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1、2022年高二物理上學(xué)期 洛倫茲力實際應(yīng)用練習(xí)
一 速度選擇器
1.如圖所示,一束質(zhì)量、速度和電荷量不同的正離子垂直地射入勻強(qiáng)磁場和 勻強(qiáng)電場正交的區(qū)域里,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些離子保持原來的運(yùn)動方向,有些未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn).如果讓這些不偏轉(zhuǎn)的離子進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場中,發(fā)現(xiàn)這些離子又分裂成幾束,對這些進(jìn)入另一磁場的離子,可得出結(jié)論 ( )
A.它們的動能一定各不相同 B.它們的電荷量一定各不相同
C.它們的質(zhì)量一定各不相同 D.它們的電荷量與質(zhì)量之比一定各不相同
答案 D
二 質(zhì)譜儀
2.質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要儀器,它的構(gòu)造如圖所示.
2、設(shè)從離子源S產(chǎn)生出來的正離子初速度為零,經(jīng)過加速電場加速后,進(jìn)入一平行板電容器C中,電場強(qiáng)度為E的電場和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1的磁場相互垂直,具有某一速度的離子將沿圖中所示的直線穿過兩板間的空間而不發(fā)生偏轉(zhuǎn),再進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場,最后打在記錄它的照相底片上的P點(diǎn).若測得P點(diǎn)到入口處S1的距離為s,證明離子的質(zhì)量為m=.
答案 離子被加速后進(jìn)入平行板電容器,受到的水平的電場力和洛倫茲力平衡才能夠豎直向上進(jìn)入上面的勻強(qiáng)磁場,由qvB1=qE得v=E/B1,在勻強(qiáng)磁場中,將v代入,可得m=.
三 回旋加速器
3.回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它們獲得很大動能的儀器,其核心部分是兩
3、個D形金屬盒,兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接,以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場,使粒子每次穿過狹縫都得到加速,兩盒放在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于盒底面,離子源置于盒的圓心附近.若離子源射出的離子電荷量為q,質(zhì)量為m,粒子最大回轉(zhuǎn)半徑Rm,其運(yùn)動軌跡如圖所示.
求:(1)兩個D形盒內(nèi)有無電場?
(2)離子在D形盒內(nèi)做何種運(yùn)動?
(3)所加交流電頻率是多大?
(4)離子離開加速器的速度為多大?最大動能為多少?
答案 (1)無電場(2)做勻速圓周運(yùn)動,每次加速之后半徑變大
(3) (4)
四 霍爾效應(yīng)
4.如圖所示,厚度為h、寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻
4、強(qiáng)磁場中,當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時,在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).實驗表明,當(dāng)磁場不太強(qiáng)時,電勢差U、電流I和B的關(guān)系為U=k.式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù).霍爾效應(yīng)可解釋如下:外部磁場的洛倫茲力使運(yùn)動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè),在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷,從而形成橫向電場.橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力.當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時,導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差.設(shè)電流I是由電子的定向流動形成的,電子的平均定向速度為v,電荷量為e,回答下列問題:
(1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢 下側(cè)面A′
5、的電勢(填“高于”“低于”或“等于”);
(2)電子所受的洛倫茲力的大小為 ;
(3)當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間的電勢差為U時,電子所受靜電力的大小為 ;
(4)由靜電力和洛倫茲力平衡的條件,證明霍爾系數(shù)為k=,其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子個數(shù).
答案 (1)低于 (2)evB (3)e
(4)由F=F電得evB=e? U=hvB 導(dǎo)體中通過的電流I=nev·d·h
由U=k得hvB=k=k 得k=
五:磁流體發(fā)電機(jī)
5.目前世界上正在研究一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),它可以把氣體的內(nèi)能直 接轉(zhuǎn)化為電
6、能.如圖所示為它的發(fā)電原理圖.將一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量帶正電和負(fù)電的微粒,從整體上來說呈電中性)噴射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,磁場中有兩塊面積為S,相距為d的平行金屬板與外電阻R相連構(gòu)成一電路.設(shè)氣流的速度為v,氣體的電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))為g,則流過外電阻R的電流強(qiáng)度I及電流方向為 ( )
A.I=,A→R→B B.I=,B→R→A
C.I=,B→R→A D.I=,A→R→B
答案 D
六:電磁流量計
6.電磁流量計廣泛應(yīng)用于測量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(在單位時間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積).為了簡化,假設(shè)流量
7、計是如圖所示的橫截面為長方形的一段管道,其中空部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c.流量計的兩端與輸送流體的管道相連接(圖中虛線).圖中流量計的上下兩面是金屬材料,前后兩面是絕緣材料.現(xiàn)于流量計所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于前后兩面.當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計時,在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接,I表示測得電流值.已知流體的電阻率為ρ,不計電流表的內(nèi)阻,則可求得流量為 ( )
A. B. C. D.
答案 A
練習(xí):
電磁場在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用
1.電磁流量計廣泛應(yīng)用于測量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(
8、在單位時間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積)。為了簡化,假設(shè)流量計是如圖7所示的橫截面為長方形的一段管道,其中空部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c,流量計的兩端與輸送液體的管道相連接(圖中虛線)。圖中流量計的上下兩面是金屬材料,前后兩面是絕緣材料,現(xiàn)于流量計所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于前后兩面。當(dāng)導(dǎo)電液體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計時,在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接,I表示測得的電流值。已知流體的電阻率為ρ,不計電流表的內(nèi)阻,則可求得流量為
A. B.
C. D.
2.圖8是電容式話筒的示意圖,它是利用電容制作的傳感器,話
9、筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層,膜后距膜幾十微米處有一金屬板,振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極,在兩極間加一電圖8
壓U ,人對著話筒說話時,振動膜前后振動,使電容發(fā)生變化,導(dǎo)致話筒所在的電路中的其它量發(fā)生變化,使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號,其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器兩板間的( )
A.距離變化 B.正對面積變化
C.介質(zhì)變化 D.電壓變化
3.如圖9所示是一種延時開關(guān),當(dāng)S1閉合時,電磁鐵F將銜鐵D吸下,C線路接通。當(dāng)S1斷開時,由于電磁感應(yīng)作用,D將延遲一段時間才被釋放。則
A.由于A線圈的電磁感應(yīng)作用,才產(chǎn)生延時
10、釋放D的作用
B.由于B線圈的電磁感應(yīng)作用,才產(chǎn)生延時釋放D的作用
C.如果斷開B線圈的電鍵S2,無延時作用
D.如果斷開B線圈的電鍵S2,延時將變長
4.電視機(jī)顯象管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖如圖10所示,它由繞在磁環(huán)上的兩個相同的線圈串聯(lián)而成,線圈中通有方向如圖所示的電流。則由里向外射出的電子流將向哪個方向偏轉(zhuǎn)?
A.向上偏轉(zhuǎn) B.向下偏轉(zhuǎn) C.向左偏轉(zhuǎn) D.向右偏轉(zhuǎn)
5.如圖11所示為靜電除塵器的原理示意圖,它是由金屬管A和懸在管中的金屬絲B組成,A接高壓電源的正極,B接負(fù)極,A、B間有很強(qiáng)的非勻強(qiáng)電場,距B越近處場強(qiáng)越大。燃燒不充分帶有
11、很多煤粉的煙氣從下面入口C進(jìn)入。經(jīng)過靜電除塵后從上面的出口D排除,下面關(guān)于靜電除塵器工作原理的說法中正確的是
A.煙氣上升時,煤粉接觸負(fù)極B而帶負(fù)電,帶負(fù)電的煤粉吸附到正極A上,在重力作用下,最后從下邊漏斗落下。
B.負(fù)極B附近空氣分子被電離,電子向正極運(yùn)動過程中,遇到煤粉使其帶負(fù)電,帶負(fù)電的煤粉吸附到正極A上,在重力作用下,最后從下邊漏斗落下。
C.煙氣上升時,煤粉在負(fù)極B附近被靜電感應(yīng),使靠近正極的一端帶負(fù)電,它受電場引力較大,被吸附到正極A上,在重力作用下,最后從下邊漏斗落下。
D.以上三種說法都不正確。
6.如圖12所示,有的計算機(jī)鍵盤的每一個鍵
12、下面都連一小金屬塊,與該金屬片隔有一定空氣隙的是另一塊小的固定金屬片,這兩塊金屬片組成一個小電容器。該電容器的電容C可用公式計算,式中常量F/m,S表示金屬片的正對面積,d表示兩金屬片間的距離。當(dāng)鍵被按下時,此小電容器的電容發(fā)生變化,與之相連的電子線路就能檢測到是哪個鍵被按下了,從而給出相應(yīng)的信號。設(shè)每個金屬片的正對面積為50mm2 ,鍵未按下時兩金屬片的距離為0.6mm。如果電容變化了0.25pF,電子線路恰能檢測出必要的信號,則鍵至少要被按下 mm。
7.(xx年全國理綜卷)電視機(jī)的顯像管中,電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)的。電子束經(jīng)過電壓為U的加速電場后,進(jìn)入一圓
13、形勻強(qiáng)磁場區(qū)域,如圖14所示。磁場方向垂直于圓面。磁場區(qū)中心為O,半徑為r。當(dāng)不加磁場時,電子束將通過O點(diǎn)而打到屏幕的中心M點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕邊緣P點(diǎn),需要加一勻強(qiáng)磁場,使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度,此時磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)為多少?
圖 16
8.如圖16所示為一種獲得高能粒子的裝置,環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外、大小可調(diào)節(jié)的均勻磁場,質(zhì)量為m,電量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運(yùn)動。A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當(dāng)粒子飛經(jīng)A板時,A板電勢升高為+U,B板電勢仍保持為零,粒子在兩極間電場中加速,每當(dāng)粒子離開B板時,A板電勢又降為零,粒子在電場一次次加速下
14、動能不斷增大,而繞行半徑不變。
⑴設(shè)t=0時,粒子靜止在A板小孔處,在電場作用下加速,并繞行第一圈。求粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能En。
⑵為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運(yùn)動,磁場必須周期性遞增。求粒子繞行第n圈時的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。
⑶求粒子繞行n圈所需的總時間tn(設(shè)極板間距遠(yuǎn)小于R)。
⑷在粒子繞行的整個過程中,A板電勢是否可始終保持為+U?為什么?
10.美國航天飛機(jī)“阿特蘭蒂斯”號上進(jìn)行過一項衛(wèi)星懸繩發(fā)電實驗。航天飛機(jī)在赤道上空圓形軌道上由西向東飛行,速度為7.5km/s。地磁場在航天飛機(jī)軌道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.50×10-4T,從航天飛機(jī)上發(fā)射出的一
15、顆衛(wèi)星,攜帶一根與航天飛機(jī)相連的場L=20km的金屬懸繩,航天飛機(jī)和衛(wèi)星間的這條懸繩方向沿地球徑向并指向地心,懸繩電阻約r=800Ω,由絕緣層包裹。結(jié)果在繩上產(chǎn)生的電流強(qiáng)度約I=3A。
(1)估算航天飛機(jī)運(yùn)行軌道的半徑。取地球半徑為6400km,第一宇宙速度為7.9km/h。
(2)這根金屬繩能產(chǎn)生多大的感應(yīng)電動勢?計算時認(rèn)為金屬繩是剛性的,并比較繩的兩端,即航天飛機(jī)端與衛(wèi)星端電勢哪端高?
(3)試分析繩上的電流是通過什么樣的回路形成的?
(4)金屬繩輸出的電功率多大?
參考答案:
1.A
2.A 解析:電容式話筒中振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器相當(dāng)于一個平行板
16、電容器。當(dāng)人對著話筒說話時,振動膜前后振動,使兩極板間的距離發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電容器的電容發(fā)生變化.所以選(A).
3.BC 4.A 5.B 6.0.15
7.電子在磁場中沿圓弧ab運(yùn)動,圓心為C,半徑為R。以v表示電子進(jìn)入磁場時的速度,m、e分別表示電子的質(zhì)量和電量,則 ① ②
又有 ③
由以上各式解得 ④
8.(1)設(shè)經(jīng)n圈回到A板時被加速n次,由動能定理得,nqU=En-0,得En= nqU
(2)經(jīng)n次加速后,速度為vn,由動能定理得,nqU=,
在繞行第n圈時,由
解得
(3)繞行第n圈時間
(4)不可能。
9.(1)U=10 000V(2)v=5.5m/s
10.(1)7.1×103km (2)7500V 航天飛機(jī)上電勢高
(3)懸繩相當(dāng)于電源,周圍稀薄氣體電離產(chǎn)生的離子導(dǎo)電構(gòu)成回路(4)