2025高考物理總復(fù)習(xí)現(xiàn)代科技中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)問(wèn)題

第5講專(zhuān)題提升現(xiàn)代科技中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)問(wèn)題高考總復(fù)習(xí)2025專(zhuān)題概述:帶電粒子在組合場(chǎng)、疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活及現(xiàn)代科技中,組合場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例主要有質(zhì)譜儀和回旋加速器;疊加場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例有速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾元件等。題型一電場(chǎng)和磁場(chǎng)組合的應(yīng)用實(shí)例一、質(zhì)譜儀1.構(gòu)造如圖所示,由粒子源、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和照相底片等構(gòu)成。2.原理

二、回旋加速器

1.構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓形金屬盒,D形盒的縫隙處接交變電流,D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。2.原理:①交變電流周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等;②使粒子每經(jīng)過(guò)一次D形盒縫隙,粒子被加速一次。考向一

質(zhì)譜儀的原理及應(yīng)用典題1

質(zhì)譜儀可以用來(lái)分析同位素。如圖所示,在容器A中有互為同位素的兩種原子核,它們可從容器A下方的小孔S1無(wú)初速度飄入加速電場(chǎng),經(jīng)小孔S3垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),分別打到M、N兩點(diǎn),距離S3分別為x1、x2。則分別打到M、N的原子核質(zhì)量之比為(

)C考向二

回旋加速器的原理及應(yīng)用典題2(2024湖北武漢華中師大一模)世界上第一臺(tái)回旋加速器,如圖甲所示。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖乙所示,D1和D2是兩個(gè)中空的、半徑為R的半圓形金屬盒,兩盒之間窄縫的寬度為d,它們之間有一定的電勢(shì)差U。兩個(gè)金屬盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。D1盒的中央A處的粒子源可以產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為+q(q>0)的粒子,粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫都會(huì)被電場(chǎng)加速,之后進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)若干次加速后,粒子從金屬盒D1邊緣離開(kāi),忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子間的相互作用及相對(duì)論效應(yīng)。(1)求粒子離開(kāi)加速器時(shí)獲得的最大動(dòng)能Ekm。(2)在分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí),求第N次加速后與第N+1次加速后勻速圓周運(yùn)動(dòng)軌道直徑的差值。(3)已知回旋加速器兩盒之間窄縫的寬度d=1cm,加速電壓U=2kV,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.1T,可加速氘核(電荷量為q=1.6×10-19C,質(zhì)量m=3.34×10-27kg),達(dá)到最大動(dòng)能Ekm=60keV。氘核在電場(chǎng)中加速的時(shí)間不能忽略,氘核在最后一次加速后剛好繼續(xù)完成半個(gè)勻速圓周運(yùn)動(dòng),求氘核運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析

(1)當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)半徑為半圓金屬盒的半徑R時(shí),粒子的速度達(dá)到最大值vm,由牛頓第二定律得(3)氘核每穿過(guò)縫隙一次,靜電力對(duì)氘核做功。由動(dòng)能定理有nqU=Ekm解得氘核穿過(guò)D形盒間縫隙的總次數(shù)為n=30氘核在電場(chǎng)中做勻加速直線運(yùn)動(dòng),將在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)看成一個(gè)整體方法技巧

解決電磁場(chǎng)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的一般思維程序

題型二電場(chǎng)與磁場(chǎng)疊加的應(yīng)用實(shí)例考向一

速度選擇器的原理及應(yīng)用典題3(2024北京海淀模擬)如圖所示,速度選擇器的兩平行導(dǎo)體板之間有方向互相垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直紙面向里。一電荷量為+q(q>0)的粒子以速度v從S點(diǎn)進(jìn)入速度選擇器后,恰能沿圖中虛線通過(guò)。不計(jì)粒子重力,下列說(shuō)法可能正確的是(

)A.電荷量為-q的粒子以速度v從S點(diǎn)進(jìn)入后將向下偏轉(zhuǎn)B.電荷量為+2q的粒子以速度v從S點(diǎn)進(jìn)入后將做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)C.電荷量為+q的粒子以大于v的速度從S點(diǎn)進(jìn)入后動(dòng)能將逐漸減小D.電荷量為-q的粒子以大于v的速度從S點(diǎn)進(jìn)入后動(dòng)能將逐漸增大C解析

電荷量為+q的粒子以速度v進(jìn)入速度選擇器后受力平衡,有qvB=qE,由左手定則可知,洛倫茲力豎直向上,靜電力豎直向下,即電場(chǎng)強(qiáng)度的方向豎直向下,且有E=vB,當(dāng)電荷量為-q的粒子以速度v從S點(diǎn)進(jìn)入后,粒子所受的洛倫茲力和靜電力同時(shí)反向,仍受力平衡,粒子沿著圖中虛線通過(guò),A錯(cuò)誤;電荷量為+2q的粒子以速度v從S點(diǎn)進(jìn)入后,洛倫茲力和靜電力均加倍,粒子受力平衡,將沿著圖中虛線通過(guò),B錯(cuò)誤;電荷量為+q的粒子以大于v的速度從S點(diǎn)進(jìn)入后,向上的洛倫茲力大于向下的靜電力,粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡將向上彎曲,靜電力對(duì)粒子做負(fù)功,粒子的動(dòng)能將逐漸減小,C正確;電荷量為-q的粒子以大于v的速度從S點(diǎn)進(jìn)入后,向下的洛倫茲力大于向上的靜電力,粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡將向下彎曲,靜電力對(duì)粒子做負(fù)功,粒子的動(dòng)能將逐漸減小,D錯(cuò)誤?？枷蚨?/p>

磁流體發(fā)電機(jī)的原理及應(yīng)用典題4(多選)磁流體發(fā)電機(jī)又叫等離子體發(fā)電機(jī),如圖所示,燃燒室在3000K的高溫下將氣體全部電離為電子和正離子,即高溫等離子體。高溫等離子體經(jīng)噴管提速后以1000m/s的速度進(jìn)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(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為6T。等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn),在兩極間形成電勢(shì)差。已知發(fā)電通道長(zhǎng)a=60cm,寬b=20cm,高d=30cm,等離子體的電阻率ρ=2Ω·m,外接電阻R不為零,電流表視為理想電表,閉合開(kāi)關(guān)K,則以下判斷正確的是(

)A.電阻R兩端的電壓為1800VB.發(fā)電通道的上極板為電源正極C.當(dāng)外接電阻R的阻值為4Ω時(shí),發(fā)電機(jī)輸出功率最大D.增加磁感應(yīng)強(qiáng)度B,電流表讀數(shù)也會(huì)相應(yīng)增大答案

BD

考向三

電磁流量計(jì)的原理及應(yīng)用典題5

工業(yè)上常用電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量高黏度及強(qiáng)腐蝕性導(dǎo)電流體的流量Q(單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道橫截面的液體體積)。其原理如圖所示,在非磁性材料做成的圓管處加一磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),當(dāng)導(dǎo)電液體流過(guò)此磁場(chǎng)區(qū)域時(shí),測(cè)出管壁上下M、N兩點(diǎn)間的電勢(shì)差U,就可計(jì)算出管中液體的流量。已知排污管道直徑為10cm。在定標(biāo)時(shí)測(cè)定,當(dāng)M、N點(diǎn)間外接電壓表示數(shù)為1mV時(shí),其流量約為280m3/h。下列說(shuō)法正確的是(

)A.測(cè)量M、N間電勢(shì)差時(shí),應(yīng)將電壓表正接線柱與M相連B.其他條件一定時(shí),M、N間電壓與流量成反比C.其他條件一定時(shí),電壓表示數(shù)恒定,其流量與導(dǎo)電液體中的離子濃度成正比D.若排污管直徑換成5cm,電壓表示數(shù)為1mV時(shí),其流量約為140m3/hD解析

根據(jù)左手定則可知,管壁內(nèi)正離子會(huì)向下偏轉(zhuǎn),負(fù)離子向上偏轉(zhuǎn),因此測(cè)量M、N間電勢(shì)差時(shí),應(yīng)將電壓表正接線柱與N相連,A錯(cuò)誤;當(dāng)正負(fù)離子受到的靜電力與洛倫茲力平衡時(shí),離子不再偏轉(zhuǎn),MN間有穩(wěn)定的電勢(shì)差,即恒定,即U不變時(shí),流量與導(dǎo)電液體中的離子濃度無(wú)關(guān),B、C錯(cuò)誤;排污管道直徑為10

cm,在定標(biāo)時(shí)測(cè)定,當(dāng)M、N點(diǎn)間外接電壓表示數(shù)為1

mV時(shí),其流量約為280

m3/h,若排污管直徑換成5

cm,電壓表示數(shù)為1

mV時(shí),其流量約為考向四

霍爾元件的原理及應(yīng)用典題6(2024浙江臺(tái)州模擬)利用霍爾元件可以進(jìn)行微小位移的測(cè)量。如圖所示,在兩塊磁感應(yīng)強(qiáng)度相同、同極相對(duì)放置的磁體縫隙中放入某種金屬材料制成的霍爾元件,當(dāng)霍爾元件處于中間位置時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0,霍爾電壓UH為0,將該點(diǎn)作為位移的零點(diǎn),以水平向右為正方向。當(dāng)霍爾元件通以大小不變的電流I,并沿著±z方向移動(dòng)時(shí),則有霍爾電壓輸出,從而實(shí)現(xiàn)微小位移的測(cè)量。下列說(shuō)法正確的是(

)A.若僅增加電流I的大小,霍爾電壓減小B.當(dāng)霍爾元件向+z方向移動(dòng)時(shí),UMN小于零C.若僅增加霍爾元件z軸方向的厚度,霍爾電壓增大D.該霍爾元件可以實(shí)現(xiàn)把微小位移量轉(zhuǎn)換為磁學(xué)量輸出B解析

當(dāng)霍爾元件向+z方向移動(dòng)時(shí),磁場(chǎng)方向水平向左,根據(jù)左手定則可知,電子向M面偏轉(zhuǎn),M表面帶負(fù)電,N表面帶正電,所以N表面的電勢(shì)高,則UMN小于零,B正確。設(shè)載流子的電荷量為q,沿電流方向定向運(yùn)動(dòng)的平均速度為v,單位體積內(nèi)自由移動(dòng)的載流子數(shù)為n,導(dǎo)體板橫截面積為S,霍爾元件沿z軸厚度為a,霍爾元件上下寬度為b,電流微觀表達(dá)式I=nqSv=nqabv,當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),洛倫茲力與靜電力平衡,根據(jù)平衡條件得

=qvB,聯(lián)立可得

,可知UH與B、I成正比,而B(niǎo)與z軸的位置有關(guān),故UH與坐標(biāo)z是有關(guān)的;在Δz<0區(qū)域(霍爾元件距離左側(cè)的N極較近),所處的B