版高考物理教科版大一轮复习讲义第九章 专题强化十 带电粒子在复合场中运动的实例分析.docx

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版高考物理教科版大一轮复习讲义第九章专题强化十带电粒子在复合场中运动的实例分析

专题强化十　带电粒子在复合场中运动的实例分析

专题解读

1.本专题是磁场、力学、电场等知识的综合应用，高考往往以计算压轴题的形式出现．

2．学习本专题，可以培养同学们的审题能力、推理能力和规范表达能力．针对性的专题训练，可以提高同学们解决难题压轴题的信心．

3．用到的知识有：

动力学观点（牛顿运动定律）、运动学观点、能量观点（动能定理、能量守恒定律）、电场的观点（类平抛运动的规律）、磁场的观点（带电粒子在磁场中运动的规律）．

一、带电粒子在复合场中的运动

1．复合场与组合场

（1）复合场：

电场、磁场、重力场共存，或其中某两场共存．

（2）组合场：

电场与磁场各位于一定的区域内，并不重叠，或在同一区域，电场、磁场分时间段或分区域交替出现．

2．带电粒子在复合场中的运动分类

（1）静止或匀速直线运动

当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动．

（2）匀速圆周运动

当带电粒子所受的重力与电场力大小相等、方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动．

（3）较复杂的曲线运动

当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上时，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．

（4）分阶段运动

带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运动过程由几种不同的运动阶段组成．

二、电场与磁场的组合应用实例

装置

原理图

规律

质谱仪

带电粒子由静止被加速电场加速qU＝mv2，在磁场中做匀速圆周运动qvB＝m，则比荷＝

回旋加速器

交变电流的周期和带电粒子做圆周运动的周期相同，带电粒子在圆周运动过程中每次经过D形盒缝隙都会被加速．由qvB＝m得Ekm＝

三、电场与磁场的叠加应用实例

装置

原理图

规律

速度选择器

若qv0B＝Eq，即v0＝，带电粒子做匀速直线运动

电磁流量计

q＝qvB，所以v＝，所以流量Q＝vS＝π（）2＝

霍尔元件

当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差

命题点一　质谱仪的原理和分析

1．作用

测量带电粒子质量和分离同位素的仪器．

2．原理（如图1所示）

图1

（1）加速电场：

qU＝mv2；

（2）偏转磁场：

qvB＝，l＝2r；

由以上两式可得r＝，

m＝，＝.

例1

　一台质谱仪的工作原理如图2所示．大量的带电荷量为＋q、质量为2m的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度忽略不计，经加速后，通过宽为L的狭缝MN沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片上．图中虚线为经过狭缝左、右边界M、N时离子的运动轨迹．不考虑离子间的相互作用．

图2

（1）求离子打在底片上的位置到N点的最小距离x；

（2）在图中用斜线标出磁场中离子经过的区域，并求该区域最窄处的宽度d.

答案　

（1）－L

（2）见解析图　－

解析　

（1）设离子在磁场中的运动半径为r1，

在电场中加速时，有qU0＝×2mv2

在匀强磁场中，有qvB＝2m

解得r1＝

根据几何关系x＝2r1－L，

解得x＝－L.

（2）如图所示，最窄处位于过两虚线交点的垂线上

d＝r1－

解得d＝－

变式1

　（2016·全国卷Ⅰ·15）现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图3所示，其中加速电压恒定．质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场．若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍．此离子和质子的质量比约为（　　）

图3

A．11B．12C．121D．144

答案　D

解析　由qU＝mv2得带电粒子进入磁场的速度为v＝，结合带电粒子在磁场中运动的轨迹半径R＝，联立得到R＝，由题意可知，该离子与质子在磁场中具有相同的轨道半径和电荷量，故离子和质子的质量之比＝144，故选D.

命题点二　回旋加速器的原理和分析

1．构造：

如图4所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源．

图4

2．原理：

交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次．

3．粒子获得的最大动能：

由qvmB＝、Ekm＝mv得Ekm＝，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关．

4．粒子在磁场中运动的总时间：

粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n＝，粒子在磁场中运动的总时间t＝T＝·＝.

例2

　（2018·山东省泰安市上学期期末）回旋加速器的工作原理如图5所示，置于真空中的两个D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直.设两D形盒之间所加的交流电压为U，被加速的粒子质量为m、电荷量为q，粒子从D形盒一侧开始被加速（初动能可以忽略），经若干次加速后粒子从D形盒边缘射出．求：

图5

（1）粒子从静止开始第1次经过两D形盒间狭缝加速后的速度大小；

（2）粒子第一次进入D形盒磁场中做圆周运动的轨道半径；

（3）粒子至少经过多少次加速才能从回旋加速器D形盒射出．

答案　

（1）　

（2）　（3）

解析　

（1）粒子在电场中被加速，由动能定理qU＝mv

得：

v1＝

（2）带电粒子在磁场中做圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得，qv1B＝m

解得：

r1＝

代入数据得：

r1＝

（3）若粒子从回旋加速器D形盒射出，则粒子做圆周运动的轨道半径为R，设此时速度为vn

由洛伦兹力提供向心力得qvnB＝m，解得此时粒子的速度为vn＝

此时粒子的动能为Ek＝mv，代入数据得Ek＝

粒子每经过一次加速动能增加qU，设经过n次加速粒子射出，则nqU＝Ek，代入数据解得：

n＝.

变式2

　（2018·湖南省常德市期末检测）某种回旋加速器的设计方案如图6甲所示，图中粗黑线段为两个正对的极板，两个极板的板面中部各有一狭缝（沿OP方向的狭长区域），带电粒子可通过狭缝穿越极板（如图乙所示），当带电粒子每次进入两极板间时，板间电势差为U（下极板电势高于上极板电势），当粒子离开两极板后，极板间电势差为零；两细虚线间（除开两极板之间的区域）既无电场也无磁场；其他部分存在匀强磁场，磁感应强度方向垂直纸面．在离子源S中产生的质量为m、电荷量为q（q>0）的离子，由静止开始被电场加速，经狭缝中的O点进入磁场区域，O点到极板右端的距离为D，到出射孔P的距离为4D，已知磁感应强度大小可以调节，离子从离子源上方的O点射入磁场区域，最终只能从出射孔P射出，假设离子打到器壁或离子源外壁则即被吸收．忽略相对论效应，不计离子重力，求：

图6

（1）离子从出射孔P射出时磁感应强度的最小值；

（2）调节磁感应强度大小使B1＝，计算离子从P点射出时的动能．

答案　

（1）　

（2）64qU

解析　

（1）设离子从O点射入磁场时的速率为v，有qU＝mv2

设离子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径为r，qvB＝m

若离子从O点射出后只运动半个圆周即从孔P射出，有：

r＝2D

此时磁感应强度取得最小值，且最小值为Bmin＝；

（2）若B1＝，根据qvB＝m，解得r1＝

分析可知离子在磁场中运动半圈后将穿过上极板进入电场区域做减速运动，速度减到零后又重新反向加速至进入时的速率，从进入处再回到磁场区域，因为r1＝，这样的过程将进行2次．由几何关系可知，离子将在距P点的位置经电场加速进入磁场绕过两极板右端从下极板进入电场区域再次被加速，半径不断增大，但每次从下极板进入电场的位置相同，经过多次加速后离子从孔P射出时的半径满足rn＝，此时速度最大设为vm，根据qvmB1＝m，解得：

vm＝8

从P射出时的动能为Ek＝mv＝64qU.

命题点三　电场与磁场叠加的应用实例分析

共同特点：

当带电粒子（不计重力）在复合场中做匀速直线运动时，qvB＝qE.

1．速度选择器

图7

（1）平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直．（如图7）

（2）带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qvB＝qE，即v＝.

（3）速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量．

（4）速度选择器具有单向性．

例3

　如图8所示是一速度选择器，当粒子速度满足v0＝时，粒子沿图中虚线水平射出；若某一粒子以速度v射入该速度选择器后，运动轨迹为图中实线，则关于该粒子的说法正确的是（　　）

图8

A．粒子射入的速度一定是v>

B．粒子射入的速度可能是v<

C．粒子射出时的速度一定大于射入速度

D．粒子射出时的速度一定小于射入速度

答案　B

2．磁流体发电机

（1）原理：

如图9所示，等离子体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在A、B板上，产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能．

图9

（2）电源正、负极判断：

根据左手定则可判断出图中的B是发电机的正极．

（3）电源电动势U：

设A、B平行金属板的面积为S，两极板间的距离为l，磁场磁感应强度为B，等离子体的电阻率为ρ，喷入气体的速度为v，板外电阻为R.当正、负离子所受电场力和洛伦兹力平衡时，两极板间达到的最大电势差为U（即电源电动势），则q＝qvB，即U＝Blv.

（4）电源内阻：

r＝ρ.

（5）回路电流：

I＝.

例4

　（多选）如图10所示是磁流体发电机的示意图，两平行金属板P、Q之间有一个很强的磁场．一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）沿垂直于磁场的方向喷入磁场．把P、Q与电阻R相连接．下列说法正确的是（　　）

图10

A．Q板的电势高于P板的电势

B．R中有由a向b方向的电流

C．若只改变磁场强弱，R中电流保持不变

D．若只增大粒子入射速度，R中电流增大

答案　BD

解析　等离子体进入磁场，根据左手定则，正离子向上偏，打在上极板上，负离子向下偏，打在下极板上，所以上极板带正电，下极板带负电，则P板的电势高于Q板的电势，流过电阻R的电流方向由a到b，故A错误，B正确；依据电场力等于洛伦兹力，即为q＝qvB，则有U＝Bdv，再由闭合电路欧姆定律I＝＝，电流与磁感应强度成正比，故C错误；由上分析可知，若只增大粒子的入射速度，R中电流会增大，故D正确．

3．电磁流量计

（1）流量（Q）的定义：

单位时间流过导管某一截面的导电液体的体积．

（2）公式：

Q＝Sv；S为导管的横截面积，v是导电液体的流速．

（3）导电液体的流速（v）的计算

如图11所示，一圆柱形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向右流动．导电液体中的自由电荷（正、负离子）在洛伦兹力作用下发生偏转，使a、b间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差（U）达到最大，由q＝qvB，可得v＝.

图11

（4）流量的表达式：

Q＝Sv＝·＝.

（5）电势高低的判断：

根据左手定则可得φa>φb.

例5

　（2018·山东省淄博一中三模）为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图12所示的长方体流量计．该装置由绝缘材料制成，其长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口．在垂直于上下底面方向加一匀强磁场，前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极．污水充满管口从左向右流经该装置时，接在M、N两端间的电压表将显示两个电极间的电压U.若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是（　　）

图12

A．M端的电势比N端的高

B．电压表的示数U与a和b均成正比，与c无关

C．电压表的示数U与污水的流量Q成正比

D．若污水中正、负离子数相同，则电压表的示数为0

答案　C

解析　根据左手定则知，正离子所受的洛伦兹力方向向里，则向里偏转，N端带正电，M端带负电，则M端的电势比N端电势低，故A错误；最终离子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，有：

qvB＝q，解得U＝vBb，电压表的示数U与b成正比，与污水中正、负离子数无关，故B、D错误；因v＝，则流量Q＝vbc＝，因此U＝，所以电压表的示数U与污水流量Q成正比，故C正确．

4．霍尔效应的原理和分析

（1）定义：

高为h、宽为d的导体（自由电荷是电子或正电荷）置于匀强磁场B中，当电流通过导体时，在导体的上表面A和下表面A′之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压．

（2）电势高低的判断：

如图13，导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，若自由电荷是电子，则下表面A′的电势高．若自由电荷是正电荷，则下表面A′的电势低．

图13

（3）霍尔电压的计算：

导体中的自由电荷（电荷量为q）在洛伦兹力作用下偏转，A、A′间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，A、A′间的电势差（U）就保持稳定，由qvB＝q，I＝nqvS，S＝hd；联立得U＝＝k，k＝称为霍尔系数．

例6

　（多选）（2018·华南师大附中三模）利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域．如图14所示是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，当元件中通入图示方向的电流I时，C、D两侧面会形成一定的电势差U.下列说法中正确的是（　　）

图14

A．若C侧面电势高于D侧面，则元件中形成电流的载流子带负电

B．若C侧面电势高于D侧面，则元件中形成电流的载流子带正电

C．在地球南、北极上方测地磁场强弱时，元件工作面竖直放置时U最大

D．在地球赤道上方测地磁场强弱时，元件工作面竖直放置且与地球经线垂直时，U最大

答案　AD

解析　若元件的载流子带负电，由左手定则可知，载流子受到的洛伦兹力方向向D侧面偏，则C侧面的电势高于D侧面的电势，故A正确；若元件的载流子带正电，由左手定则可知，载流子受到的洛伦兹力方向向D侧面偏，则D侧面的电势高于C侧面的电势，故B错误；在测地球南、北极上方的地磁场强弱时，因磁场方向竖直，则元件的工作面保持水平时U最大，故C错误；地球赤道上方的地磁场方向水平，在测地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持竖直，当与地球经线垂直时U最大，故D正确．

1．在如图1所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直．一带电粒子（重力不计）从左端以速度v沿虚线射入后做直线运动，则该粒子（　　）

图1

A．一定带正电

B．速度v＝

C．若速度v＞，粒子一定不能从板间射出

D．若此粒子从右端沿虚线方向进入，仍做直线运动

答案　B

解析　粒子带正电和负电均可，选项A错误；由洛伦兹力等于电场力，可得qvB＝qE，解得速度v＝，选项B正确；若速度v＞，粒子可能从板间射出，选项C错误；若此粒子从右端沿虚线方向进入，所受电场力和洛伦兹力方向相同，不能做直线运动，选项D错误．

2.（多选）如图2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处射入一束正离子（不计重力），这些正离子都沿直线运动到右侧，从d孔射出后分成三束，则下列判断正确的是（　　）

图2

A．这三束正离子的速度一定不相同

B．这三束正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指向b

D．若这三束离子改为带负电而其他条件不变，则仍能从d孔射出

答案　BCD

解析　因为三束正离子在两极板间都是沿直线运动的，电场力等于洛伦兹力，可以判断三束正离子的速度一定相同，且电场方向一定由a指向b，A错误，C正确；在右侧磁场中三束正离子运动轨迹半径不同，可知这三束正离子的比荷一定不相同，B正确；若将这三束离子改为带负电，而其他条件不变的情况下分析受力可知，三束离子在两板间仍做匀速直线运动，仍能从d孔射出，D正确．

3．（2018·山东省济宁市模拟）为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图3所示．在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M、N与内阻为R的电流表相连．污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况．下列说法中错误的是（　　）

图3

A．M板比N板电势低

B．污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小

C．污水流量越大，则电流表的示数越大

D．若只增大所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大

答案　B

解析　污水从左向右流动时，根据左手定则，正、负离子在洛伦兹力作用下分别向N板和M板偏转，故N板带正电，M板带负电，A正确．稳定时带电离子在两板间受力平衡，可得qvB＝q，此时U＝Bbv，又因流速v＝＝，故U＝＝，式中Q是流量，可见当污水流量越大、磁感应强度越强时，M、N间的电压越大，电流表的示数越大，而与污水中离子浓度无关，B错误，C、D正确．

4．（多选）如图4是质谱仪的工作原理示意图．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B和E.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A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是（　　）

图4

A．质谱仪是分析同位素的重要工具

B．速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外

C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小

答案　ABC

解析　质谱仪是分析同位素的重要工具，A正确；带电粒子在速度选择器中沿直线运动时，所受电场力和洛伦兹力应等大反向，结合左手定则可知B正确；由qE＝qvB可得v＝，C正确；粒子在平板S下方的匀强磁场中做匀速圆周运动，由qvB0＝得R＝，所以＝，故粒子越靠近狭缝P，粒子的比荷越大，D错误．

5．（多选）（2018·甘肃省兰州市三诊）如图5所示为磁流体发电机的原理图，将一束等离子体（带有等量正、负离子的高速离子流）喷射入磁场，在磁场中有两块金属板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为v，两金属板间距离d，板的正对面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与速度方向垂直，负载电阻为R.当发电机稳定发电时电动势为E，电流为I，则下列说法正确的是（　　）

图5

A．A板为发电机的正极

B．其他条件一定时，v越大，发电机的电动势E越大

C．其他条件一定时，S越大，发电机的电动势E越大

D．板间等离子体的电阻率为（－R）

答案　BD

6．如图6所示为回旋加速器的示意图．两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，一质子从加速器的A处开始加速．已知D形盒的半径为R，磁场的磁感应强度为B，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q.下列说法错误的是（　　）

图6

A．质子的最大速度不超过2πRf

B．质子的最大动能为

C．质子的最大动能与电压U无关

D．只增大磁感应强度B，可减小质子的最大动能

答案　D

7．（多选）如图7所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成．若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点．不计粒子重力．下列说法正确的是（　　）

图7

A．极板M比极板N的电势高

B．加速电场的电压U＝ER

C．直径PQ＝2B

D．若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子具有相同的比荷

答案　AD

解析　粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转，说明粒子带正电荷，极板M比极板N的电势高，选项A正确；由Uq＝mv2和Eq＝可得U＝，选项B错误；在磁场中，由牛顿第二定律得qvB＝m，即r＝，直径PQ＝2r＝＝2，可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点，选项C错误，D正确．

8．一台质谱仪的工作原理图如图8所示，电荷量均为＋q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零．这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上．已知放置底片的区域MN＝L，且OM＝L.某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧区域QN仍能正常检测到离子．在适当调节加速电压后，原本打在MQ区域的离子即可在QN区域检测到．

图8

（1）求原本打在MN中点P点的离子质量m；

（2）为使原本打在P点的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围．

答案　

（1）　

（2）≤U≤

解析　

（1）离子在电场中加速时有qU0＝mv2，在磁场中做匀速圆周运动由洛伦兹力提供向心力得qvB＝m，解得r0＝，代入r0＝L，解得m＝.

（2）由

（1）知，U＝，离子打在Q点r＝L，U＝，离子打在N点r＝L，U＝，则电压的调节范围为≤U≤.

9．（2018·福建省龙岩市一模）环保部门为了监测某化肥厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图9所示的流量计．该装置的外形为一长方体，由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下表面加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧面固定有金属板作为电极，电阻率为ρ的污水从左向右匀速流经该装置时，接在两电极间的理想电压表显示两个电极间的电压为U，求：

图9

（1）该装置内电场场强的大小和方向；

（2）污水的流量Q（单位时间内排出的污水体积）；

（3）若从两个电极引出两条导线，导线间接一阻值为R的电阻时理想电压表的示数．

答案　

（1）　方向指向纸外（或由后侧面指向前侧面）　

（2）　（3）U

解析　

（1）根据匀强电场场强的公式得：

E＝，因为正、负离子在流动时，根据左手定则可知，正离子受洛伦兹力向后侧面偏转，负离子受洛伦兹力向前侧面偏转，故后侧面上带正电，前侧面上带负电，故后侧面电势比前侧面高，故场强的方向指向纸外或由后侧面指向前侧面

（2）最终正、负离子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，有：

Eq＝qvB

又Q＝vS＝vcb

联立解得：

Q＝

（3）根据电阻定律有：

r＝ρ

根据串联电路的特点有：

＝

联立得：

U1＝U