2019年高考物理雙基突破：專題24-帶電粒子在復合場中的實際應用(精講)(含解析)

1、一質譜儀1構造 ：如圖所示，由粒子源、加速電場、偏轉磁場和照相底片等構成。2原理 ：粒子由靜止被加速電場加速，qu12mv2。粒子在磁場中做勻速圓周運動，有qvbmv2r。由以上兩式可得r1b2muq，mqr2b22u，qm2ub2r2。3質譜儀是根據帶電粒子在磁場中偏轉量的差異來區(qū)分不同粒子的儀器。解題時要關注粒子開始什么量相同，什么量不同，最后造成偏轉量不同的原因是什么，從而達到區(qū)分不同粒子的目的。【題 1】 （多選）如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過由相互正交的勻強磁場（磁感應強度為b）和勻強電場（電場強度為e）組成的速度選擇器，然后粒子通過平板s上的狹縫p 進入另一勻強磁場

2、（磁感應強度為 b ），最終打在a1a2上，下列表述正確的是a粒子帶負電b所有打在a1a2上的粒子，在磁感應強度為b的磁場中的運動時間都相同c能通過狹縫p 的帶電粒子的速率等于ebd粒子打在a1a2的位置越靠近p，粒子的比荷qm越大【答案 】cd當粒子做圓周運動的向心力可得rmvbq，則qmvbr，越靠近p，r 越小，粒子的比荷越大，d 正確；所有打在a1a2上的粒子在磁感應強度為b的 磁場中都只運動半個周期，周期t2 mb q，比荷不同，打在a1a2上的粒子在磁感應強度為 b 的磁場中的運動時間不同，b 錯誤?！绢} 3】 現代質譜儀可用來分析比質子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中磁感應

3、強度恒定質子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經勻強磁場偏轉后從出口離開磁場。若某種2 價正離子在入口處從靜止開始被加速電場加速，為使它經同一勻強磁場偏轉后仍從同一出口離開磁場，需將加速電壓減小到原來的112倍。此離子和質子的質量比約為a6 b12 c24 d144 【答案】 c 二價正離子與質子從同一出口離開磁場則r 相同，所以mqu，離子質量是質子質量的24 倍， c 正確， a、b、d 錯誤。二、回旋加速器1構造 ：如圖所示，d1、d2是半圓形金屬盒，d 形盒的縫隙處接交流電源，d 形盒處于勻強磁場中。2原理 ：交流電的周期和粒子做圓周運動的周期相等，粒子經電場加速，經磁場回旋。使粒子每

4、經過一次d 形盒縫隙，粒子被加速一次。3粒子獲得的最大動能：由 qvbmv2r，得 ekmq2b2r22m，可見粒子獲得的最大動能由磁感應強度b 和 d 形盒半徑 r 決定，與加速電壓無關。4粒子在磁場中運動的總時間：粒子在磁場中運動一個周期，被電場加速兩次，每次增加動能qu，加速次數 nekmqu，粒子在磁場中運動的總時間tn2tekm2qu2 mqb br22u。5回旋加速器解題時要注意兩點：一是加速電壓是交變電壓，其周期和粒子在磁場中做勻速圓周運動的周期相同。二是粒子獲得的最大動能由磁感應強度b 和 d 形盒最大半徑r 決定，而與加速電壓無關?！绢} 4】 （多選）回旋加速器的原理如圖所示

5、，它由兩個銅質d 形盒 d1、d2構成，其間留有空隙，下列說法正確的是a離子從電場中獲得能量b離子從磁場中獲得能量c只增大空隙距離可增加離子從回旋加速器中獲得的動能d只增大d 形盒的半徑可增加離子從回旋加速器中獲得的動能【答案】 ad【題 5】 （多選） 回旋加速器的工作原理示意圖如圖。置于高真空中的半徑為r 的 d 形金屬盒中，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可忽略。磁感應強度為b 的勻強磁場與盒面垂直，高頻交流電頻率為f，加速電壓為u。若 a 處粒子源產生的質子質量為m、電荷量為q，在加速器中被加速，且加速過程中不考慮相對論效應和重力的影響。則下列說法正確的是a質子被加速后的最大速度不

6、可能超過2 rfb質子離開回旋加速器時的最大動能與加速電壓u 成正比c質子第2 次和第 1 次經過兩d 形盒間狹縫后軌道半徑之比為21 d改變磁感應強度b 和交流電頻率f，該回旋加速器的最大動能不變【答案】 ac【解析】粒子被加速后的最大速度受到d 形盒半徑r 的制約，因vm2 rt2 rf，a 正確；粒子離開回旋加速器的最大動能ekm12mv212 m 42r2f2 2m2r2f2，與加速電壓u 無關， b 錯誤；根據rmvbq，uq12mv21， 2uq12mv22，得質子第2 次和第1 次經過兩d 形盒間狹縫后軌道半徑之比為21，c 正確；因回旋加速器的最大動能 ekm2m2r2f2，與

7、 m、r、f 均有關， d 錯誤?！绢} 6】圖甲是回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個d 形金屬盒， d 形盒與高頻電源相連，且置于垂直于盒面的勻強磁場中，帶電粒子在電場中的動能ek隨時間 t 的變化規(guī)律如圖乙所示，若忽略帶電粒子在電場中的加速時間，則下列判斷正確的是a在 ekt 圖中有 t4t3t3t2t2t1b在 ekt 圖中有 ek4ek3ek3ek2 ek2ek1c若粒子加速次數越多，則射出加速器的粒子動能就越大d若加速電壓越大，則射出加速器的粒子動能就越大【答案】 b 三、速度選擇器1構造 ：如圖，平行板中電場強度e 和磁感應強度b 互相垂直，這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來，

8、所以叫速度選擇器。2帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件：eqqvb，即 veb，速度 v 與粒子電荷量、電性、質量無關。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、質量。3速度選擇器具有單向性。【題 7】 如圖所示，從s 處發(fā)出的熱電子經加速電壓u 加速后垂直進入相互垂直的勻強電場和勻強磁場中，發(fā)現電子流向上極板偏轉。設兩極板間電場強度為e，磁感應強度為b。欲使電子沿直線從電場和磁場區(qū)域通過，只采取下列措施，其中可行的是a適當減小電場強度eb適當減小磁感應強度bc適當增大加速電場極板之間的距離d適當減小加速電壓u【答案】 a【題 8】 （多選）如圖是一“濾速器”裝置的示意

9、圖。a、b 為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經小孔o 進入 a、b 兩板之間。為了選取具有某種特定速率的電子，可在a、 b 間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強磁場，使所選電子仍能沿水平直線oo 運動，由o射出，不計重力作用?？赡苓_到上 述目的要求的是a使 a 板電勢高于b 板，磁場方向垂直紙面向里b使 a 板電勢低于b 板，磁場方向垂直紙面向里c使 a 板電勢高于b 板，磁場方向垂直紙面向外d使 a 板電勢低于b 板，磁場方向垂直紙面向外【答案】 ad 四、磁流體發(fā)電 機1原理 ：等離子氣體噴入磁場，正、負離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉而聚集在a、b 板上，使

10、兩極板產生電勢差，它可以把離子的動能通過磁場轉化為電能。（如圖）當離子做勻速運動時，兩極板間的電勢差最大。2電源正、負極判斷：根據左手定則可判斷出圖中的b 板是發(fā)電機的正極。3電源電動勢u：設 a、b 平行金屬板的面積為s，兩極板間的距離為l，磁場磁感應強度為b，等離子氣體的電阻率為 ，噴入氣體的速度為v，板外電阻為r.當正、負離子所受電場力和洛倫茲力平衡時，兩極板間達到的最大電勢差為u（即電源電動勢），則qulqvb，即 u blv。4電源內阻 ：rls。5回路電流 ：iurr?！绢} 9】 （多選）磁流體發(fā)電機又叫等離子體發(fā)電機，如圖，燃燒室在3 000 k 的高溫下將氣體全部電離為正離 子

11、與負離子，即高溫等離子體。高溫等離子體經噴管提速后以1 000 m/s 的速度進入矩形發(fā)電通道。發(fā)電通道有垂直于噴射速度方向的勻強磁場，磁感應強度為6 t，等離子體發(fā)生偏轉，在兩極間形成電勢差，已知發(fā)電通道長 a50 cm，寬 b20 cm，高 d 20 cm，等離子體的電阻率 2 m，則以下判斷中正確的是a發(fā)電機的電動勢為1 200 v b開關斷開時，高溫等離子體可以勻速通過發(fā)電通道c當外接電阻為8 時，電流表示數為150 a d當外接電阻為4 時，發(fā)電機輸出功率最大【答案】 abd 【解析】由udqqvb，得電源電動勢uvbd1 200 v，a 正確；由電阻定律rdab4 ，得發(fā)電機內阻為

12、4 ，由閉合電路歐姆定律得，當外接電阻為8 時，電流為100 a ，故 c 錯誤；當外電路總電阻rr 時有最大輸出功率，得d 正確?！绢} 10】 （多選） 磁流體發(fā)電是一項新興技術，它可以把物體的內能直接轉化為電能，如圖是它的示意圖。平行金屬板a、b 之間有一個很強的磁場，將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負離子）噴入磁場， a、b 兩板間便產生電壓。如果把a、b 和用電器連接，a、b 就是直流電源的兩個電極，設a、b 兩板間距為d，磁感應強度為b ，等離子體以速度v 沿垂直于磁場的方向射入a、b 兩板之間，則下列說法正確的是aa 是直流電源的正極bb 是直流電源的正極c電源的電

13、動勢為bdvd電源的電動勢為qvb【答案】 bc 五、霍爾效應1定義 ：高為 h、寬為 d 的導體（自由電荷是電子或正電荷）置于勻強磁場b 中，當電流通過導體時，在導體的上表面a 和下表面a 之間產生電勢差，這種現象稱為霍爾效應，此電壓稱為霍爾電壓。2電勢高低的判斷：如圖，導體中的電流i 向右時，根據左手定則可得，若自由電荷是電子，則下表面a的電勢高；若自由電荷為正電荷，則上表面a 的電勢高。3霍爾電壓的計算：導體中的自由電荷（電子）在洛倫茲力作用下偏轉，a、 a 間出現電勢差，當自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時，a、a間的電勢差（u） 就保持穩(wěn)定，由qvbquh，inqvs，shd；聯立得

14、 ubinqdkbid，k1nq稱為霍爾系數。【 題 11】 （多選） 自行車速度計利用霍爾效應傳感器獲知自行車的運動速率，如圖甲，自行車前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉一圈，這塊磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器會輸出一個脈沖電壓，圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當磁場靠近霍爾元件時，導體內定向運動的自由電荷在磁場力作用下偏轉，最終使導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現電勢差，即為霍爾電勢差。下列說法正確的是a根據單位時間內的脈沖數和自行車車輪的半徑即可獲知車速大小b自行車的車速越大，霍爾電勢差越高c圖乙中霍爾元件的電流i 是由正電荷定向運動形成的d如果長時間不更換傳感器的電源，霍爾電勢差將減小【答案

15、】 ad 【題 12】 （多選） 利用霍爾效應制作的霍爾元件，廣泛應用于測量和自動控制等領域。如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應強度b 垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流i，c、d 兩側面會形成電勢差ucd，下列說法中正確的是a電勢差ucd僅與材料有關b若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢差ucdb。【題 13】 （多選）為了測量化工廠的污水排放量，技術人員在排污管末端安裝了流量計（流量q 為單位時間內流過某截面流體的體積）如圖13 所示，長方體絕緣管道的長、寬、高分別為a、b、 c，左、右兩端開口，所在空間有垂直于前后表面、磁感應強度大小為b 的勻強磁場，在上、下兩個面的內側

16、固定有金屬板m、n，污水充滿管道從左向右勻速流動，測得m、n 間電壓為 u，污水流過管道時受到的阻力大小ff klv2，k 是比例系數，l 為污水沿流速方向的長度，v 為污水的流速。則a污水的流量qabubb金屬板m 的電勢不一定高于金屬板 n 的電勢c電壓 u 與污水中離子濃度無關d左、右兩側管口的壓強差 pkau2bb2c3【答案】 cd 【解析】根據：qvbquc得： vubc，則有qvsvbcubcbcubb，故 a 錯誤；根據左手定則，正離子向上表面偏轉，負離子向下表面偏轉，知上表面的電勢一定高于下表面的電勢，即金屬板m 的電勢一定高于金屬板n的電勢，故b 錯誤；最終離子在電場力和洛

17、倫茲力作用下平衡，有：qvb quc，解得： u vbc，與污水中離子濃度無關，故c 正確；根據平衡條件，則有： pbcff klv2kav2，而 vubc，解得 pkau2bb2c3，故 d 正確?！绢} 14】 （多選）電磁泵在目前的生產、科技中得到了廣泛應用。如圖，泵體是一個長方體，ab 邊長為 l1，兩側端面是邊長為l2的正方形；流經泵體內的液體密度為 、在泵頭通入導電劑后液體的電導率為（電阻率的倒數），泵體所在處有方向垂直前表面向外的磁場b，把泵體的上下兩表面接在電壓為u（內阻不計） 的電源上，則a泵體上表面應接電源正極b通過泵體的電流iul1c增大磁感應強度可獲得更大的抽液高度d增大液體的電阻率可獲得更大的抽液高度【答案】 ac 速度選擇器、磁流體發(fā)電機、霍爾效應和電磁流量計的比較1速度選擇器、