2022-2023年高考物理一轮复习 带电粒子在复合场中运动的科技应用

突破1速度选择器(如图Z6-1所示)图Z6-1(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直.(如图Z6-1)\n(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是(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.\n【典题1】速度选择器的原理图如图Z6-2所示,已知电场强度为E、磁感应强度为B且相互垂直分布,某一带电粒子(重力不计)沿图中虚线水平通过.则该带电粒子()A.一定带正电C.沿QP方向运动图Z6-2\n答案：B\n【考点突破1】如图Z6-3所示,在平行线MN、PQ之间存在竖直向上的匀强电场和垂直于纸面的磁场(未画出),磁场的磁感应强度从左到右逐渐增大.一带电微粒进入该区域时,由于受到空气阻力作用,恰好能沿水平直线OO′通过该区域.带电微粒所受的重力忽略不计,运动过程带电量不变.下列判断正确的是()图Z6-3\nA.微粒从左向右运动,磁场方向向里B.微粒从左向右运动,磁场方向向外C.微粒从右向左运动,磁场方向向里D.微粒从右向左运动,磁场方向向外解析：由微粒恰好能沿水平直线OO′通过该区域说明洛伦兹力qvB与电场力qE平衡,微粒受到空气阻力作用,速度逐渐减小,沿运动方向磁场的磁感应强度必须逐渐增大,因此微粒从左向右运动,磁场方向向外,B正确.答案：B\n突破2霍尔元件(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.图Z6-4\n(2)电势高低的判断：如图Z6-4,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′的电势低.若自由电荷是正电荷,则下表面A′的电势低.(3)霍尔电压的计算：导体中的自由电荷(电子)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系数.\n【典题2】如图Z6-5所示,厚度为h,宽度为d的金属导体,当磁场方向与电流方向垂直时,在导体上、下表面会产生电势差,这种现象称为霍尔效应.下列说法正确的是()A.上表面的电势高于下表面电势图Z6-5B.仅增大h时,上、下表面的电势差增大C.仅增大d时,上、下表面的电势差减小D.仅增大电流I时,上、下表面的电势差减小答案：C\n【考点突破2】如图Z6-6所示,一段长方体形导电材料,左、右两端面的边长都为a和b,内有带电荷量为q的某种自由运动电荷.导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中,内部磁感应强度大小为B.当通以从左到右的稳恒电流I时,测得导电材料上、下表面之间的电压为U,且上表面的电势比下表面的低.由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为()图Z6-6\n,C正确,A、B、D错误.解析：建立霍尔效应模型,根据左手定则,不管正电荷还是负电荷均应该向上偏,由于上表面的电势比下表面的电势低,说明电荷电性为负.当导电材料上、下表面之间的电压为U时,表达式I＝nqvab,解得导电材料单位体积内自由运动的电荷数答案：C\n突破3磁流体发电机图Z6-7(1)原理：如图Z6-7所示,等离子气体喷入磁场,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.(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.\n(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,等离子气体的电阻率为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\n【典题3】(多选)磁流体发电是一项新兴技术,图Z6-8是它的示意图,平行金属板A、C间有一很强的磁场,将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电离子)喷入磁场,两极板间便产生电压,现将A、C两极板与电阻R相连,两极板间距离为d,正对面积为S,等离子体的电阻率为ρ,磁感应强度为B,等离子体以速度v沿垂直磁场方向射入A、C)两板之间,则稳定时下列说法中正确的是(图Z6-8\nA.极板A是电源的正极B.电源的电动势为Bdv\n解析：等离子体喷入磁场,带正电的离子因受到向下的洛伦兹力而向下偏转,带负电的离子向上偏转,即极板C是电源答案：BC\n【考点突破3】(多选)磁流体发电机的原理示意图如图Z6-9所示,金属板M、N正对着平行放置,且板面垂直于纸面,在两板之间接有电阻R.在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场.当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时,下列说法正确的是()A.N板的电势高于M板的电势B.M板的电势高于N板的电势图Z6-9C.R中有由b向a方向的电流D.R中有由a向b方向的电流\n解析：根据左手定则可知正电荷向上极板偏转,负电荷向下极板偏转,则M板的电势高于N板的电势,A错误,B正确；M板相当于电源的正极,那么R中有由a向b方向的电流,C错误,D正确.答案：BD\n突破4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Z6-10所示,一圆形导管直径为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\n差,当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时,a、b间的电势图Z6-10(5)电势高低的判断：根据左手定则可得φa>φb.\n【典题4】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Z6-11所示的流量计.该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口.在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场,在前、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,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),下列说法正确的是()图Z6-11\nA.若污水中正离子较多,则前表面比后表面电势高B.若污水中负离子较多,则前表面比后表面电势高C.污水中离子浓度越高,电压表的示数将越大D.污水流量Q与U成正比,与a、b无关答案：D\n【考点突破4】为了测量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Z6-12所示的流量计,该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a＝1m、b＝0.2m、c＝0.2m,左、右两端开口,在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B＝1.25T的匀强磁场,在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N作为电极,污水充满装置以某一速度从左向右匀速流经该装置时,测得两个电极间的电压U＝1V.且污水流过该装置时受到阻力作用,阻力f＝kLv,其中比例系数k＝15N·s/m2,L为污水沿流速方向的长度,v为污水的流速.下列说法正确的是()\n图K6-12A.金属板M电势不一定高于金属板N的电势,因为污水中负离子较多B.污水中离子浓度的高低对电压表的示数也有一定影响C.污水的流量(单位时间内流出的污水体积)Q＝0.16m3/sD.为使污水匀速通过该装置,左、右两侧管口应施加的压强差为Δp＝1500Pa答案：CD\n突破5质谱仪(1)构造：如图Z6-13所示,由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成.图Z6-13\n\n【典题5】(多选)质谱仪的原理如图Z6-14所示.从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看做初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直于纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是()A.仅加速电压增大,其他量不变,则x增大B.仅匀强磁场增强,其他量不变,则x增大图Z6-14C.仅粒子的质量增大,其他量不变,则x增大D.仅粒子的电荷量增加,其他量不变,则x增大\n见增大m、U或减小B、q,可使x增大,A、C正确.答案：AC\n【考点突破5】(多选)如图Z6-15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()\n图Z6-15A.极板M比极板N的电势高B.加速电场的电压U＝ERD.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\n见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点,C错误,D正确.答案：AD\n突破6回旋加速器1.构造：如图Z6-16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Z6-162.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.\n\n【典题6】如图Z6-17所示,回旋加速器的核心部分是真空室中的两个相距很近的“D”形金属盒.把它们放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒面向下.连接好高频交流电源后,两盒间的窄缝中能形成匀强电场,带电粒子在磁场中做圆周运动,每次通过两盒间的窄缝时都能被加速,直到达到最大圆周半径时通过特殊装置引出,如果用同一回旋加\nA.加速氚核的交流电源的周期较大；氚核获得的最大动能较大B.加速氚核的交流电源的周期较小；氚核获得的最大动能较大图Z6-17C.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能较小D.加速氚核的交流电源的周期较小；氚核获得的最大动能较小\n答案：C\n【考点突破6】(多选)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器,工作原理示意图如图Z6-18所示.置于真空中的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忽略.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直,高频交流电频率为f,加速电压为U.若A处粒子源产生的质子的质量为m,电荷量为＋q,在加速器中被加速,且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说法正确的是()图Z6-18\nA.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRfB.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C.质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为∶1D.不改变磁感应强度B和交流电频率f,该回旋加速器的最大动能不变\n答案：AC