2018-2019學(xué)年高中物理 專題3.5 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力試題 新人教版選修3-1.doc

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第5節(jié) 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力 一、洛倫茲力 1．定義：磁場(chǎng)對(duì) 的作用。 2．與安培力的關(guān)系：安培力是大量運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的 表現(xiàn)。 二、洛倫茲力的大小和方向 1．洛倫茲力的方向 用左手定則判斷：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓 從掌心進(jìn)入，并使四指指向 運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí) 就是運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向。 2．洛倫茲力的大小 （1）公式：F= 。式中θ為v與B的夾角。 （2）特殊情況 ①當(dāng)θ=90即v⊥B時(shí)，F(xiàn)= 。 ②當(dāng)θ= ，即v∥B時(shí)，F(xiàn)=0。即v與B平行時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷不受洛倫茲力。 3．洛倫茲力不做功 洛倫茲力的方向既 于磁場(chǎng)，又 于電荷運(yùn)動(dòng)的速度，根據(jù)做功的條件可以推斷：洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷 。 三、電視顯像管的工作原理 電視顯像管應(yīng)用了電子束 的道理。 顯像管中有一個(gè) ，工作時(shí)它能發(fā)射 ，熒光屏被電子束撞擊就能發(fā)光。在偏轉(zhuǎn)區(qū)的 方向和 方向都有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其 、 都在不斷地變化。 運(yùn)動(dòng)電荷 宏觀 磁感線 正電荷 拇指所指的方向 qvB 0或180 垂直 垂直 不做功 磁偏轉(zhuǎn) 陰極 電子 水平 豎直 方向 強(qiáng)弱 一、洛倫茲力和電場(chǎng)力的比較 洛倫茲力 電場(chǎng)力 性質(zhì) 磁場(chǎng)對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)電荷的作用 電場(chǎng)對(duì)放入其中電荷的作用 產(chǎn)生條件 v≠0且v不與B平行 電場(chǎng)中的電荷一定受到電場(chǎng)力的作用 大小 F=qvB（v⊥B） F=qE 力方向與場(chǎng)方向的關(guān)系 一定是F⊥B，F(xiàn)⊥v，與電荷的電性無(wú)關(guān) 正電荷受力與電場(chǎng)的方向相同，負(fù)電荷受力與電場(chǎng)的方向相反 做功情況 任何情況下都不做功 可能做正功、負(fù)功，也可能不做功 力為零時(shí)場(chǎng)的情況 F為零，B不一定為零 F為零，E一定為零 作用效果 只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向，不改變速度的大小 既可以改變電荷的運(yùn)動(dòng)速度的大小，也可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向 【例題1】（2018安徽省合肥市第一中學(xué)高考最后一卷）在如圖所示的直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)O固定有正點(diǎn)電荷，另有平行于y軸的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的微粒，恰好能以y軸上O′（0，a）點(diǎn)為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌跡平面與xOz平面平行，角速度為ω，旋轉(zhuǎn)方向如圖中箭頭所示，重力加速度為g。下列說(shuō)法中正確的是 A．微?？赡軒д姡部赡軒ж?fù)電 B．磁場(chǎng)方向一定沿y軸負(fù)方向 C．無(wú)法求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 D．磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 參考答案：BD 試題解析：帶電微粒受重力、庫(kù)侖力、洛倫茲力，這三個(gè)力的合力提供向心力，則可判斷微粒帶正電，故A錯(cuò)誤；由于洛倫茲力方向一定是指向圓心的，又微粒帶正電，故磁場(chǎng)方向一定沿y軸負(fù)方向，故B正確；設(shè)圓軌道半徑為R，圓周上一點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)連線與y軸的夾角為θ，則有mg＝F電cosθ；qωRB?F電sinθ＝mω2R，解得，故C錯(cuò)誤，D正確。 二、洛倫茲力與安培力的聯(lián)系及區(qū)別 1．安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，二者是相同性質(zhì)的力，都是磁場(chǎng)力。 2．洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功；安培力對(duì)通電導(dǎo)線可以做正功，可以做負(fù)功，也可以不做功。 【例題2】關(guān)于安培力和洛倫茲力，下面說(shuō)法中正確的是 A．洛倫茲力和安培力是性質(zhì)完全不同的兩種力 B．洛倫茲力和安培力，其本質(zhì)都是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力 C．安培力就是洛倫茲力，二者是等價(jià)的 D．安培力對(duì)通電導(dǎo)線能做功，但洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不能做功 參考答案：BD 1．（2017甘肅省蘭州市第一中學(xué)高二期中）關(guān)于安培力、電場(chǎng)力和洛倫茲力，下列說(shuō)法正確的是 A．安培力和洛倫茲力的方向均可用左手定則判斷 B．電荷所受電場(chǎng)力一定與該處電場(chǎng)方向一致，電荷所受的洛倫茲力不一定與磁場(chǎng)方向垂直 C．電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用，電荷在磁場(chǎng)中一定受洛倫茲力作用 D．安培力和洛倫茲力本質(zhì)上都是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，安培力可以對(duì)通電導(dǎo)線做功，洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷也做功 2．如圖所示，帶正電的不計(jì)重力的粒子，沿水平向右的方向垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，關(guān)于其運(yùn)動(dòng)情況，下列說(shuō)法中正確的是 A．如圖中軌跡1所示 B．如圖中軌跡2所示 C．如圖中軌跡3所示 D．垂直紙面向里運(yùn)動(dòng) 3．（2018陜西省高三教學(xué)質(zhì)量檢測(cè)）磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)。如圖所示，平行金屬板之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束含有大量正、負(fù)帶電粒子的的等離子體，沿圖中所示方向噴入磁場(chǎng)，圖中虛線框部分相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，把兩個(gè)極板與用電器相連，則 A．用電器中的電流方向從B到A B．用電器中的電流方向從A到B C．若只增大帶電粒子電荷量，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)增大 D．若只增大噴入粒子的速度，發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)增大 4．如圖所示，電解池中放了兩個(gè)金屬極板，則最終上面的金屬板和下面的金屬板哪個(gè)電勢(shì)高（垂直紙面向里的磁場(chǎng)） A．上板高 B．下板高 C．一樣高 D．無(wú)法確定 5．（2018貴州省遵義高三模擬）如圖所示，套在足夠長(zhǎng)的絕緣粗糙直棒上的帶正的電小球，其質(zhì)量為m，帶電荷量為q，小球可在棒上滑動(dòng)。現(xiàn)將此棒豎直放入沿水平方向且互相垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)中，設(shè)小球所帶電荷量不變，在小球由靜止下滑的過(guò)程中 A．小球的加速度一直增大 B．小球的速度一直增大，直到最后勻速 C．小球的速度先增大，再減小，直到停止運(yùn)動(dòng) D．棒對(duì)小球的彈力一直減小 6．如圖所示，帶正電的小球通過(guò)絕緣柄固定在A處，勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直紙面向里。則有關(guān)洛倫茲力的分析，正確的是 A．若將勻強(qiáng)磁場(chǎng)向右水平平移，由于帶電小球靜止，所以它不受洛倫茲力作用 B．若將勻強(qiáng)磁場(chǎng)向右水平平移，小球會(huì)受到洛倫茲力作用，其方向向上 C．若將勻強(qiáng)磁場(chǎng)向右水平平移，小球會(huì)受到洛倫茲力作用，其方向向下 D．若磁場(chǎng)沿垂直紙面的方向平移，則小球不受洛倫茲力作用 7．（2018福建省福州市八縣一中高二聯(lián)考）如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，帶電粒子的速率為v，帶電荷量為q，下列帶電粒子所受洛倫茲力的大小和方向正確的是 A．圖（1）為，方向與v垂直斜向上 B．圖（2）為，方向與v垂直斜向下 C．圖（3）為，方向垂直紙面向外 D．圖（4）為，方向垂直紙面向里 8．（2018四川省樂(lè)山市高三第三次調(diào)查研究）如圖所示，兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線豎直插入光滑絕緣水平桌面上的M、N兩小孔中，O為M、N連線中點(diǎn)，連線上a、b兩點(diǎn)關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱，導(dǎo)線通有大小相等、方向相反的電流I。已知通電長(zhǎng)直導(dǎo)線在周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，式中k是常數(shù)，I是導(dǎo)線中的電流，r為點(diǎn)到導(dǎo)線的距離，一帶正電的小球（圖中未畫出）以初速度v0從a點(diǎn)出發(fā)沿連線運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)。關(guān)于上述過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是 A．小球先做加速運(yùn)動(dòng)后做減速運(yùn)動(dòng) B．小球一直做勻速直線運(yùn)動(dòng) C．小球?qū)ψ烂娴膲毫ο仍龃蠛鬁p小 D．小球?qū)ψ烂娴膲毫σ恢痹谠龃? 9．用絕緣細(xì)線懸掛一個(gè)質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的小球，讓它處于如圖所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。由于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，小球靜止在如圖所示位置，這時(shí)懸線與豎直方向夾角為α，并被拉緊，則磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度和方向是 A．v=，水平向右 B．v=，水平向左 C．v=，豎直向上 D．v=，豎直向下 10．（2018江蘇省興化一中高考第四次模擬）如圖所示為一螺距較大、有彈性的通電螺線管的磁場(chǎng)截面分布圖，虛線為螺線管的中軸線（與某一磁感線重合），ab為用絕緣細(xì)線懸掛的位于螺線管的正上方的通電直導(dǎo)線，其電流方向由a到b，電流很小，不影響螺線管磁場(chǎng)。下列說(shuō)法正確的是 A．P、Q兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同 B．直導(dǎo)線ab通電后，a端垂直紙面向外轉(zhuǎn)動(dòng) C．?dāng)嚅_(kāi)螺線管的電源后，螺線管有沿水平方向向內(nèi)收縮的趨勢(shì) D．將不計(jì)重力的電子沿中軸線射入螺線管，電子將做勻速直線運(yùn)動(dòng) 11．如圖所示，a為帶正電的物體，b為不帶電的絕緣物塊，a、b疊放在粗糙水平地面上。地面上方有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，現(xiàn)用恒力F拉b，使a、b一起無(wú)相對(duì)滑動(dòng)地向左加速運(yùn)動(dòng)，則在加速階段，a受到b施加的摩擦力方向及大小變化是 A．向左，變大 B．向左，變小 C．向左，不變 D．先向左后向右，先減小后增大 12．（2018山東省煙臺(tái)市高三模擬）如圖所示，一個(gè)粗糙且足夠長(zhǎng)的斜面體靜止于水平面上，并處于方向垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，質(zhì)量為m、帶電荷量為+Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑，在滑塊下滑的過(guò)程中，斜面體靜止不動(dòng)。下列判斷正確的是 A．滑塊受到的摩擦力逐漸增大 B．滑塊沿斜面向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng) C．滑塊最終要離開(kāi)斜面 D．滑塊最終可能靜止于斜面上 13．（2018四川省南充高級(jí)中學(xué)高三考前模擬）如圖，有3塊水平放置的長(zhǎng)薄金屬板a、b和c，a、b之間相距為L(zhǎng)。緊貼b板下表面豎直放置半徑為R的半圓形塑料細(xì)管，兩管口正好位于小孔M、N處。板a與b、b與c之間接有電壓可調(diào)的直流電源，板b與c間還存在方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)體積為V0、密度為ρ、電荷量為q的帶負(fù)電油滴，等間隔地以速率v0從a板上的小孔豎直向下射入，調(diào)節(jié)板間電壓Uba和Ubc，當(dāng)Uba=U1、Ubc=U2時(shí)，油滴穿過(guò)b板M孔進(jìn)入細(xì)管，恰能與細(xì)管無(wú)接觸地從N孔射出。忽略小孔和細(xì)管對(duì)電場(chǎng)的影響，不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g。求： （1）油滴進(jìn)入M孔時(shí)的速度v1； （2）b、c兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值； 14．（2015重慶卷）題圖中曲線a、b、c、d為氣泡室中某放射物質(zhì)發(fā)生衰變放出的部分粒子的經(jīng)跡，氣泡室中磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里。以下判斷可能正確的是 A．a(chǎn)、b為β粒子的經(jīng)跡 B．a(chǎn)、b為γ粒子的經(jīng)跡 C．c、d為α粒子的經(jīng)跡 D．c、d為β粒子的經(jīng)跡 15．（2015海南卷）如圖所示，a是豎直平面P上的一點(diǎn)，P前有一條形磁鐵垂直于P，且S極朝向a點(diǎn)，P后一電子在偏轉(zhuǎn)線圈和條形磁鐵的磁場(chǎng)的共同作用下，在水平面內(nèi)向右彎曲經(jīng)過(guò)a點(diǎn)。在電子經(jīng)過(guò)a點(diǎn)的瞬間。條形磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)該電子的作用力的方向 A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 1．A【解析】安培力和洛倫茲力的方向均可用左手定則判斷，A正確；正電荷所受電場(chǎng)力一定與該處電場(chǎng)方向一致，電荷所受的洛倫茲力一定與磁場(chǎng)方向垂直，B錯(cuò)誤；電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用，靜止的電荷在磁場(chǎng)中一定不受洛倫茲力作用，C錯(cuò)誤；洛倫茲始終與運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功，D錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到力為安培力，而運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力為洛倫茲力。它們均屬于磁場(chǎng)力，本質(zhì)上是一種力，方向都由左手定則來(lái)確定，由于洛倫茲力始終與速度垂直，所以洛倫茲力不做功。 【名師點(diǎn)睛】正確分析離子的受力情況是解決本題的關(guān)鍵。先根據(jù)左手定則判斷等離子體的正離子（或負(fù)離子）所受洛倫茲力的方向，從而知道金屬板的電勢(shì)高低，進(jìn)一步受力分析結(jié)合牛頓第二定律可得出最終等離子體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)洛倫茲力等于電場(chǎng)力，分析電動(dòng)勢(shì)的決定因素。 4．C【解析】在電解液里正離子向右運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榇艌?chǎng)垂直直面向里，據(jù)左手定則：磁感線穿入手心，四指指向正離子運(yùn)動(dòng)的相同，拇指指向洛倫茲力方向，可知，洛倫茲力方向應(yīng)向上，所以正離子向上偏轉(zhuǎn)，同理負(fù)離子也向上偏轉(zhuǎn)，所以電勢(shì)沒(méi)變化，即兩個(gè)板一樣高，故C正確，ABD錯(cuò)誤。 5．B【解析】小球下落時(shí)受力分析如圖所示。開(kāi)始下落時(shí)，電場(chǎng)力大于洛倫茲力，彈力向左，在下落過(guò)程中，隨著速度的增加，洛倫茲力增大，彈力減少，從而導(dǎo)致摩擦力減少，下落的加速度增大，總有一時(shí)刻，洛倫茲力等于電場(chǎng)力，此時(shí)彈力為零，摩擦力為零，加速度達(dá)到最大值為g，再下落時(shí)，洛倫茲力大于電場(chǎng)力，彈力向右，隨著速度的增加，洛倫茲力增大，彈力也增大，從而摩擦力增大，加速度減小，AD錯(cuò)誤；當(dāng)摩擦力增大到與小球的重力相等時(shí)，小球開(kāi)始勻速下落，且一直勻速運(yùn)動(dòng)下去，B正確，C錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】本題考查了左手定則的直接應(yīng)用，根據(jù)左手定則即可正確判斷磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)方向、洛倫茲力三者之間的關(guān)系，特別注意的是四指指向和正電荷運(yùn)動(dòng)方向相同和負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反。同時(shí)注意判斷幾何關(guān)系的判斷，特別是平行的判斷。 8．BC【解析】根據(jù)右手螺旋定則及矢量合成法則，可知直線MN處的磁場(chǎng)方向垂直于MN向里，磁場(chǎng)大小先減小后增大，根據(jù)左手定則可知，帶正電的小球受到的洛倫茲力豎直向上，根據(jù)F=qvB可知，洛倫茲力是先減小后增大，由此可知，小球?qū)⒆鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，小球?qū)ψ烂娴膲毫ο仍龃蠛鬁p小，故AD錯(cuò)誤，BC正確。 9．BC【解析】若磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向水平向右，則小球相對(duì)磁場(chǎng)水平向左，由左手定則可知，洛倫茲力方向豎直向下，不可能處于平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；若磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向水平向左，則小球相對(duì)磁場(chǎng)水平向右，由左手定則可知，洛倫茲力方向豎直向上，當(dāng)洛倫茲力等于重力，處于平衡狀態(tài)，則有：Bqv=mg，解得：v=，故B正確；若磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向豎直向上，則小球相對(duì)磁場(chǎng)豎直向下，由左手定則可知，洛倫茲力方向水平向右，當(dāng)洛倫茲力與拉力的合力與重力相等時(shí)，則處于平衡狀態(tài)，則有：Bqv=mgtan α，解得：v=，故C正確，若磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向豎直向下，則小球相對(duì)磁場(chǎng)豎直向上，由左手定則可知，洛倫茲力方向水平向左，則不可能處于平衡狀態(tài)，D錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】考查左手定則與平衡方程的應(yīng)用，注意相對(duì)運(yùn)動(dòng)理解，突出小球相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向是解題的關(guān)鍵，同時(shí)掌握三角函數(shù)的應(yīng)用。 10．D【解析】P、Q兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同，方向不相同，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；直導(dǎo)線ab通電后，由左手定則可知，a端受安培力向里，則a端垂直紙面向里轉(zhuǎn)動(dòng)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；螺線管通電時(shí)，各匝之間為同向電流，相互吸引，則斷開(kāi)螺線管的電源后，螺線管有沿水平方向向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；長(zhǎng)螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)可認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，將不計(jì)重力的電子沿中軸線射入螺線管，電子運(yùn)動(dòng)的方向與磁感線平行，不受洛倫茲力作用，則電子將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)D正確。 13．（1） （2） （1）油滴進(jìn)入電場(chǎng)后，重力與電場(chǎng)力均做功，設(shè)到M點(diǎn)時(shí)的速度為v1，由動(dòng)能定理：mv12-mv02=mgL+qU1 考慮到m=ρV0 得：v1= （2）油滴進(jìn)入電場(chǎng)、磁場(chǎng)共存區(qū)域，恰與細(xì)管無(wú)接觸地從N孔射出，須電場(chǎng)力與重力平衡， 有：mg=qE 得： 油滴在半圓形細(xì)管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力提供向心力，有：qv1B=m 得：B==