高考物理一轮复习【专题练习】 专题60 电磁场中各类仪器使用原理

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高考物理一轮复习策略首先，要学会听课：1、有准备的去听，也就是说听课前要先预习，找出不懂的知识、发现问题，带着知识点和问题去听课会有解惑的快乐，也更听得进去，容易掌握;2、参与交流和互动，不要只是把自己摆在“听”的旁观者，而是“听”的参与者。3、听要结合写和思考。4、如果你因为种种原因，出现了那些似懂非懂、不懂的知识，课上或者课后一定要花时间去弄懂。其次，要学会记忆：1、要学会整合知识点。把需要学习的信息、掌握的知识分类，做成思维导图或知识点卡片，会让你的大脑、思维条理清醒，方便记忆、温习、掌握。2、合理用脑。3、借助高效工具。学习思维导图，思维导图是一种将放射性思考具体化的方法，也是高效整理，促进理解和记忆的方法。最后，要学会总结：一是要总结考试成绩，通过总结学会正确地看待分数。1.摸透主干知识       2.能力驾驭高考      3.科技领跑生活 2023届高三物理一轮复习重点热点难点专题特训专题60  电磁场中各类仪器使用原理特训目标特训内容目标1速度选择器（1T—3T）目标2质谱仪（4T—6T）目标3磁流体发电机（7T—9T）目标4电磁流量计（10T—12T）目标5霍尔元件（13T—15T）目标6回旋加速器（16T—18T）【特训典例】一、速度选择器1．如图所示，两水平金属板构成的器件中同时存在着匀强电场和匀强磁场，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。一带电粒子以某一水平速度从P点射入，恰好能沿直线运动，不计带电粒子的重力。下列说法正确的是（　　）A．粒子一定带正电B．粒子的速度大小v=C．若粒子速度大小改变，则粒子将做曲线运动D．若粒子速度大小改变，则电场对粒子的作用力会发生变化
【答案】C【详解】A．粒子做直线运动，竖直方向受力平衡，如果粒子带正电，则电场力向下，洛伦兹力向上，如果粒子带负电，则电场力向上，洛伦兹力向下，故粒子电性不确定，故A错误；B．根据平衡条件得qvB=qE解得v=故B错误；CD．若粒子速度大小改变，则洛伦兹力大小改变，故粒子将做曲线运动，电场力做功，粒子速度大小改变，但电场力不变，故C正确，D错误。故选C。2．速度选择器装置如图所示，粒子（）以速度自O点沿中轴线射入，恰沿做匀速直线运动。所有粒子均不考虑重力的影响，下列说法正确的是（　　）A．粒子（）以速度自点沿中轴线从右边射入也能做匀速直线运动B．电子（）以速度自O点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动C．氘核（）以速度自O点沿中轴线射入，动能将减小D．氚核（）以速度2自O点沿中轴线射入，动能将增大【答案】B【详解】粒子（）以速度自O点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动，将受到向上的洛伦兹力和向下的电场力，满足解得即粒子的速度满足速度选择器的条件；A．粒子（）以速度自点沿中轴线从右边射入时，受到电场力向下，洛伦兹力也向下，故会向下偏转不会做匀速直线运动，A错误；
B．电子（）以速度自O点沿中轴线射入，受到电场力向上，洛伦兹力向下，依然满足电场力等于洛伦兹力，而做匀速直线运动，即速度选择器不选择电性而只选择速度，B正确；C．氘核（）以速度自O点沿中轴线射入，洛伦兹力小于电场力，粒子向下偏转，电场力做正功，动能将增大，C错误；D．氚核（）以速度2自O点沿中轴线射入，洛伦兹力大于电场力，粒子向上偏转，电场力做负功，动能将减小，D错误。故选B。3．如图所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源的两极上，使a、b两板间产生匀强电场（场强大小为E），右边有一块挡板，正中间开有一小孔d，在较大空间范围内存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里。从两板左侧中点c处射入一束离子（不计重力），这些离子都沿直线运动到右侧，从孔射出后分成三束，则下列判断正确的是（　　）A．这三束离子带电可正可负B．这三束离子的比荷一定不相同C．a、b两板间的匀强电场方向一定由a板指向b板D．若这三束离子的比荷变化而其他条件不变，则仍能从d孔射出【答案】BCD【详解】A．粒子出电场和磁场的复合场后均向上偏转，由左手定则可知三束离子均带正电，故A错误；B．三束离子在复合场中运动情况相同，即沿水平方向直线通过故有可得三束正离子的速度一定相同，在磁场中可得
由于三束正离子的在磁场中圆周运动的轨道半径不同，故比荷一定不相同，故B正确；C．由于在复合场中洛伦兹力竖直向上，则电场力一定竖直向下，故匀强电场方向一定竖直向下，即由a指向b，故C正确；D．由B选项分析可知若这三束离子的比荷变化而其他条件不变，则仍能从d孔射出，故D正确。故选BCD。二、质谱仪4．质谱仪是分析同位素的重要的仪器，在物理研究中起非常重要的作用。如图是质谱仪的工作原理示意图。粒子源（在加速电场上方，未画出）产生的带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为和。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片。平板S下方有强度为的匀强磁场。（不计带电粒子的重力）下列表述正确的是（　　）A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于C．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷（）越小D．粒子所带电荷量相同时，打在胶片上的位置越远离狭缝P，表明其质量越大【答案】D【详解】A．根据带电粒子在磁场中的偏转方向，根据左手定则知，该粒子带正电，则在速度选择器中电场力水平向右，则洛伦兹力水平向左，根据左手定则知，磁场方向垂直纸面向外，故A错误；
B．在速度选择器中，电场力和洛伦兹力平衡，有解得能通过狭缝P的带电粒子的速率等于，故B错误；CD．粒子进入磁场后，由洛伦兹力提供向心力，则有解得粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的轨迹半径越小，粒子的比荷（）越大；粒子所带电荷量相同时，打在胶片上的位置越远离狭缝P，粒子的轨迹半径越大，表明其质量越大，故C错误，D正确。故选D。5．如图，一质谱仪由加速电场、静电分析器、磁分析器构成。静电分析器通道的圆弧中心线半径为R，通道内有均匀辐向电场，中心线处的场强大小为E；半圆形磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场。要让质量为m、电荷量为q的粒子（不计重力），由静止开始从M板经加速电场加速后沿圆弧中心线通过静电分析器，再由P点垂直磁场边界进入磁分析器，最终打到胶片上，则（　　）A．若q<0，则辐向电场的方向与图示方向相反，且磁分析器中磁场方向垂直于纸面向外B．电荷量相同的粒子都能打在胶片上的同一点C．加速电场的电压U需满足的关系为U=ERD．粒子打在胶片上的位置Q到P点的距离为【答案】D【详解】A．若q<0，要想使粒子在静电分析器中做圆周运动，则辐向电场的方向由圆心指向圆外，则辐向电场的方向与图示方向相反；根据左手定则可知，磁分析器中磁场方向垂直于纸面向里，A错误；
C．在加速电场中在静电分析器中解得，C错误；BD．离子在磁分析器中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有解得则粒子打在胶片上的位置Q到P点的距离为可知荷质比相同的粒子能打在胶片上的同一点，B错误，D正确。故选D。6．如图1所示，让离子流从容器下方的小孔无初速度飘入加速电场，加速后垂直进入磁感应强度大小为的匀强磁场，最后打在照相底片上，形成一系列谱线。某位科学爱好者，经过一系列操作得到图2所示的图像，图像纵轴表示“谱线”到离子射人磁场的人射点的距离，而横轴并末作记录，则下列分析判断中正确的是（　　）A．图像横坐标轴一定表示离子比荷的平方根B．图像横坐标轴可能表示离子比荷倒数的平方根C．图像横坐标轴可能表示加速电场的电势差D．图像横坐标轴可能表示加速电场电势差的平方根【答案】BD【详解】离子进入容器A的初速度忽略不计，经加速电场加速获得动能当离子沿垂直于匀强磁场方向进入磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动联立得因具体实验条件不明，所以
（1）若磁场磁感应强度B及加速电压U不变，则（2）若磁场磁感应强度B及离子比荷不变，则故选BD。三、磁流体发电机7．磁流体发电机又叫等离子体发电机，如图所示，燃烧室在3000 K 的高温下将气体全部电离为电子和正离子，即高温等离子体。高温等离子体经喷管提速后以1000 m/s的速度进入矩形发电通道。发电通道有垂直于喷射速度方向的匀强磁场，磁感应强度大小为6 T。等离子体发生偏转，在两极间形成电势差。已知发电通道长a＝50 cm，宽b＝20 cm，高d＝20 cm，等离子体的电阻率ρ＝2 Ω·m。则以下判断中正确的是（　　）A．发电通道的上极板带正电，下极板带负电B．开关断开时，高温等离子体不能匀速通过发电通道C．当外接电阻为8 Ω时，电流表示数为150 AD．当外接电阻为4 Ω时，发电机输出功率最大【答案】AD【详解】A．等离子体进入矩形发电通道后，受洛伦兹力作用发生偏转，由左手定则可以判断，正电荷向上偏，负电荷向下偏，故发电通道的上极板带正电，下极板带负电，A正确；B．开关断开时，若等离子体在通道内受到的电场力与磁场力平衡，则等离子体可以匀速通过发电通道，不再偏转，B错误；C．开关断开时，由q＝qvB得两极板的最大电势差U＝Bdv＝6×0.2×1000 V＝1200 V开关闭合时，由电阻定律得，发电机内阻r＝＝4 Ω若外接电阻R＝8 Ω，则由闭合电路的欧姆定律得，电路中的电流
I＝＝100 A，C错误；D．若外接电阻R＝4 Ω，则R＝r，发电机有最大输出功率，D正确。故选AD。8．如图所示为磁流体发电机工作原理图。发电通道是个中空长方体，前后两个侧面是绝缘体，上下两个侧面是电阻可忽略的平行金属板，其间加有平行金属板面向里的匀强磁场，两金属板与量程足够大的滑动变阻器R相连，将气体加热到使之高度电离，形成等离子体，等离子体以速度v平行于两边喷入两板间，这时两板上就会聚集电荷而产生电压，这就是磁流体发电机与一般发电机的不同之处，它可以直接把内能转化为电能。已知发电通道长，高、宽分别为l、a、b，磁感应强度大小为B，当滑动变阻器R的阻值为时，发电机的输出功率达到最大。下列判断正确的是（　　）A．发电机上极板为正极B．等离子体的电阻率大小为C．两极板间电压大小为D．电源输出功率最大时，电源效率也最大【答案】AB【详解】A．由左手定则可判断正离子受到向上的洛伦兹力向上运动，负离子受到向下的洛伦兹力而向下运动，故发电机上极板为正极、下极板为负极，A正确；B．等离子体的电阻，即发电机的内阻为当时电源的输出功率最大，解得，B正确；C．稳定后满足解得电机的电动势为正常工作时，两极板间电压为路端电压，小于，C错误；
D．电源输出功率最大时，电源效率为外电阻越大，电源效率越高，D错误。故选AB。9．磁流体发电技术就是把燃料（石油、天然气、燃煤、核能等）直接加热成易于电离的气体，使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流，以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而形成电流，其原理图如图所示，已知等离子体射入的初速度为，匀强磁场磁感应强度大小为B，平行金属板A、B的长度为a、宽度为b、间距为L，金属板A、B的宽边外接阻值为R的定值电阻，稳定后，等离子体均匀分布在金属板A、B之间，且电阻率为，不计离子的重力及离子间的相互作用。下列说法正确的是（　　）A．电流从金属板B流经电阻R返回金属板AB．将磁流体发电机看成是电源，则电源内阻C．电流表的读数为D．将金属板A、B水平旋转90°，再将阻值为R的电阻接在金属板A、B的长度为a的边两端，电流表的读数变大【答案】AC【详解】A．由左手定则可知，正电荷受到向下的洛伦兹力而向下偏转，在金属板B上聚集，故金属板B为正极，电流从金属板B流经电阻R返回金属板A，故A正确；B．将磁流体发电机看成是电源，电源内阻故B错误；C．电路中的电流稳定后，电荷受到的洛伦兹力和电场力大小相等，即整个回路的电流
联立解得故C正确；D．由可知，电流的大小只与金属板的面积有关，故旋转两金属板，并将阻值为R的电阻接在金属板A、B的长度为a的边两端后，电流表的读数不变，故D错误。故选AC。四、电磁流量计10．电磁流量计广泛用于测量可导电液体（如污水）在管中的流量（单位时间内流过管内横截面的流体的体积）。假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中虚线），已知导电液体从左向右运动。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面并指向后面，当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接。I表示测得的电流值，已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得（　　）A．流量为B．流量为C．电流表的正极和电磁流量计的上极板相连D．电流表的正极接上极板还是接下极板由导电液的载流子的电性决定【答案】AC【详解】AB．导电流体稳定地流经流量计时有解得
根据电阻定律有，电磁流量计内导电流体的电阻总电阻，解得所以流量为，A正确，B错误；CD．根据左手定则可知，若载流子带正电，则向上表面偏，若载流子带负电，则向下表面偏，因此电流表的正极和电磁流量计的上极板相连，与载流子的电性无关，C正确，D错误。故选AC。11．安装在排污管道上的流量计可以测量排污流量Q，流量为单位时间内流过管道横截面的流体的体积，如图所示为流量计的示意图。左右两端开口的长方体绝缘管道的长、宽、高分别为a、b、c，所在空间有垂直于前后表面、磁感应强度大小为B的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N，污水充满管道从左向右匀速流动，测得M、N间电势差为U，污水流过管道时受到的阻力大小，k是比例系数，L为管道长度，v为污水的流速。则（　　）A．电压U与污水中离子浓度无关B．污水的流量C．金属板M的电势低于金属板N的电势D．左、右两侧管口的压强差【答案】AD【详解】AC．污水中的离子受到洛伦兹力，正离子向上极板聚集，负离子向下极板聚集，所以金属板M的电势大于金属板N的电势，从而在从而在管道内形成匀强电场，最终离子在电场力和洛伦兹力的作用下平衡，即解得可知电压U与污水中离子浓度无关，A正确，C错误；
B．污水的流量为，B错误；D．污水流过该装置受到的阻力为污水匀速通过该装置，则两侧的压力差等于阻力，即则，D正确。故选AD。12．单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做体积流量（以下简称流量）。有一种利用电磁原理测量非磁性导电液体（如自来水、啤酒等）流量的装置，称为电磁流量计。它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成。传感器的结构如图所示，圆筒形测量管内壁绝缘，其上装有一对电极和间的距离等于测量管的直径，测量管的轴线与的连线方向以及通电线圈产生的磁场方向三者相互垂直。当导电液体如图中所示的方向流过测量管时，测得管壁上两点间的电压为，并通过与电极连接的仪表显示出液体的流量。设磁场均匀恒定，磁感应强度为，（　　）A．若导电液体带负电，则点电势高B．若导电液体中同时有正负离子，则间无电压C．管中的导电液体流速为D．管中的导电液体流量为【答案】D
【详解】A．由图，液体从左向右通过磁场，若导电液体带负电，根据左手定则判断得知，负离子受洛伦兹力向c偏转，在c点带负电，电势低，故A错误；B．同理，若导电液体同时有正负离子，则正离子受洛伦兹力向a点偏转，负离子受洛伦兹力向c点偏转，ac间产生电压，故B错误；C．稳定后，离子流动时，受到电场力和洛伦兹力作用，处于受力平衡状态解得导电液体流速故C错误；D．由流量的定义，有故D正确；故选：D。五、霍尔元件13．智能手机中的电子指南针利用了重力传感器和霍尔元件来确定地磁场的方向。某个智能手机中固定着一个矩形薄片霍尔元件，四个电极分别为E、F、M、N，薄片厚度为h，在E、F间通入恒定电流I、同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，M、N间的电压为，已知半导体薄片中的载流子为正电荷，电流与磁场的方向如图所示。单位体积内正电荷的个数为n，若仅某一物理量变化时，下列图像可能正确的是（　　）A．  B．  C． D．【答案】B
【详解】设左右两个表面相距为d，稳定后正电荷所受的电场力等于洛仑兹力，即而，解得故B正确，ACD错误。故选B。14．自行车速度计可以利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，一块磁铁安装在前轮上，轮子每转一圈，磁铁就靠近传感器一次，传感器就会输出一个脉冲电压。如图乙所示，外接电源使通过霍尔元件电流I向左，当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现电势差U（前表面的电势低于后表面的电势）。下述正确的有（　　）A．根据车轮半径，脉冲周期，可算车速大小 B．图乙中霍尔元件中的自由电荷带正电C．若电流I变大，则霍尔电势差U变大 D．若自行车的车速越大，则霍尔电势差U越大【答案】AC【详解】A．根据单位时间内的脉冲数，可求得车轮转动周期，从而求得车轮的角速度，最后由线速度公式结合车轮半径，即可求解车轮的速度大小，故A正确；B．前表面的电势低于后表面的电势，根据左手定则，霍尔元件的电流I是由负电荷定向运动形成的，故B错误；D．根据由电流的微观定义式I=neSv，n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度，整理得联立解得可知用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，保持电流不变，霍尔电压U与车速大小无关，故D错误；
C．由公式若电流I变大，则霍尔电势差U将变大，故C正确。故选AC。15．笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件，当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，电脑进入休眠状态。休眠状态时、简化原理如图所示，宽为a、厚为b、长为c的矩形半导体霍尔元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，其载流子是电荷量为e的自由电子，当通入方向向右、大小为I的电流时，元件前、后表面间电压为U，则此时元件的（　　）A．前表面的电势比后表面的高 B．自由电子受到的洛伦兹力大小为C．前、后表面间的电压U与I无关 D．前、后表面间的电压U与b成反比【答案】AD【详解】A．当通入方向向右、大小为I的电流时，自由电子运动方向向左，根据左手定则，电子受到的洛伦兹力指向后表面，根据平衡条件，受到的电场力指向前表面，则前表面的电势比后表面的高，故A正确；B．元件前、后表面间电压为U时，洛伦兹力和电场力平衡，则有故B错误；CD．根据电流的微观表达式洛伦兹力和电场力平衡，则有解得故前、后表面间的电压U与I有关，U与b成反比，故C错误，D正确。故选AD。六、回旋加速器16．如图所示是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源两端相连。现分别加速质子（H）和氘核（H），下列说法中正确的是（  ）
A．它们的最大速度相同B．质子的最大动能大于氘核的最大动能C．加速质子和氘核所用高频电源的频率相同D．仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能【答案】BD【详解】A．设质子质量为m，电荷量为q，则氘核质量为2m，电荷量为q，它们的最大速度分别为；故A错误；B．质子的最大动能氘核的最大动能故B正确；C．高频电源的频率与粒子在磁场中的回旋频率相同，即；所以加速质子和氘核所用高频电源的频率不相同，故C错误；D．被加速的粒子的最大动能与高频电源的电压无关，所以仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能，故D正确。故选BD。17．如图甲所示是回旋加速器的主要部件示意图，如图乙所示是回旋加速器D形盒的俯视图，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时间忽略不计，已知垂直盒面的匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为r，高频电源的频率为f，最大电压为U，若A处的粒子源产生一个带电量为q、速率为零的粒子经过电场加速后进入磁场，能一直被回旋加速最后从D形盒出口飞出，下列说法正确的是（    ）
A．被加速的粒子的比荷为B．粒子从D形盒出口飞出时的速度为C．粒子在D形盒中加速的次数为D．当磁感应强度变为原来的0.5倍，同时改变频率f，该粒子从D形盒出口飞出时的动能为【答案】BC【详解】A．粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期为根据题意，粒子能够一直被回旋加速，故高频电源的周期等于粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期，即联立两式可得故A错误；B．当粒子从D形盒出口飞出时有故B正确；C．从粒子一开始加速到飞出D形盒，根据动能定理有解得加速次数为故C正确；D．当磁感应强度变为原来的0.5倍时，即由于粒子的比荷保持不变，故电源的频率变为当粒子从D形盒口飞出时，其动能为故D错误。故选BC。18．如图为一回旋加速器示意图，AA、之间为交变加速电场，电场为匀强电场，方向随时间周期性变化，静止释放的带电粒子在经过电场第5次加速后速度变为v5，此次加速在电场中的时间为t5，在上方的D形盒内的匀强磁场中经过半个周期的匀速圆周运动后第6次被电场加速后速度为v6，这次加速在电场中的时间为t6，则（　　）
A．v5∶v6=B．v5∶v6=(）：（）C．t5∶t6=D．t5∶t6=(）：（）【答案】AD【详解】AB．根据动能定理；可得v5∶v6=故A正确，B错误；CD．根据得经过电场第4次加速后速度①同理可得②③有④⑤联立①②③④⑤得t5∶t6=(）：（）故C错误，D正确。故选AD。