2023年高考物理精品讲练系列学案电场与磁场在实际中的应用doc高中物理.docx

2023高考物理精品讲练系列学案：电场与磁场在实际中的应用 要点一 速度选择器 即学即用 1.如下列图,一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和 匀强电场正交的区域里,结果发现有些离子保持原来的运动方向,有些未发生任何偏转.如果让这些不偏转的离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分裂成几束,对这些进入另一磁场的离子,可得出结论 （ ） A.它们的动能一定各不相同 B.它们的电荷量一定各不相同 C.它们的质量一定各不相同 D.它们的电荷量与质量之比一定各不相同 答案 D 要点二 质谱仪 即学即用 2.质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要仪器,它的构造如下列图.设从离子源S产生出来的正离子初速度为零,经过加速电场加速后,进入一平行板电容器C中,电场强度为E的电场和磁感应强度为B1的磁场相互垂直,具有某一速度的离子将沿图中所示的直线穿过两板间的空间而不发生偏转,再进入磁感应强度为B2的匀强磁场,最后打在记录它的照相底片上的P点.假设测得P点到入口处S1的距离为s,证明离子的质量为m=. 答案 离子被加速后进入平行板电容器,受到的水平的电场力和洛伦兹力平衡才能够竖直向上进入上面的匀强磁 场,由qvB1=qE得v=E/B1,在匀强磁场中,将v代入,可得m=. 要点三 盘旋加速器 即学即用 3.盘旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器,其核心局部是两个D形金属盒,两盒分别和一高频交流电源两极相接,以便在盒间的窄缝中形成匀强电场,使粒子每次穿过狭缝都得到加速,两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面,离子源置于盒的圆心附近.假设离子源射出的离子电荷量为q,质量为m,粒子最大回转半径Rm,其运动轨迹如下列图. 求:（1）两个D形盒内有无电场 （2）离子在D形盒内做何种运动 （3）所加交流电频率是多大 （4）离子离开加速器的速度为多大最大动能为多少 答案 （1）无电场 （2）做匀速圆周运动,每次加速之后半径变大 （3） （4） 要点四 霍尔效应 即学即用 4.如下列图,厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应.实验说明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=k.式中的比例系数k称为霍尔系数.霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场.横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力.当静电力与洛伦兹力到达平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差.设电流I是由电子的定向流动形成的,电子的平均定向速度为v,电荷量为e,答复以下问题: （1）到达稳定状态时,导体板上侧面A的电势 下侧面A′的电势（填“高于〞“低于〞或“等于〞）; （2）电子所受的洛伦兹力的大小为 ; （3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为 ; （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数为k=,其中n代表导体板单位体积中电子的个数. 答案 （1）低于 （2）evB （3）e （4）由F=F电得evB=e  U=hvB 导体中通过的电流I=nev·d·h 由U=k得hvB=k=k 得k= 题型1 带电粒子在组合场中运动 【例1】如下列图,在y>0的空间中存在匀强电场,场强沿y轴负方向;在y<0的空间中,存在匀强磁场,磁场方向垂直xy平面（纸面）向外.一电荷量为q、质量为m的带正电的运动粒子,经过y轴上y=h处的点P1时速率为v0,方向沿x轴正方向,经过x轴上x=2h处的P2点进入磁场,并经过y轴上y=-2h处的P3点.不计重力.求: （1）电场强度的大小. （2）粒子到达P2时速度的大小和方向. （3）磁感应强度的大小. 答案 （1） （2）,与x轴成45°角 （3） 题型2 带电粒子在重叠场中运动 【例2】如下列图,在足够大的空间范围内,同时存在着竖直向上的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B=1.57 T.小球1带正电,其电荷量与质量之比=4 C/kg,所受重力与电场力的大小相等;小球2不带电,静止放置于固定的水平悬空支架上.小球1向右以v0=23.59 m/s的水平速度与小球2正碰,碰后经过0.75 s再次相碰.设碰撞前后两小球带电情况不发生改变,且始终保持在同一竖直平面内.（取g=10 m/s2） （1）电场强度E的大小是多少 （2）两小球的质量之比是多少 答案 （1）2.5 N/C （2）11 题型3 科技物理 【例3】飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析.如下列图,在真空状态下,脉冲阀P喷出微量气体,经激光照射产生不同价位的正离子,自a板小孔进入a、b间的加速电场,从b板小孔射出,沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区,到达探测器.元电荷电荷量为e,a、b板间距为d,极板M、N的长度和间距均为L.不计离子重力及进入a板时的初速度. （1）当a、b间的电压为U1时,在M、N间加上适当的电压U2,使离子到达探测器.请导出离子的全部飞行时间与荷质比k（k=）的关系式. （2）去掉偏转电压U2,在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度为B,假设进入a、b间的所有离子质 量均为m,要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出,a、b间的加速电压U1至少为多少？ 答案 （1） 1.电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）.为了简化,假设流量计是如下列图的横截面为长方形的一段管道,其中空局部的长、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）.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.当导电流体稳定地流经流量计时,在管外将流量计上、下两外表分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接,I表示测得电流值.流体的电阻率为ρ,不计电流表的内阻,那么可求得流量为 （ ） A. B. C. D. 答案 A 2.目前世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机,它可以把气体的内能直 接转化为电能.如下列图为它的发电原理图.将一束等离子体（即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的微粒,从整体上来说呈电中性）喷射入磁感应强度为B的匀强磁场,磁场中有两块面积为S,相距为d的平行金属板与外电阻R相连构成一电路.设气流的速度为v,气体的电导率（电阻率的倒数）为g,那么流过外电阻R的电流强度I及电流方向为 （ ） A.I=,A→R→B B.I=,B→R→A C.I=,B→R→A D.I=,A→R→B 答案 D 3.如下列图,盘旋加速器D形盒的半径为R,用来加速质量为m、电荷量为q的质子,使质子由静止加速到能量为E后, 由A孔射出,求: （1）加速器中匀强磁场B的方向和大小. （2）设两D形盒间距为d,其间电压为U,电场视为匀强电场,质子每次经电场加速后能量增加,加速到上述能量所需 盘旋周数. （3）加速到上述能量所需时间. 答案 （1） 方向垂直纸面向里 （2） 4.（2023·平朔质检）如下列图是用来测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图,设法使某有机化合物的气态分子导入图示容器A中,使它受到电子束轰击,失去一个电子变成正一价的离子.离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场中（初速度不计）,加速后再经过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直于磁场区的界面PQ.最后,离子打到感光片上,形成垂直于纸面且平行于狭缝S3的细线,假设测得细线到狭缝S3的距离为d.导出离子质量m的表达式. 答案 m= 1.在真空中,匀强电场方向竖直向下,匀强磁场方向垂直纸面向里.三个油滴带有等量同种电荷,其中a静止,b向右匀速运动,c向左匀速运动,那么它们的重力Ga、Gb、Gc的关系为 （ ） A.Ga最大 B.Gb最大 C.Gc最大 D.不能确定 答案 C 2.如下列图,真空中一光滑水平面上,有两个直径相同的金属小球A、C,质量mA=0.01 kg,mC= 0.005 kg.静止在磁感应强度B=0.5 T的匀强磁场中的C球带正电,电荷量qC=1.0×10-2 C,在磁场外的不带电的A球以v0=20 m/s的速度进入磁场中与C球发生正碰后,C球对水平面的压力恰好为零,那么碰后A球的速度为 （ ） A.20 m/s B.10 m/s C.5 m/s D.15 m/s 答案 B 3.（2023·涿州模拟）如下列图,一粒子先后通过竖直方向的匀强电场区和竖直方向的匀强磁场区,最后粒子打在右侧屏上第二象限上的某点.那么以下说法中正确的选项是 （ ） A.假设粒子带正电,那么E向上,B向上 B.假设粒子带正电,那么E向上,B向下 C.假设粒子带负电,那么E向下,B向下 D.假设粒子带负电,那么E向下,B向上 答案 AC 4.如下列图,质量为m、电荷量为q的微粒,在竖直向下的匀强电场、水平指向纸内的匀强磁 场以及重力的共同作用下做匀速圆周运动,以下说法中正确的选项是 （ ） A.该微粒带负电,电荷量q= B.假设该微粒在运动中突然分成荷质比相同的两个粒子,分裂后只要速度不为零且速度方向仍与磁场方向垂直,它们均做匀速圆周运动 C.如果分裂后,它们的荷质比相同,而速率不同,那么它们运动的轨道半径一定不同 D.只要一分裂,不管它们的荷质比方何,它们都不可能再做匀速圆周运动 答案 ABC 5.目前,世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机.如图表示了它的原理:将一束等离子体喷射入磁场,在场中有两块金属板A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压.如果射入的等离子体速度均为v,两金属板的板长为L,板间距离为d,板平面的面积为S,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于速度方向,负载电阻为R,电离气体充满两板间的空间.当发电机稳定发电时,电流表示数为I.那么板间电离气体的电阻率为 （ ） A. B. C. D. 答案 A 6.一个带正电的滑环套在水平且足够长的粗糙的绝缘杆上,整个装置处于方向如下列图的匀强磁场中,现给滑环一个水平向右的瞬时作用力,使其由静止开始运动,那么滑环在杆上运动情况不可能的是 （ ） A.始终做匀速运动 B.始终做减速运动,最后静止于杆上 C.先做加速运动,最后做匀速运动 D.先做减速运动,最后做匀速运动 答案 C 7.设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场,如下列图,一离子在静电力和洛伦兹力的作用下,从静止开始自A点沿曲线ACB运动,到达B点时速度为零,C点是运动的最低点,忽略重力,下述说法中错误的选项是 （ ） A.该离子必带正电荷 B.A点和B点位于同一高度 C.离子在C点时速度最大 D.离子到达B点后,将沿原曲线返回A点 答案 D 8.如下列图,空间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场的方向竖直向下,磁场的方向垂直纸面向里,一带电油滴P恰好处于静止状态,那么以下说法正确的选项是 （ ） A.假设撤去电场,P可能