)電機(jī)的輸出功率一定增大【例5】如圖為一個電磁泵從血庫里向外抽血的結(jié)構(gòu)示意圖，長方體導(dǎo)管的左、右表面絕緣，上、下表面為導(dǎo)體，管長為SKIPIF1<0、內(nèi)壁高為SKIPIF1<0、寬為SKIPIF1<0且內(nèi)壁光滑。將導(dǎo)管放在垂直左、右表面向右的勻強(qiáng)磁場中，由于充滿導(dǎo)管的血漿中帶有正、負(fù)離子，將上、下表面和電源接通，電路中會形成大小為SKIPIF1<0的電流，導(dǎo)管的前后兩側(cè)便會產(chǎn)生壓強(qiáng)差SKIPIF1<0，從而將血漿抽出，其中SKIPIF1<0為血漿流動方向。若血漿的電阻率為SKIPIF1<0，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為SKIPIF1<0，則下列判斷正確的是（）A．此裝置中血漿的等效電阻SKIPIF1<0 B．磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)弱不影響血漿的外抽速度C．血漿中正負(fù)離子偏轉(zhuǎn)方向相反 D．前后兩側(cè)的壓強(qiáng)差SKIPIF1<0【例6】霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化。如圖所示，兩塊磁性強(qiáng)弱相同的同名磁極正對放置，長方體形的霍爾元件abcd（沿x軸方向的尺寸與空間尺寸相比可忽略）位于兩磁極正中間，以其幾何中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的空間坐標(biāo)系。當(dāng)霍爾元件沿x軸方向移動到不同位置時，在上、下兩面之間將產(chǎn)生不同的電勢差（稱為霍爾電壓），該元件在移動過程中始終平行于SKIPIF1<0平面。電流I始終沿SKIPIF1<0軸負(fù)方向，且大小保持不變，霍爾元件中的載流子為電子。下列說法正確的是（）A．霍爾元件處于x軸正半軸時，上表面的電勢高于下表面的電勢B．霍爾元件從O點(diǎn)沿x軸正方向移動的過程中，霍爾電壓逐漸增大C．在某一位置時，若電流增大，則霍爾電壓增大D．當(dāng)霍爾元件處于關(guān)于O點(diǎn)對稱的位置時，產(chǎn)生的霍爾電壓相同【多維度分層專練】1．如圖所示為一種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：離子源、加速電場、靜電分析器、磁分析器、收集器。靜電分析器通道中心線MN所在圓的半徑為R，通道內(nèi)有均勻輻射的電場，中心線處的電場強(qiáng)度大小為E；磁分析器中分布著方向垂直于紙面、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，磁分析器的左邊界與靜電分析器的右邊界平行。由離子源發(fā)出一個質(zhì)量為m、電荷量為＋q的離子（初速度為零，重力不計），經(jīng)加速電場加速后進(jìn)入靜電分析器，沿中心線MN做勻速圓周運(yùn)動，而后由P點(diǎn)進(jìn)入磁分析器中，最終經(jīng)過Q點(diǎn)進(jìn)入收集器。下列說法正確的是（）A．磁分析器中勻強(qiáng)磁場的方向垂直于紙面向里B．加速電場中的加速電壓U＝SKIPIF1<0ERC．磁分析器中軌跡圓心O2到Q點(diǎn)間的距離SKIPIF1<0D．任何帶正電的離子若能到達(dá)P點(diǎn)，則一定能進(jìn)入收集器2．質(zhì)譜儀的工作原理如圖所示，大量粒子飄入加速電場，其初速度幾乎為0，經(jīng)過加速后，通過寬為L的狹縫MN沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片上。在一次測試中，大量的某種粒子經(jīng)加速電場加速后剛進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時的速度大小均為v，打在底片上的位置到M點(diǎn)的最小距離為SKIPIF1<0，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，不考慮粒子的重力及它們之間的相互作用。則（）A．粒子的比荷為SKIPIF1<0B．加速電場的電壓為SKIPIF1<0C．粒子在磁場中運(yùn)動的時間為SKIPIF1<0D．大量粒子所經(jīng)過磁場區(qū)域最窄處的寬度為SKIPIF1<03．回旋加速器主要結(jié)構(gòu)如圖，兩個中空的半圓形金屬盒接高頻交流電源置于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場中，兩盒間的狹縫寬度很小。粒子源S位于金屬盒的圓心處，產(chǎn)生的粒子初速度可以忽略?，F(xiàn)用回旋加速器分別加速兩種不同的粒子a、b，a、b的質(zhì)量之比為1：4，電荷量之比為1：2，已知加速時狹縫間電壓大小恒為U，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形盒的半徑為R，狹縫之間的距離為d。不計粒子受到的重力，則（）A．要使兩粒子a、b每經(jīng)過窄縫都被加速，交變電壓的頻率相同B．兩粒子a、b所能達(dá)到的最大動能不相等C．兩粒子a、b在D盒中第n個半圓的半徑之比SKIPIF1<0D．兩粒子a、b在達(dá)到最大動能的過程中通過狹縫的次數(shù)的次數(shù)之比2：14．美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明了回旋加速器，利用帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動的特點(diǎn)，使粒子在較小的空間范圍內(nèi)經(jīng)過電場的多次加速獲得較大的能量，由此，人類在獲得高能粒子方面前進(jìn)了一大步。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場強(qiáng)大小恒定，且被限制在MN板間，兩虛線中間區(qū)域無電場和磁場，帶正電粒子從P0處以速度v0沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場做勻速圓周運(yùn)動，下列說法正確的是（）A．D形盒中的磁場方向垂直于紙面向外B．加速電場方向需要做周期性的變化C．增大板間電壓，粒子最終獲得的最大動能不變D．粒子每運(yùn)動一周半徑的增加量都相等5．如圖所示，水平放置的平行金屬板間存在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場。一個電荷量為SKIPIF1<0、質(zhì)量為m的粒子（不計重力）以速度v水平向右射入，粒子恰沿直線穿過。下列說法正確的是（）A．若粒子從右側(cè)水平射入，粒子仍能沿直線穿過B．若只將粒子的電荷量變?yōu)镾KIPIF1<0，粒子將向下偏轉(zhuǎn)C．若只將粒子的電荷量變?yōu)镾KIPIF1<0，粒子仍能沿直線穿過D．若只將粒子的速度變?yōu)?v且粒子不與極板相碰，則從右側(cè)射出時粒子的電勢能減少6．如圖所示為利用海流發(fā)電的磁流體發(fā)電機(jī)的原理示意圖，海水中含有大量的正負(fù)粒子，并在某些區(qū)域具有固定的流動方向。小雨用絕緣防腐材料制成一個橫截面為矩形的管道，在管道上、下兩個表面裝有防腐導(dǎo)電板SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，板長為SKIPIF1<0、寬為SKIPIF1<0（未標(biāo)出），兩板間距為SKIPIF1<0。小雨將管道沿著海水流動方向固定于海水中，并將小燈泡與兩導(dǎo)電板SKIPIF1<0、SKIPIF1<0連接，理想電壓表并聯(lián)在小燈泡兩端，在兩導(dǎo)電板間加上垂直于管道前后面且磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為SKIPIF1<0的勻強(qiáng)磁場（方向如圖）。已知海水的電阻率為SKIPIF1<0，小燈泡的電阻為SKIPIF1<0，粒子重力可忽略不計。當(dāng)海水以速率SKIPIF1<0沿圖示方向流動時，下列說法中正確的是（）A．電路中SKIPIF1<0、SKIPIF1<0兩板間海水的電阻為SKIPIF1<0B．電路中SKIPIF1<0、SKIPIF1<0兩板間海水的電阻為SKIPIF1<0C．當(dāng)電壓表示數(shù)穩(wěn)定時，電壓表示數(shù)一定為SKIPIF1<0D．當(dāng)電壓表示數(shù)穩(wěn)定時，電壓表示數(shù)一定為SKIPIF1<07．磁流體發(fā)電機(jī)是一種把物體內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能的低碳環(huán)保發(fā)電機(jī)，下圖為其原理示意圖，平行金屬板C、D間有勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，將一束等離子體（高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒）水平噴入磁場，兩金屬板間就產(chǎn)生電壓，定值電阻R0的阻值是滑動變阻器最大阻值的一半，與開關(guān)串聯(lián)接在C、D兩端，已知兩金屬板間距離為d，噴入氣流的速度為v，磁流體發(fā)電機(jī)的電阻為r=R0，則滑動變阻器的滑片P由a向b端滑動的過程中（）A．金屬板C為電源正極，D為電源負(fù)極B．發(fā)電機(jī)的輸出功率一直增大C．滑動變阻器消耗功率最大值為SKIPIF1<0D．電阻R0消耗功率最大值為SKIPIF1<08．如圖所示為電磁抽水泵模型，泵體是一個長方體，ab邊長為L1，左右兩側(cè)面是邊長為L2的正方形，在泵體內(nèi)加入導(dǎo)電劑后，液體的電阻率為ρ，泵體所在處于方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場B。工作時，泵體的上下兩表面接電壓為U的電源（內(nèi)阻不計）上。若電磁泵和水面高度差為h，理想電流表示數(shù)為I，不計水在流動中和管壁之間的阻力，重力加速度為g。在抽水泵正常工作過程中，下列說法正確的是（

）A．泵體上表面應(yīng)接電源正極B．電磁泵不加導(dǎo)電劑也能抽取純水C．電源提供總的功率為SKIPIF1<0D．若t時間內(nèi)抽取水的質(zhì)量為m，這部分水離開電磁泵時的動能為UIt-mgh-SKIPIF1<0t9．如圖甲所示的電磁流速/流量儀是一種為多種行業(yè)測量流速/流量的便攜式測量儀表，其簡化模型如圖乙所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為SKIPIF1<0的勻強(qiáng)磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為SKIPIF1<0的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速SKIPIF1<0流動時，導(dǎo)電液體切割磁感線產(chǎn)生電動勢，在管道截面上垂直于磁場方向的直徑兩端安裝一對電極，該電動勢被信號電極采集，通過測量電壓的儀表放大轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)流速的測量，也可以實(shí)現(xiàn)流量（單位時間內(nèi)流經(jīng)某一段管道的流體體積）的測量。則關(guān)于電磁流速/流量儀的說法正確的是（）A．測量電壓儀表SKIPIF1<0端的電勢高于SKIPIF1<0端的電勢B．穩(wěn)定時信號電極采集到的電勢差與流速SKIPIF1<0大小成反比C．儀表盤如果是刻度盤，流速/流量刻度都是均勻的D．流量的測量值與電磁