2020高考物理總復(fù)習(xí) 易錯(cuò)題與高考綜合問題解讀 考點(diǎn) 10 磁場 命題角度6
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1、 磁場命題角度6 磁場的相關(guān)知識(shí)在生活、科技等實(shí)際問題中的廣泛應(yīng)用 1. 有人設(shè)想用圖10-22所示的裝置來選擇密度相同、大小不同的球狀納米粒子.粒子在電離室中電離后帶正電,電量與其表面積成正比.電離后,粒子緩慢通過小孔0l進(jìn)入極板間電壓為U的水平加速電場區(qū)域I,再通過小孔02射入相互正交的恒定勻強(qiáng)電場、磁場區(qū)域Ⅱ,其中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向如圖.收集室的小孔03與Ol、O2在同一水平線上.半徑為r0的粒子,其質(zhì)量為m0、電量為q0,剛好能沿0103直線射入收集室.不計(jì)納米粒子重力.(V球= (1)試求圖中區(qū)域Ⅱ的電場強(qiáng)度;(2)試求半徑為r的粒子通過02時(shí)的速率;(3)討
2、論半徑r≠r0的粒子剛進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ時(shí)向哪個(gè)極板偏轉(zhuǎn).
[考場錯(cuò)解]得不出正確答案.
本題涉及過程較多,讀不懂題目,不會(huì)利用所學(xué)知識(shí)建立物理過程是導(dǎo)致錯(cuò)解的主要原因.
(1)設(shè)半徑為r0的粒子加速后的速度為V0,則 設(shè)區(qū)域Ⅱ內(nèi)電場強(qiáng)度為E,
則功v0p0B=q0E
電場強(qiáng)度方向豎直向上.
(2)設(shè)半徑為r的粒子的質(zhì)量為m、帶電量為q、被加速后的速度為v,則,
由
得
(3)半徑為r的粒子,在剛進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ時(shí)受到合力為 由
可知,當(dāng)r>r0時(shí),v 3、體推進(jìn)船的動(dòng)力來源于電流與磁場間的相互作用.圖10-23是在平靜海面上某實(shí)驗(yàn)船的示意圖,磁流體推進(jìn)器由磁體、電極和矩形通道(簡稱通道)組成.
如圖10一24所示,通道尺寸a=2.0 m、b=0.15 m、c= 0.10 m工作時(shí),在通道內(nèi)沿z軸正方向加B=8.0 T的勻強(qiáng)磁場;沿x軸負(fù)方向加勻強(qiáng)電場,使兩金屬板間的電壓U=99.6 V;海水沿y軸方向流過通道.已知海水的電阻率ρ=0.20Ω·m(1)船靜止時(shí),求電源接通瞬間推進(jìn)器對海水推力的大小和方向;(2)船以v=5.0 m/s的速度勻速前進(jìn).若以船為參照物,海水以5.0 m/s的速率涌入進(jìn)水口,由于通道的截面積小于進(jìn)水口的截面積, 4、在通道內(nèi)海水速率增加到V=8.0 m/s,求此時(shí)兩金屬板間的感應(yīng)電動(dòng)勢U感;
(3)船行駛時(shí),通道中海水兩側(cè)的電壓按U′=U—U感計(jì)算,海水受到電磁力的80%可以轉(zhuǎn)化為對船的推力.當(dāng)船以v=5.0 m/s的速度勻速前進(jìn)時(shí),求海水推力的功率.
[考場錯(cuò)解]得不出正確答案.
讀不懂題目,不會(huì)把實(shí)際問題抽象成物理過程,學(xué)生的綜合分析能力、推理能力欠佳,不能把電路知識(shí)、磁場、力學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合,這是導(dǎo)致錯(cuò)解的主要原因.
(1)根據(jù)安培力公式,推力F1=I1Bb,
其中
則
對海水推力的方向沿y軸正方向(向右)
(2)U感=Bvdb=9.6 V
(3)根據(jù)歐姆定律,
安培推 5、力Fl=I2Bb=720 N對船的推力 F=80%F2=576 N推力的功率
3. 如圖10-25所示,正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層(PET)是分子水平上的人體功能顯像的國際領(lǐng)先技術(shù),它為臨床診斷和治療提供了全新的手段.
(1)PET在心臟疾病診療中,需要使用放射正電子的同位素氮13示蹤劑.氮13是由電型回旋加速器輸出的高速質(zhì)子轟擊氧16獲得的,反應(yīng)中同時(shí)還產(chǎn)生另一個(gè)粒子,試寫出該核反應(yīng)方程;
(2)PET所用回旋加速器示意如圖,其中置于高真空中的金屬0形盒的半徑為R,兩盒間距為d,在左側(cè)D形盒圓心處放有粒子源S,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向如圖所示,質(zhì)子質(zhì)量為m,電荷量為q.設(shè)質(zhì)子從粒 6、子源S進(jìn)入加速電場時(shí)的初速度不計(jì),質(zhì)子在加速器 中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為t(其中已略去了質(zhì)子在加速電場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間),質(zhì)子在電場中的加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同,加速質(zhì)子時(shí)的電壓大小可視為不變.求此加速器所需的高頻電源頻率f和加速電壓U;
(3)試推證當(dāng)R》d時(shí),質(zhì)子在電場中加速的總時(shí)間相對于在D形盒中回旋的時(shí)間可忽略不計(jì).(質(zhì)子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí),不考慮磁場的影響)
[考場錯(cuò)解](1)因找不出最大動(dòng)能與R間的關(guān)系而無法求得U;(2)粒子在電場中等效為初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)這一模型不能建立,無法表示粒子在電場中的總時(shí)間.
粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),動(dòng)能不變;粒子在電場中可看做是初速為零的勻加速 7、直線,在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)電場力做正功,動(dòng)能增加.
(1)核反應(yīng)方程為:
(2)設(shè)質(zhì)子加速后的最大速度為口,由牛頓第二定律有: 質(zhì)子的回旋周期 高頻的電源的頻蠱 質(zhì)子加速后的最大動(dòng)能 設(shè)質(zhì)子在加場中加速度的次數(shù)為”,則EK=nqU 又 可解得
(3)在電場中加速的總時(shí)間為 在D形盒中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為 故
即R》d時(shí),t1可忽略不計(jì).
ks5u專家會(huì)診
此類問題是近幾年高考的熱點(diǎn),往往難以入手.解決此類問題的關(guān)鍵是搞清題目中所給情境到儀器等的工作原理,即構(gòu)建出粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的模型,結(jié)合力學(xué)規(guī)律進(jìn)行分析求解.
考場思維訓(xùn)練
1 兩根導(dǎo)電的長直導(dǎo)線平行放置,電流分別為I1和 8、I2,電流的方向如圖10—26所示,在與導(dǎo)線垂直的平面上有a 、b、 c、d四點(diǎn),其中a、b在導(dǎo)線橫截面連線的延長線上c、d在導(dǎo)線橫截面圓心連線的垂直平分線上.則導(dǎo)體中的電流在這四點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度可能為零的是 ( )
A a B b點(diǎn) C.c D d點(diǎn)
1.AB解析:由安培定則及平行四邊形定則可知,I1 、I2在c、d兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向有一夾角,則合磁感應(yīng)強(qiáng)度一定不為零,I1 、I2在a、b兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反,則合磁感應(yīng)強(qiáng)度可能為零,故選AB.
2 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用,運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),這一點(diǎn)對地球上的生命來說有十分重要 9、的意義.從太陽和其他星體發(fā)射出的高能粒子流,稱為宇宙射線,在射向地球時(shí),由于地磁場的存在改變了帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向,對地球起了保護(hù)作用,如圖10一27所示為地磁場對宇宙射線作用的示意圖,現(xiàn)有來自宇宙的一束質(zhì)子流,以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點(diǎn),則這些質(zhì)子在進(jìn)入地球周圍的空間時(shí)將 ( )
A 豎直向下沿直線射向地面
B 相對于預(yù)定地點(diǎn)向東偏轉(zhuǎn)
C.相對于預(yù)定地點(diǎn),稍向西偏轉(zhuǎn)
D 相對于預(yù)定地點(diǎn),稍向北偏轉(zhuǎn)
2.B解析:建立地磁場的空間模型,再由左手定則確定.
3 如圖10-28所示的天平可用來測定磁感應(yīng)強(qiáng)度,天平的右臂下面掛一個(gè)矩形線圈,寬為L,共N匝,線圈 10、的下部懸在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直紙面,當(dāng)線圈中通有電流I(方向如圖)時(shí),在天平左、右兩邊加上質(zhì)量為m1、m2的砝碼,天平平衡,當(dāng)電流反向(大小不變)時(shí),右邊再加上質(zhì)量為m的砝碼,天平重新平衡,由此可知 (. )
A磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向里,大小為(ml一m2)g/NIL
B磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向里,大小為mg/2NIL
C.磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向外,大小為(ml-m2)g/NIL
D磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向外,大小為mg/2NIL
3.CD解析:原電流時(shí)安培力方向向下,此時(shí):m1g=m2g+NBIL;反向后:m1g=(m2+m)g—NBIL,由以上可得: 11、Mg=2NBIL,即
,再由左手定則可知磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直紙面向外.
4 目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),如圖所示表示它的發(fā)電原理: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)電的粒子,而從整體來說呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場,磁場中有兩塊金屬板Al、B,這時(shí)金屬板上就聚集了電荷.在磁極配置如圖10一29所示的情況下,下述說法正確的是( )
A A板帶正電
B有電流從6經(jīng)用電器流向a
C.金屬板A、B間的電場方向向下
D等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場力
4.BD解析:用左手定則進(jìn)行判定,正電荷向B板偏轉(zhuǎn),負(fù)電荷向A板偏 12、轉(zhuǎn),AB板間場強(qiáng)方向由下向上,電流方向由b到a,故BD對.
5 如圖10-30所示,一束波長為λ的強(qiáng)光射在金屬板P的A處發(fā)生了光電效應(yīng),能從A處向各個(gè)方向逸出不同速度的光電子.金屬板P的左側(cè)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,面積足夠大,在A點(diǎn)上方L處有一涂熒光材料的金屬條Q,并與P垂直.現(xiàn)光束射到A處,金屬條Q受到光電子的沖擊而發(fā)出熒光的部分集中在CD間,且CD=L,光電子的質(zhì)量為m,電量為e,光速為c,
(1)金屬板P逸出光電子后帶什么電?
(2)計(jì)算P板金屬發(fā)生光電效應(yīng)的逸出功w.
(3)從D點(diǎn)飛出的光電子中,在磁場中飛行的最短時(shí)間是多少?
5.(1)帶正電 (2) 13、
(3)
解析:(2)粒子打在Q條的最遠(yuǎn)點(diǎn)為C,C點(diǎn)對應(yīng)著光電子具有最大速度,距AC間的距離為,由得光電子的最大速度為 ,再根據(jù)光電效應(yīng)方程可得逸出功W.
(3)若粒子具有豎直向上的最大速度時(shí),打不到Q條上,若粒子以與AD成一角度向右旋轉(zhuǎn)時(shí),分析對應(yīng)的圓弧軌跡,當(dāng)恰打到D點(diǎn)時(shí),AD為一弦,弦長為L,則圓弧對應(yīng)的圓心角為90o,故粒子在磁場中的飛行時(shí)間依此方法還可判斷出打在C點(diǎn)的粒子速度方向與AC垂直與AD成135 o.
6在以坐標(biāo)原點(diǎn)0為圓心、半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi),存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場,如圖10-31所示.一個(gè)不計(jì)重力的帶電粒子從磁場邊界與x軸的 14、交點(diǎn)A處以速度v沿-x方向射入磁場,它恰好從磁場邊界與y軸的交點(diǎn)C處沿+y方向飛出.
(1)請判斷該粒子帶何種電荷,并求出其比荷
(2)若磁場的方向和所在空間范圍不變,而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)锽′,該粒子仍從A處以相同的速度射入磁場,但飛出磁場時(shí)的速度方向相對于入射方向改變了60o,求磁感應(yīng)強(qiáng)度B′多大?此次粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間t是多少?
6.(1)由粒子的飛行軌跡,利用左手定則可知,該粒子帶負(fù)電荷.粒子由A點(diǎn)射入,由C點(diǎn)飛出,其速度方向改變了90 o,則粒子軌跡半徑R=r又則粒子的比荷
(2)粒子從D點(diǎn)飛出磁場速度方向改變了60 o角,故AD弧所對圓心角為60 o,粒子做圓周 15、運(yùn)動(dòng)的半徑 又 所以 粒子在磁場中飛行時(shí)間
7 如圖10一32所示,在x0y坐標(biāo)平面的第一象限內(nèi)有沿-y方向的勻強(qiáng)電場,在第四象限內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場.現(xiàn)有一質(zhì)量為仇,帶電量為+q的粒子(重力不計(jì))以初速度v0沿-x方向從坐標(biāo)為(3l,l)的P點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng),接著進(jìn)入磁場后由坐標(biāo)原點(diǎn)O射出,射出時(shí)速度方向與y軸正方向夾角為45o,求:
(1)粒子從0點(diǎn)射出的速度v和電場強(qiáng)度E的大?。?
(2)粒子從P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到0點(diǎn)所用的時(shí)間.
7.解析:帶電粒子在電場中做類似平拋運(yùn)動(dòng),由Q點(diǎn)進(jìn)入磁場,
在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),最終由0點(diǎn)射出.(軌跡如圖所示)(1)根據(jù)對稱性可知,粒子在Q 16、點(diǎn)時(shí)的速度大小為v,方向與-x方向成45 o,則有:解得:①在P到Q的過程中:②由①②解得:③(2)粒子在Q點(diǎn)時(shí)沿-y方向速度大小vy=vsin 45 oP到Q的運(yùn)動(dòng)時(shí)間④P到Q沿-x方向的位移為:s=v0t1, ⑤則OQ之間的距離:OQ=3l-s ⑥粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)半徑為r,則有:粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間⑧粒子在由P到Q過程中的總時(shí)間T=t1+t2 ⑨由④⑤⑥⑧⑨解得:
8 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(shí)現(xiàn)的.電子束經(jīng)過電壓為U的加速電場后,進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場區(qū),如圖10-33所示.磁場方向垂直于圓面.磁場區(qū)的中心為0,半徑為r當(dāng)不加磁場時(shí),電子束將通 17、過0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,需要加磁場,使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度θ,此時(shí)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)為多少?
8.解析:電子在磁場中沿圓弧曲運(yùn)動(dòng),圓心為C,半徑為R以v表示電子進(jìn)入磁場時(shí)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:
9 如圖10-34所示,將帶電量Q=0.3 C、質(zhì)量m′=0.15kg的滑塊放在小車的絕緣板的右端,小車的質(zhì)量M=0.5奴,滑塊與絕緣板間動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4,小車的絕緣板足夠長,它們所在的空間存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度B=20 T的水平方向的勻強(qiáng)磁場.開始時(shí)小車靜止在光滑 18、水平面上,一擺長L=1.25 m、擺球質(zhì)量m=0.3kg的擺從水平位置由靜止釋放,擺到最低點(diǎn)時(shí)與小車相撞,如圖所示,碰撞后擺球恰好靜止,g=10m/s2,求:(1)擺球與小車的碰撞過程中系統(tǒng)損失的機(jī)械能AE;(2)碰撞后小車的最終速度.
9.(1)1.5 J(2)2.925 m/s解析:(1)由機(jī)械能守恒定律得:
代入L、g解得v=5 m/s.
在m碰撞M的過程中,由動(dòng)量守恒定律得:mv-Mv1=O代入m、M解得v1=3m/s.所以
(2)假設(shè)m′最終能與M一起運(yùn)動(dòng),由動(dòng)量守恒定律得:
代人m′、M解得v2=2.3 m/s.
m′以v2=2.3 m/s速度運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的向上洛倫茲力f=
所以m′在還未到v2=2.3 m/s時(shí)已與M分開了.由上面分析
可知當(dāng)m′的速度為v3=1.5/(0.3×20)=0.25 m/s時(shí)便與M分開了,根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得方程: 解得v′2=2.925m/s
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