高考物理一輪復(fù)習 專題39 帶電粒子在復(fù)合場中的運動(測)(含解析)1
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專題39 帶電粒子在復(fù)合場中的運動(測)【滿分:110分 時間:90分鐘】一、選擇題(本大題共12小題,每小題5分,共60分。在每小題給出的四個選項中18題只有一項符合題目要求; 912題有多項符合題目要求。全部選對的得5分,選對但不全的得3分,有選錯的得0分。)1圖示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖,帶電粒子被加速電場加速后,進入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E,平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片,平板S下方有強度為的勻強磁場,下列表述錯誤的是: ( )A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向內(nèi)C能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,粒子的比荷越大【答案】B【名師點睛】質(zhì)譜儀工作原理應(yīng)采取分段分析的方法,即粒子加速階段,速度選擇階段,在磁場中運動階段。2關(guān)于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量,下列說法正確的是: ( )A與加速器的半徑有關(guān),半徑越小,能量越大B與加速器的磁場有關(guān),磁場越強,能量越大C與加速器的電場有關(guān),電場越強,能量越大D與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量越大,能量越大【答案】B【名師點睛】回旋加速器(1)構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓金屬盒,D形盒的縫隙處接交流電源D形盒處于勻強磁場中(2)原理:交流電的周期和粒子做圓周運動的周期相等,粒子在圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙,兩盒間的電勢差一次一次地反向,粒子就會被一次一次地加速由qvB,得Ekm,可見粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度和D形盒半徑?jīng)Q定,與加速電壓無關(guān)3如圖,某帶電粒子由靜止開始經(jīng)電壓為的電場加速后,射入水平放置、電勢差為的兩導(dǎo)體板間的勻強電場中,帶電粒子沿平行于兩板的方向從兩板正中間射入,穿過兩板后又垂直于磁感線方向射入邊界線豎直的勻強磁場中,則粒子進入磁場和射出磁場的M,N兩點間的距離d隨著和的變化情況為(不計重力,不考慮邊緣效應(yīng)): ( )Ad隨變化,d隨變化B d隨變化,d與無關(guān)Cd與無關(guān),d與無關(guān)Dd與無關(guān),d隨變化【答案】B【名師點睛】帶電粒子在磁場中的運動類題目關(guān)鍵在于確定圓心和半徑,然后由向心力公式即可確定半徑公式,由幾何關(guān)系即可求解。4在高能粒子研究中,往往要把一束含有大量質(zhì)子和粒子的混合粒子分離開,如圖初速度可忽略的質(zhì)子和粒子,經(jīng)電壓為U的電場加速后,進入分離區(qū),如果在分離區(qū)使用勻強電場或勻強磁場把粒子進行分離,所加磁場方向垂直紙面向里,所加電場方向豎直向下,則下列可行的方法是: ( )A電場和磁場都不可以B電場和磁場都可以C只能用電場D只能用磁場【答案】D【解析】在加速電場中,由動能定理得: ,若分離區(qū)加豎直向下的電場:設(shè)偏轉(zhuǎn)電場的寬度為L,則在電場中偏轉(zhuǎn)時有:沿電場方向,聯(lián)立得粒子在分離區(qū)偏轉(zhuǎn)距離,可知:加速電壓U相同,偏轉(zhuǎn)電場的E和L相同,y相同,所以不能將質(zhì)子和粒子進行分離;若分離區(qū)加垂直紙面向里的磁場:粒子進入偏轉(zhuǎn)磁場時,軌跡半徑,由于質(zhì)子和粒子的比荷不同,運動的半徑也不同,所以能將兩種粒子分離故ACB錯誤,D正確?!久麕燑c睛】解答本題的關(guān)鍵是知道偏轉(zhuǎn)電場和偏轉(zhuǎn)磁場區(qū)分粒子的原理,帶電粒子垂直進入勻強電場中將做類平拋運動,根據(jù)打到下接板的位置區(qū)分帶電粒子,而偏轉(zhuǎn)磁場是根據(jù)粒子在磁場中運動半徑不同區(qū)分的。5如圖所示為一種獲得高能粒子的裝置環(huán)形加速器,環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強磁場。質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動。A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當粒子飛經(jīng)A板時,A板電勢升高為U,B板電勢仍保持為零,粒子在兩極板間的電場中加速。每當粒子離開電場區(qū)域時,A板電勢又降為零,粒子在電場一次次加速下動能不斷增大,而在環(huán)形區(qū)域內(nèi)繞行半徑不變(設(shè)極板間距遠小于R)。下列關(guān)于環(huán)形加速器的說法中正確的是: ( )A環(huán)形區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度大小Bn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為B環(huán)形區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度大小Bn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為CA、B板之間的電壓可以始終保持不變D粒子每次繞行一圈所需的時間tn與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為【答案】B【名師點睛】此題考查帶電粒子在電場力作用下的運動問題,電場力做功從而獲得動能,掌握動能定理、牛頓第二定律與向心力公式的應(yīng)用,掌握粒子做勻速圓周運動的周期公式,及運用數(shù)學的通項式;此題不僅考查物理基本規(guī)律的運用,也考查數(shù)學計算能力6如圖所示,水平放置兩平行金屬極板間有一垂直于極板的勻強電場,板長為L,板間距離為d,在板右端L處有一豎直放置的光屏M。一帶電量為q、質(zhì)量為m的質(zhì)點從兩板中央平行于極板方向射入板間,最后垂直打在M屏上,則: ( )A質(zhì)點入射時的動能小于打到屏上時的動能B板間電場強度大小為mg/qC質(zhì)點在板間運動的加速度大小為g,方向豎直向上D質(zhì)點在板間運動的時間大于它從板的右端運動到光屏M的時間【答案】C【名師點睛】帶電粒子在復(fù)合場中運動問題的分析思路1正確的受力分析除重力、彈力和摩擦力外,要特別注意電場力和磁場力的分析2正確分析物體的運動狀態(tài)找出物體的速度、位置及其變化特點,分析運動過程如果出現(xiàn)臨界狀態(tài),要分析臨界條件帶電粒子在復(fù)合場中做什么運動,取決于帶電粒子的受力情況(1)當粒子在復(fù)合場內(nèi)所受合力為零時,做勻速直線運動(如速度選擇器)(2)當帶電粒子所受的重力與電場力等值反向,洛倫茲力提供向心力時,帶電粒子在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運動7如圖所示,一平行板電容器,右極板接電源正極,板長為2d,板間距離為d。一帶電量為q、質(zhì)量為m的負離子(重力不計)以速度貼近左極板沿極板方向射入,恰從右極板下邊緣射出。在右極板右側(cè)空間存在垂直紙面方向的勻強磁場(未標出)。要使該負離子在磁場中運動后,又恰能直接從右極板上邊緣進入電場,則: ( )A磁場方向垂直紙面向里B磁場方向垂直紙面向外,向里都有可能C磁感應(yīng)強度大小為D在磁場中運動時間為【答案】C【解析】粒子在電場中做類似平拋運動,離開電場后做勻速圓周運動,軌跡如圖【名師點睛】帶電粒子在組合場中的運動問題,首先要運用動力學方法分析清楚粒子的運動情況,再選擇合適方法處理對于勻變速曲線運動,常常運用運動的分解法,將其分解為兩個直線的合成,由牛頓第二定律和運動學公式結(jié)合求解;對于磁場中圓周運動,要正確畫出軌跡,由幾何知識求解半徑。8如圖所示,有一個半徑為R=10m的圓形區(qū)域,區(qū)域外有垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為,一個比荷為的帶正電粒子從中空區(qū)域與磁場交界面的P點以速度沿圓的半徑方向射入磁場(不計帶電粒子的重力),該粒子從P點進入磁場到第一次回到P點所需要的時間是: ( )A B C D【答案】A【解析】 設(shè)粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑為r,洛倫茲力提供向心力,有,可得,作軌跡如下圖所示:【名師點睛】帶電粒子在有圓形邊界的磁場作勻速圓周運動的問題,畫出軌跡,根據(jù)幾何知識分析臨界條件,求半徑和圓心角是常用的方法,同時結(jié)合對稱性的軌跡特點9下圖甲是回旋加速器的工作原理圖D1和D2是兩個中空的半圓金屬盒,它們之間有一定的電勢差,A處的粒子源產(chǎn)生的帶電粒子,在兩盒之間被電場加速兩半圓盒處于與盒面垂直的勻強磁場中,所以粒子在半圓盒中做勻速圓周運動若帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,不計帶電粒子在電場中的加速時間,不考慮由相對論效應(yīng)帶來的影響,下列判斷正確的是: ( )A在Ekt圖中應(yīng)該有tn1tntntn1B在Ekt圖中應(yīng)該有tn1tntntn1C在Ekt圖中應(yīng)該有En1EnEnEn1D在Ekt圖中應(yīng)該有En1En0的范圍內(nèi)存在著沿y軸正方向的勻強電場,在y0的范圍內(nèi)存在著垂直紙面的勻強磁場(方向未畫出)。現(xiàn)有一質(zhì)量為m,電荷量大小為-q(重力不計)的帶電粒子,以初速度v0(v0沿x軸正方向)從y軸上的a點出發(fā),運動一段時間后,恰好從x軸上的d點第一次進入磁場,然后從O點第次離開磁場。已知oa=L,od=2L,則: ( )A電場強度B電場強度C磁場方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強度的大小D磁場方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強度的大小【答案】BC【名師點睛】解決本題的關(guān)鍵掌握粒子在電場中做類平拋運動的方法,抓住等時性,結(jié)合運動學公式進行求解,以及掌握確定粒子磁場中做圓周運動的圓心、半徑、圓心角的方法12如下圖所示,兩平行金屬板間接有如下左圖所示的隨時間t變化的電壓U,上極板電勢較高,板長L=040m,板間距離d=020m,在金屬板右側(cè)有一個邊界為MN的勻強磁場,磁感應(yīng)強度B50l0-3T,方向垂直于紙面向里。現(xiàn)有帶電粒子以速度v010l05m/s沿兩板中線OO/方向平行于金屬板射入電場,磁場邊界MN與中線OO/垂直。已知帶正電粒子的比荷,粒子的重力忽略不計,在每個粒子通過電場區(qū)的極短時間內(nèi),板間的電場強度可以看作恒定不變的。則下列說法正確的是: ( )A粒子在U=30V時粒子能離開電場進入磁場;B在t=0時粒子能離開電場,進入磁場,射入磁場點與離開磁場點間的距離為04mC在U=20V時粒子射入磁場點與離開磁場點間的距離大于04mD在U=25V時粒子在磁場中運動的時間最長【答案】BD代入數(shù)據(jù)解得:s=04m,即在任意時刻進入磁場的粒子飛出的位置與進入磁場的位置之間的距離為定值,選項C錯誤;因所有粒子在磁場中運動的周期相同,在U=25V時粒子從極板邊緣飛出電場,然后進入磁場時速度與MN的夾角最小,在磁場中運動時的角度最大,時間最長,選項D正確;故選BD【名師點睛】帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動解題一般程序是:1、畫軌跡:確定圓心,幾何方法求半徑并畫出軌跡2、找聯(lián)系:軌跡半徑與磁感應(yīng)強度、速度聯(lián)系;偏轉(zhuǎn)角度與運動時間相聯(lián)系,時間與周期聯(lián)系3、用規(guī)律:牛頓第二定律和圓周運動的規(guī)律。二、非選擇題(本大題共4小題,第13、14題每題10分;第15、16題每題15分;共50分)13(10分)如圖所示,長L0125 m、質(zhì)量M30g的絕緣薄板置于傾角為=37的斜面PM底端P, PN是垂直于PM的擋板,斜面與薄板間的動摩擦因數(shù)008 質(zhì)量m10g、帶電荷量q2510-3C可視為質(zhì)點的小物塊放在薄板的最上端,薄板和物塊間的動摩擦因數(shù)05,所在空間加有一個方向垂直于斜面向下的勻強電場E現(xiàn)對薄板施加一平行于斜面向上的拉力F0726N,當物塊即將離開薄板時,立即將電場E方向改為豎直向上,同時增加一個垂直紙面向外B=60T足夠大的勻強磁場,并撤去外力F,此時小物塊剛好做勻速圓周運動 設(shè)最大靜摩擦力與滑動摩擦力相同,不考慮因空間電、磁場的改變而帶來的其它影響,斜面和擋板PN均足夠長取g10 m/s2,sin37=06求:(1)物塊脫離薄板時所經(jīng)歷的時間;(2)物塊擊中擋板PN時,物塊離P點的距離【答案】(1)05s(2)187m (2) v1=a1t=15m/s S2=S1+L=05m,加磁場時物塊距擋板PN距離為05m 在磁場中,由解得r=10m 由幾何關(guān)系可得離P點的距離:【名師點睛】此題是帶電粒子在勻強電場及磁場中的運動問題;關(guān)鍵是分析粒子的受力情況和運動情況,根據(jù)運動性質(zhì)選擇合適的物理規(guī)律,并畫出規(guī)范的運動草圖,借助幾何關(guān)系求解;此題難度中等,考查學生的綜合分析能力14(10分)如圖所示,半徑為R的圓形區(qū)域,c為圓心,在圓上a點有一粒子源以相同的速率向圓面內(nèi)各個方向發(fā)射多個質(zhì)量為m、電荷量為的帶電粒子。當圓形區(qū)域存在垂直于圓面、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場時,沿ac方向射入的粒子從b點離開場區(qū),此過程粒子速度方向偏轉(zhuǎn)了。若只將圓形區(qū)域內(nèi)的磁場換成平行與圓面的勻強電場,粒子從電場圓邊界的不同位置射出時有不同的動能,其最大動能是初動能的4倍,經(jīng)過b點的粒子在b點的動能是初動能的3倍。不計粒子重力及粒子間的相互作用。求:(1)粒子源發(fā)射粒子的速率及從b點離開磁場的粒子在磁場中運動的最長時間;(2)電場強度的方向及大小?!敬鸢浮浚?),(2)【解析】(1)粒子在磁場中作勻速圓周運動,設(shè)軌跡圓半徑為,作出以ab為弦的兩段圓弧如圖2所示:分別為兩圓圓心,由從b點射出的粒子速度偏轉(zhuǎn)角知:對以為圓心的圓有:圓周角,由幾何知識可知:弦切角,為等邊三角形,可得ab長度從可得:由圓周運動的規(guī)律有:由式可得:粒子在磁場中運動時間最長時的軌跡是以為圓心的圓弧,在菱形中有:粒子的偏轉(zhuǎn)角由圓周運動的規(guī)律有:解得:【名師點睛】本題主要考查了帶電粒子在混合場中運動的問題,要求同學們能正確分析粒子的受力情況,再通過受力情況分析粒子的運動情況,畫出運動軌跡圖,熟練掌握圓周運動及平拋運動的基本公式,難度較大15(15分)如圖,在平面直角坐標系xOy內(nèi),第一、四象限有與y軸相切于O點、圓心為O1、半徑一定的有界圓形區(qū)域,其內(nèi)存在垂直于紙面勻強磁場,第二、三象限有平行y軸的勻強電場。一帶電粒子(重力不計)自P(- d,) 點以平行于x軸的初速度v0開始運動,粒子從O點離開電場,經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后又從y軸上的Q點(圖中未畫出)垂直于y軸回到電場區(qū)域,并恰能返回到P點。求:(1)粒子經(jīng)過O點時的速度;(2)電場強度E和磁感應(yīng)強度B的比值?!敬鸢浮浚?)2v0(2)(2)設(shè)粒子質(zhì)量為m,電荷量為q,粒子在電場中運動的加速度為a:Eq=ma粒子從Q到P的過程中,也做類平拋運動,設(shè)時間為t2,Q點的縱坐標為yQd=vt2解得:【名師點睛】此題是帶電粒子在電場及磁場中的運動問題;關(guān)鍵是搞清粒子的運動情況,畫出粒子運動的軌跡圖,結(jié)合平拋運動及勻速圓周運動的規(guī)律,并利用幾何關(guān)系進行求解;此題難度中等,考查學生運用基礎(chǔ)知識解決問題的能力。16(15分)如圖甲所示,平行正對金屬板M、N接在直流電源上,極板長度為l、板間距離為d;極板右側(cè)空間中存在方向垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度隨時間的變化規(guī)律如圖乙所示,。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶負電粒子以初速度v0沿板間的中心線射入電場,t=0時刻進入磁場時,速度方向與v0的夾角,以板間中心線為x軸,極板右邊緣為y軸。不考慮極板正對部分之外的電場,粒子重力不計。求:(1)M、N間的電壓;(2)t=t0時刻粒子的速度方向;(3)t=4t0時刻粒子的位置坐標?!敬鸢浮浚?)(2)粒子的速度沿軸負方向(3);【解析】(1)粒子在電場中運動的過程中,沿極板方向和垂直于磁場方向分別做勻速運動和勻加速直線運動整理得(3)粒子進入磁場時,速度和位置在時間內(nèi),做圓周運動的半徑,根據(jù)牛頓第二定律在時間內(nèi)時刻,粒子的速度方向與時刻相同,根據(jù)運動的周期性,粒子的運動軌跡示意如圖【名師點睛】此題是帶電粒子在電場及磁場中的運動問題;解題時首先要搞清粒子的運動性質(zhì),根據(jù)平拋運動及勻速圓周運動的規(guī)律進行分析解答,畫出粒子運動的軌跡圖,借助于幾何關(guān)系分析解答- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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