2019届高考物理一轮复习课时规范练30《带电粒子在复合场中的运动》(含解析)

课时规范练30　带电粒子在复合场中的运动

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基础巩固组

1.

(带电粒子在叠加场中的运动)(2017·辽宁五校联考)有一个电荷量为+q、重力为G的小球,从两竖直的带电平行板上方h处自由落下,两极板间另有匀强磁场,磁感应强度为B,方向如图所示,则带电小球通过有电场和磁场的空间时,下列说法正确的是(　　)

A.一定做曲线运动

B.不可能做曲线运动

C.有可能做匀加速直线运动

D.有可能做匀速直线运动

答案A

解析带电小球在没有进入复合场前做自由落体运动,进入磁场后,受竖直向下的重力G=mg、水平向左的电场力F电=qE与水平向右的洛伦兹力F洛=qBv,重力与电场力大小和方向保持恒定,但因为速度大小会发生变化,所以洛伦兹力大小和方向会发生变化,所以一定会做曲线运动,A正确,B、C、D错误。

2.

(多选)(带电粒子在叠加场中的运动)(2017·河南郑州质检)如图所示为一个质量为m、电荷量为+q的圆环,可在水平放置的足够长的粗糙细杆上滑动,细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中,不计空气阻力,现给圆环向右的初速度v0,在以后的运动过程中,圆环运动的速度图象可能是下图中的(　　)

答案AD

解析带电圆环在磁场中受到向上的洛伦兹力,当重力与洛伦兹力相等时,圆环将做匀速直线运动,A正确;当洛伦兹力大于重力时,圆环受到摩擦力的作用,并且随着速度的减小而减小,圆环将做加速度减小的减速运动,最后做匀速直线运动,D正确;如果重力大于洛伦兹力,圆环也受摩擦力作用,且摩擦力越来越大,圆环将做加速度增大的减速运动,故B、C错误。

3.

(现代科技中的电磁场问题)(2017·山西四校联考)如图所示,有一金属块放在垂直于表面C的匀强磁场中,当有稳恒电流沿平行平面C的方向通过时,下列说法正确的是(　　)

A.金属块上表面M的电势高于下表面N的电势

B.电流增大时,M、N两表面间的电压U增大

C.磁感应强度增大时,M、N两表面间的电压U减小

D.金属块中单位体积内的自由电子数越少,M、N两表面间的电压U越小

答案B

解析由左手定则可知,金属块通有图示电流时,自由电子受到向上的洛伦兹力,向M面偏转,故上表面M电势低于下表面N的电势,A项错误;最终电子在洛伦兹力和电场力作用下处于平衡,即evB=e,则有U=Bvd,由此可知,磁感应强度增大时,M、N两表面间的电压增大,C项错误;由电流的微观表达式I=neSv可知,电流增大说明自由电子定向移动速率v增大,所以M、N两表面间的电压增大,B项正确;电流一定时,金属块中单位体积内的自由电子数n越少,自由电子定向移动的速率一定越大,所以M、N两表面间的电压增大,D项错误。

4.

(现代科技中的电磁场问题)(2017·江苏常州模拟)回旋加速器是加速带电粒子的装置,其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,磁场方向如图所示。设D形盒半径为r。若用回旋加速器加速质子时,匀强磁场的磁感应强度为B,高频交变电流频率为f。则下列说法正确的是(　　)

A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πfr

B.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小有关

C.高频电源只能使用矩形交变电流,不能使用正弦式交变电流

D.不改变B和f,该回旋加速器也能用于加速α粒子

答案A

解析由T=,T=,可得质子被加速后的最大速度为2πfr,其不可能超过2πfr,质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关,选项A正确、选项B错误;高频电源可以使用正弦式交流电源,选项C错误;要加速α粒子,高频交流电源周期必须变为α粒子在其中做圆周运动的周期,即T=,故选项D错误。

5.

(现代科技中的电磁场问题)(2017·湖南模拟)速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束,其运动轨迹如图所示,其中S0A=S0C,则下列相关说法正确的是              (　　)

A.甲束粒子带正电,乙束粒子带负电

B.甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷

C.能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于

D.若甲、乙两束粒子的电荷量相等,则甲、乙两束粒子的质量比为3∶2

答案B

解析由左手定则可判定甲束粒子带负电,乙束粒子带正电,A错误。粒子在磁场中做圆周运动,满足B2qv=m,得,由题意知r甲<r乙,所以甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷,B正确。由qE=B1qv知能通过狭缝S0的带电粒子的速率v=,C错误。由,知,D错误。

6.

(多选)(带电粒子在叠加场中的运动)(2017·贵州遵义月考)如图所示,质量为m、电荷量为q的微粒以速度v与水平方向成45°角进入匀强电场和匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里。如果微粒做匀速直线运动,则下列说法正确的是              (　　)

A.微粒受电场力、洛伦兹力、重力三个力作用

B.微粒带负电,微粒在运动中电势能不断增加

C.匀强电场的电场强度E=

D.匀强磁场的磁感应强度B=

答案AB

解析

微粒做匀速直线运动,若受电场力和洛伦兹力两个力作用,不可能平衡,可知微粒受重力、电场力和洛伦兹力三个力作用,故A正确;若微粒带正电,电场力水平向左,洛伦兹力垂直速度方向斜向下,则三个力不可能平衡,可知微粒带负电,受力如图所示,电场力做负功,则电势能不断增加,故B正确;根据平衡有qvBcos θ=mg,解得B=,qE=qvBsin θ,解得E=Bvsin θ=,故C、D错误。

7.

(带电粒子在叠加场中的运动)(2017·广东湛江一中月考)如图所示,一带电液滴在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中刚好做匀速圆周运动,其轨道半径为r。已知电场的电场强度为E,方向竖直向下;磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,不计空气阻力,重力加速度取g,则(　　)

A.液滴带正电 B.液滴比荷

C.液滴顺时针运动 D.液滴运动的速度大小v=

答案C

解析液滴在重力场、匀强电场和匀强磁场组成的复合场中做匀速圆周运动,可知,液滴受到的重力和电场力是一对平衡力,重力竖直向下,所以电场力竖直向上,与电场方向相反,故可知液滴带负电,故A错误;由液滴做匀速圆周运动,得知电场力和重力大小相等,得mg=qE,解得,故B错误;磁场方向垂直纸面向里,洛伦兹力的方向始终指向圆心,由左手定则可判断液滴的运动方向为顺时针,故C正确;液滴在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动的半径为r=,联立各式得v=,故D错误。

8.

(带电粒子在组合场中的运动)(2017·河南洛阳统考)如图所示,一个静止的质量为m、电荷量为q的粒子(不计重力),经电压U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,粒子在磁场中转半个圆后打在P点,设OP=x,能够正确反映x与U之间的函数关系的是(　　)

答案B

解析带电粒子经电压U加速,由动能定理,qU=mv2,垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,洛伦兹力提供向心力,qvB=m,而r=,联立解得x=。由此可知能够正确反映x与U之间的函数关系的是选项B中图象。

〚导学号06400470〛

能力提升组

9.

(2017·四川凉山州一诊)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具,其构造原理如图所示,离子源S产生质量为m、电荷量为q、初速度为0的某种正离子,离子经过电压U加速后形成离子流,然后从S1处垂直于磁场进入矩形ABCD区域内的匀强磁场中,运动半周到达记录它的照相底片上的P点,已知P与S1的距离为x,离子形成的等效电流为I。求:

(1)磁场的磁感应强度;

(2)在时间t内到达照相底片P上的离子个数。

答案(1),方向垂直于纸面向外　(2)

解析(1)加速过程中有qU=mv2,在磁场中偏转过程中有x=2r,qvB=m。联立解得B=,由左手定则可判断出磁场方向垂直于纸面向外。

(2)时间t内,n=,又Q=It,可得n=。

10.

(2017·福州质检)如图所示,在x轴上方存在匀强磁场,磁感应强度为B,方向垂直纸面向里。在x轴下方存在匀强电场,方向竖直向上。一个质量为m,电荷量为q,重力不计的带正电粒子从y轴上的a(0,h)点沿y轴正方向以某初速度开始运动,一段时间后,粒子速度方向与x轴正方向成45°进入电场,经过y轴的b点时速度方向恰好与y轴垂直。求:

(1)粒子在磁场中运动的轨道半径r和速度大小v1;

(2)匀强电场的电场强度大小E;

(3)粒子从开始运动到第三次经过x轴的时间t0。

答案(1)h　　(2)　(3)+2+2

解析

(1)根据题意可大体画出粒子在组合场中的运动轨迹如图所示,由几何关系得

rcos 45°=h

可得r=h

又qv1B=

可得v1=。

(2)设粒子第一次经过x轴的位置为x1,到达b点时速度大小为vb,结合类平抛运动规律,有vb=v1cos 45°

得vb=

设粒子进入电场经过时间t运动到b点,b点的纵坐标为-yb

结合类平抛运动规律得r+rsin 45°=vbt

yb=(v1sin 45°+0)t=h

由动能定理有-qEyb=

解得E=。

(3)粒子在磁场中的周期为T=

第一次经过x轴的时间t1=T=

在电场中运动的时间t2=2t=

在第二次经过x轴到第三次经过x轴的时间

t3=T=

所以总时间t0=t1+t2+t3=+2+2。〚导学号06400471〛

11.

(2017·山东滨州一模)如图所示,半径为r的圆形区域位于正方形ABCD的中心,圆形区域内、外有垂直纸面的匀强磁场,磁感应强度大小相等,方向相反。一质量为m、电荷量为q的带正电粒子以速率v0沿纸面从M点平行于AB边沿半径方向射入圆形磁场,在圆形磁场中转过90°从N点射出,且恰好没射出正方形磁场区域,粒子重力不计。求:

(1)磁场的磁感应强度B;

(2)正方形区域的边长;

(3)粒子再次回到M点所用的时间。

答案(1)　(2)4r　(3)

解析(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,运动轨迹如图所示,设粒子在圆形磁场中的轨迹半径为r1,qv0B=m,由几何关系r1=r,解得B=。

(2)设粒子在正方形磁场中的轨迹半径为r2,粒子恰好不从AB边射出,则有qv0B=m,r2==r,正方形的边长l=2r1+2r2=4r。

(3)粒子在圆形磁场中做圆周运动的周期T1=,在圆形磁场中运动的时间t1=T1=,粒子在正方形区域做圆周运动的周期T2=,t2=T2=,再次回到M点的时间为t=t1+t2=。

〚导学号06400472〛