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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 課時提升練24 磁場對運動電荷的作用
題組一 洛倫茲力的理解
1.(多選)一個帶正電的小球沿光滑絕緣的桌面向右運動,速度方向垂直于一個水平向里的勻強(qiáng)磁場,如圖8216所示,小球飛離桌面后落到地板上,設(shè)飛行時間為t1,水平射程為x1,著地速度為v1.撤去磁場,其余的條件不變,小球飛行時間為t2,水平射程為x2,著地速度為v2,則下列論述正確的是( )
圖8216
A.x1>x2 B.t1>t2
C.v1和v2大小相等 D.v1和v2方向相同
【解析】 當(dāng)桌面右邊存在磁場時,由左手定則可知,帶正電的小球在飛行過程中受到斜向右上方的洛倫茲力作用,此力在水平方向上的分量向右,豎直分量向上,因此小球水平方向上存在加速度,豎直方向上的加速度a
t2,x1>x2,A、B對;又因為洛倫茲力不做功,故C對;兩次小球著地時速度方向不同,D錯.
【答案】 ABC
2.(浙江省金華市xx屆質(zhì)檢)如圖8217所示,一束電子流沿管的軸線進(jìn)入螺線管,忽略重力,電子在管內(nèi)的運動應(yīng)該是( )
圖8217
A.當(dāng)從a端通入電流時,電子做勻加速直線運動
B.當(dāng)從b端通入電流時,電子做勻加速直線運動
C.不管從哪端通入電流,電子都做勻速直線運動
D.不管從哪端通入電流,電子都做勻速圓周運動
【解析】 由于通電螺線管內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場,電子運動方向與磁感線平行,電子不受磁場力作用,所以不管從哪端通入電流,電子都做勻速直線運動.
【答案】 C
3.用絕緣細(xì)線懸掛一個質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的小球,讓它處于如圖8218所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中.由于磁場的運動,小球靜止在如圖所示位置,這時懸線與豎直方向的夾角為α,并被拉緊,則磁場的運動速度和方向可能是( )
圖8218
A.v=,水平向左
B.v=,豎直向下
C.v=,豎直向上
D.v=,水平向右
【解析】 根據(jù)運動的相對性,帶電小球相對于磁場的速度與磁場相對于小球(相對地面靜止)的速度大小相等、方向相反.洛倫茲力F=qvB中的v是相對于磁場的速度.根據(jù)力的平衡條件可以得出,當(dāng)小球相對磁場以速度v=豎直向下運動或以速度v=水平向右運動時,帶電小球都能處于靜止?fàn)顟B(tài),但小球處于后者的狀態(tài)時,懸線不受拉力,不會被拉緊,故本題選C.
【答案】 C
題組二 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動
4.(多選)如圖8219所示,在一矩形區(qū)域內(nèi),不加磁場時,不計重力的帶電粒子以某一初速度垂直左邊界射入,穿過此區(qū)域的時間為t.若加上磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場,帶電粒子仍以原來的初速度入射,粒子飛出磁場時偏離原方向的60,利用以上數(shù)據(jù)可求出下列物理量中的( )
圖8219
A.帶電粒子的比荷
B.帶電粒子在磁場中運動的周期
C.帶電粒子的初速度
D.帶電粒子在磁場中運動的半徑
【解析】 由帶電粒子在磁場中運動的偏轉(zhuǎn)角,可知帶電粒子運動軌跡所對應(yīng)的圓心角為60,因此由幾何關(guān)系得磁場寬度l=rsin 60=sin 60,又未加磁場時有l(wèi)=v0t,所以可求得比荷=,A項對;周期T=也可求出,B項對;因初速度未知,所以C、D項錯.
【答案】 AB
5.(xx廣東模擬)薄鋁板將同一勻強(qiáng)磁場分成Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域,高速帶電粒子可穿過鋁板一次,在兩個區(qū)域內(nèi)運動的軌跡如圖8220所示,半徑R1>R2.假定穿過鋁板前后粒子電荷量保持不變,則該粒子
( )
圖8220
A.帶正電
B.在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的運動速度大小相同
C.在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的運動時間相同
D.從Ⅱ區(qū)域穿過鋁板運動到Ⅰ區(qū)域
【解析】 粒子穿過鋁板受到鋁板的阻力,速度將減?。蓃=可得粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑將減小,故可得粒子由Ⅰ區(qū)域運動到Ⅱ區(qū)域,結(jié)合左手定則可知粒子帶負(fù)電,A、B、D選項錯誤;由T=可知粒子運動的周期不變,粒子在Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域中運動的時間均為t=T=,C選項正確.
【答案】 C
6.如圖8221是某離子速度選擇器的原理示意圖,在一半徑為R的絕緣圓柱形筒內(nèi)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,方向平行于軸線.在圓柱形筒上某一直徑兩端開有小孔M、N,現(xiàn)有一束速率不同、比荷均為k的正、負(fù)離子,從M孔以α角入射,一些具有特定速度的離子未與筒壁碰撞而直接從N孔射出(不考慮離子間的作用力和重力).則從N孔射出的離子( )
圖8221
A.是正離子,速率為kBR/cos α
B.是正離子,速率為kBR/sin α
C.是負(fù)離子,速率為kBR/sin α
D.是負(fù)離子,速率為kBR/cos α
【解析】 因為離子向下偏,根據(jù)左手定則,離子帶正電,運動軌跡如圖所示,由幾何關(guān)系可知r=,由qvB=m可得v=,故B正確.
【答案】 B
7.如圖8222所示,邊長為L的正方形ABCD區(qū)域內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面向里、大小為B的勻強(qiáng)磁場,一質(zhì)量為m、帶電荷量為-q的粒子從AB邊的中點處以垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度方向射入磁場,速度方向與AB邊的夾角為30,若要求該粒子不從AD邊射出磁場,則其速度大小應(yīng)滿足( )
圖8222
A.v≤ B.v≥
C.v≤ D.v≥
【解析】 當(dāng)粒子的軌跡跟AD邊相切時,粒子恰好不從AD邊射出,通過作圖,知rmsin θ+=rm,得rm=L,此時的速度為vmin=,而滿足條件的半徑r應(yīng)小于等于L,故有v≤,C對.
【答案】 C
B組 深化訓(xùn)練——提升應(yīng)考能力
8.(多選)如圖8223所示,坐標(biāo)原點O處有一粒子源,能沿紙面向各個方向(y>0)發(fā)射速率v相同的粒子,在x軸上方的空間存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,不計粒子所受重力及粒子間的相互作用,圖中曲線OMN表示粒子運動的區(qū)域邊界,OM=ON=L,則
圖8223
A.粒子帶負(fù)電,其比荷為=
B.當(dāng)粒子沿x軸負(fù)方向射入磁場時,其運動軌跡即為曲線OMN
C.當(dāng)粒子射入磁場的速度方向與x軸正方向的夾角為30時,粒子在磁場中的運動時間為
D.當(dāng)粒子沿y軸正方向射入磁場時,其一定會經(jīng)過ON的中點
【解析】 由左手定則知粒子帶負(fù)電,由題圖知粒子軌道半徑為L,而Bqv=m,所以=,A對;當(dāng)粒子沿x軸負(fù)方向射入磁場時,粒子的運動軌跡是一完整的圓周,B錯,當(dāng)粒子射入磁場的速度方向與x軸正方向的夾角為30時,粒子運動所對圓心角為60,粒子在磁場中的運動時間為t==,C對;因ON=L,粒子運動半徑為L,當(dāng)粒子沿y軸正方向射入磁場時,ON恰好為粒子做圓周運動的直徑,粒子一定會經(jīng)過N點,D錯.
【解析】 AC
9.如圖8224所示,MN上方存在勻強(qiáng)磁場,帶同種電荷的粒子a、b以相同的動能同時從O點射入勻強(qiáng)磁場中,兩粒子的入射方向與磁場邊界MN的夾角分別為30和60,且同時到達(dá)P點,已知OP=d,則( )
圖8224
A.a(chǎn)、b兩粒子運動半徑之比為1∶
B.a(chǎn)、b兩粒子的初速率之比為5∶2
C.a(chǎn)、b兩粒子的質(zhì)量之比為4∶25
D.a(chǎn)、b兩粒子的電荷量之比為2∶15
【解析】 由題圖知a粒子在磁場中運動軌跡半徑為ra=d,運動軌跡所對的圓心角為300,運動軌跡弧長為sa==,b粒子在磁場中運動軌跡半徑為rb=d,所對的圓心角為120,運動軌跡弧長為sb==,所以a、b兩粒子運動半徑之比為∶1,A錯;因運動時間t=,而ta=tb,即a、b兩粒子的初速率這比為5:2,B錯;因兩粒子以相同的動能入射,mav=mbv,所以a、b兩粒子的質(zhì)量之比為4:75,C錯;因t=,所以a、b兩粒子的電荷量之比為2∶15,D對.
【答案】 D
10.(xx北京名校聯(lián)盟)如圖8225所示,在x軸上方存在垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.在xOy平面內(nèi),從原點O處沿與x軸正方向成θ角(0<θ<π),以速率v發(fā)射一個帶正電的粒子(重力不計).則下列說法正確的是( )
圖8225
A.若v一定,θ越大,則粒子在磁場中運動的時間越短
B.若v一定,θ越大,則粒子在離開磁場的位置距O點越遠(yuǎn)
C.若θ一定,v越大,則粒子在磁場中運動的角速度越大
D.若θ一定,v越大,則粒子在磁場中運動的時間越短
【解析】 根據(jù)洛倫茲力提供向心力,即qvB=m,圓周運動半徑R=,根據(jù)對稱性,在磁場中圓周運動對應(yīng)的圓心角為2θ,帶電粒子在磁場中圓周運動周期T=,則粒子在磁場中運動時間t=T=(1-),若v一定,θ越大,運動時間越短,選項A對;磁場中運動時間與速度無關(guān),選項D錯;對應(yīng)的弦長L=2Rsin θ=sin θ,若v一定,θ越大,由于0<θ<π對應(yīng)的弦長在θ=時最大,選項B錯;圓周運動的角速度ω==大小與速度無關(guān),選項C錯.
【答案】 A
11.(xx江西省九校聯(lián)考)勻強(qiáng)磁場區(qū)域由一個半徑為R的半圓和一個長為2R,寬為的矩形組成,磁場的方向如圖8226所示.一束質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子(粒子間的相互作用和重力均不計)以速度v從邊界AN的中點P垂直于AN和磁場方向射入磁場中.問:
圖8226
(1)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大時,粒子恰好從A點射出?
(2)對應(yīng)于粒子可能射出的各段磁場邊界,磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)滿足什么條件?
【解析】 (1)由左手定則判定,粒子向左偏轉(zhuǎn),只能從PA、AC和CD三段邊界射出,如圖所示,當(dāng)粒子從A點射出時,運動半徑r1=
由qB1v=
得B1=
(2)當(dāng)粒子從C點射出時,
在Rt△CAO2中有2+(R-r2)2=r,
解得r2=R,
由qB2v=
得B2=
據(jù)粒子在磁場中運動半徑隨磁場減弱而增大,可以判斷
當(dāng)B>時,粒子從PA段射出
當(dāng)>B>時,粒子從AC段射出
當(dāng)B<時,粒子從CD段射出
【答案】 (1) (2)見解析
12.(xx雅安模擬)如圖8227所示,在半徑為R=的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,圓形區(qū)域右側(cè)有一豎直感光板,帶正電粒子從圓弧頂點P以速率v0平行于紙面進(jìn)入磁場,已知粒子的質(zhì)量為m,電量為q,粒子重力不計.
圖8227
(1)若粒子對準(zhǔn)圓心射入,求它在磁場中運動的時間;
(2)若粒子對準(zhǔn)圓心射入,且速率為v0,求它打到感光板上時速度的垂直分量;
(3)若粒子以速度v0從P點以任意角入射,試證明它離開磁場后均垂直打在感光板上.
【解析】 (1)粒子的軌跡半徑r==R,
故粒子在磁場中的運動時間t==.
(2)當(dāng)v=v0時,軌跡半徑r′=R,如圖所示,速度偏轉(zhuǎn)60角,故v⊥=vsin 60=v0.
(3)由(1)知,當(dāng)帶電粒子以v0射入時,帶電粒子在磁場中的運動軌道半徑為R.設(shè)粒子射入方向與PO方向夾角為θ,帶電粒子從區(qū)域邊界S射出,帶電粒子運動軌跡如圖所示.
因PO3=O3S=PO=SO=R
所以四邊形POSO3為菱形
由圖可知:PO∥O3S,v3⊥SO3
因此,帶電粒子射出磁場時的方向為水平方向,與入射的方向無關(guān).
【答案】 (1) (2)v0 (3)見解析
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