2019年高考物理双基突破：专题24-带电粒子在复合场中的实际应用(精讲)(含解析)

1、一质谱仪1构造 ：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。2原理 ：粒子由静止被加速电场加速，qu12mv2。粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qvbmv2r。由以上两式可得r1b2muq，mqr2b22u，qm2ub2r2。3质谱仪是根据带电粒子在磁场中偏转量的差异来区分不同粒子的仪器。解题时要关注粒子开始什么量相同，什么量不同，最后造成偏转量不同的原因是什么，从而达到区分不同粒子的目的。【题 1】 （多选）如图所示，一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场（磁感应强度为b）和匀强电场（电场强度为e）组成的速度选择器，然后粒子通过平板s上的狭缝p 进入另一匀强磁场

2、（磁感应强度为 b ），最终打在a1a2上，下列表述正确的是a粒子带负电b所有打在a1a2上的粒子，在磁感应强度为b的磁场中的运动时间都相同c能通过狭缝p 的带电粒子的速率等于ebd粒子打在a1a2的位置越靠近p，粒子的比荷qm越大【答案 】cd当粒子做圆周运动的向心力可得rmvbq，则qmvbr，越靠近p，r 越小，粒子的比荷越大，d 正确；所有打在a1a2上的粒子在磁感应强度为b的 磁场中都只运动半个周期，周期t2 mb q，比荷不同，打在a1a2上的粒子在磁感应强度为 b 的磁场中的运动时间不同，b 错误。【题 3】 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中磁感应

3、强度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2 价正离子在入口处从静止开始被加速电场加速，为使它经同一匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将加速电压减小到原来的112倍。此离子和质子的质量比约为a6 b12 c24 d144 【答案】 c 二价正离子与质子从同一出口离开磁场则r 相同，所以mqu，离子质量是质子质量的24 倍， c 正确， a、b、d 错误。二、回旋加速器1构造 ：如图所示，d1、d2是半圆形金属盒，d 形盒的缝隙处接交流电源，d 形盒处于匀强磁场中。2原理 ：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子经电场加速，经磁场回旋。使粒子每

4、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 qvbmv2r，得 ekmq2b2r22m，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度b 和 d 形盒半径 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 nekmqu，粒子在磁场中运动的总时间tn2tekm2qu2 mqb br22u。5回旋加速器解题时要注意两点：一是加速电压是交变电压，其周期和粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期相同。二是粒子获得的最大动能由磁感应强度b 和 d 形盒最大半径r 决定，而与加速电压无关。【题 4】 （多选）回旋加速器的原理如图所示

5、，它由两个铜质d 形盒 d1、d2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是a离子从电场中获得能量b离子从磁场中获得能量c只增大空隙距离可增加离子从回旋加速器中获得的动能d只增大d 形盒的半径可增加离子从回旋加速器中获得的动能【答案】 ad【题 5】 （多选） 回旋加速器的工作原理示意图如图。置于高真空中的半径为r 的 d 形金属盒中，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a质子被加速后的最大速度不

6、可能超过2 rfb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21 d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【答案】 ac【解析】粒子被加速后的最大速度受到d 形盒半径r 的制约，因vm2 rt2 rf，a 正确；粒子离开回旋加速器的最大动能ekm12mv212 m 42r2f2 2m2r2f2，与加速电压u 无关， b 错误；根据rmvbq，uq12mv21， 2uq12mv22，得质子第2 次和第1 次经过两d 形盒间狭缝后轨道半径之比为21，c 正确；因回旋加速器的最大动能 ekm2m2r2f2，与

7、 m、r、f 均有关， d 错误。【题 6】图甲是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个d 形金属盒， d 形盒与高频电源相连，且置于垂直于盒面的匀强磁场中，带电粒子在电场中的动能ek随时间 t 的变化规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是a在 ekt 图中有 t4t3t3t2t2t1b在 ekt 图中有 ek4ek3ek3ek2 ek2ek1c若粒子加速次数越多，则射出加速器的粒子动能就越大d若加速电压越大，则射出加速器的粒子动能就越大【答案】 b 三、速度选择器1构造 ：如图，平行板中电场强度e 和磁感应强度b 互相垂直，这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，

8、所以叫速度选择器。2带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件：eqqvb，即 veb，速度 v 与粒子电荷量、电性、质量无关。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。3速度选择器具有单向性。【题 7】 如图所示，从s 处发出的热电子经加速电压u 加速后垂直进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，发现电子流向上极板偏转。设两极板间电场强度为e，磁感应强度为b。欲使电子沿直线从电场和磁场区域通过，只采取下列措施，其中可行的是a适当减小电场强度eb适当减小磁感应强度bc适当增大加速电场极板之间的距离d适当减小加速电压u【答案】 a【题 8】 （多选）如图是一“滤速器”装置的示意

9、图。a、b 为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔o 进入 a、b 两板之间。为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、 b 间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能沿水平直线oo 运动，由o射出，不计重力作用。可能达到上 述目的要求的是a使 a 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向里b使 a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向里c使 a 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向外d使 a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向外【答案】 ad 四、磁流体发电 机1原理 ：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，使

10、两极板产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能。（如图）当离子做匀速运动时，两极板间的电势差最大。2电源正、负极判断：根据左手定则可判断出图中的b 板是发电机的正极。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，等离子气体的电阻率为 ，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qulqvb，即 u blv。4电源内阻 ：rls。5回路电流 ：iurr。【题 9】 （多选）磁流体发电机又叫等离子体发电机，如图，燃烧室在3 000 k 的高温下将气体全部电离为正离 子

11、与负离子，即高温等离子体。高温等离子体经喷管提速后以1 000 m/s 的速度进入矩形发电通道。发电通道有垂直于喷射速度方向的匀强磁场，磁感应强度为6 t，等离子体发生偏转，在两极间形成电势差，已知发电通道长 a50 cm，宽 b20 cm，高 d 20 cm，等离子体的电阻率 2 m，则以下判断中正确的是a发电机的电动势为1 200 v b开关断开时，高温等离子体可以匀速通过发电通道c当外接电阻为8 时，电流表示数为150 a d当外接电阻为4 时，发电机输出功率最大【答案】 abd 【解析】由udqqvb，得电源电动势uvbd1 200 v，a 正确；由电阻定律rdab4 ，得发电机内阻为

12、4 ，由闭合电路欧姆定律得，当外接电阻为8 时，电流为100 a ，故 c 错误；当外电路总电阻rr 时有最大输出功率，得d 正确。【题 10】 （多选） 磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图是它的示意图。平行金属板a、b 之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负离子）喷入磁场， a、b 两板间便产生电压。如果把a、b 和用电器连接，a、b 就是直流电源的两个电极，设a、b 两板间距为d，磁感应强度为b ，等离子体以速度v 沿垂直于磁场的方向射入a、b 两板之间，则下列说法正确的是aa 是直流电源的正极bb 是直流电源的正极c电源的电

13、动势为bdvd电源的电动势为qvb【答案】 bc 五、霍尔效应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，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；若自由电荷为正电荷，则上表面a 的电势高。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，当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，a、a间的电势差（u） 就保持稳定，由qvbquh，inqvs，shd；联立得

14、 ubinqdkbid，k1nq称为霍尔系数。【 题 11】 （多选） 自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率，如图甲，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压，图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是a根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小b自行车的车速越大，霍尔电势差越高c图乙中霍尔元件的电流i 是由正电荷定向运动形成的d如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小【答案

15、】 ad 【题 12】 （多选） 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，通入图示方向的电流i，c、d 两侧面会形成电势差ucd，下列说法中正确的是a电势差ucd仅与材料有关b若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差ucdb。【题 13】 （多选）为了测量化工厂的污水排放量，技术人员在排污管末端安装了流量计（流量q 为单位时间内流过某截面流体的体积）如图13 所示，长方体绝缘管道的长、宽、高分别为a、b、 c，左、右两端开口，所在空间有垂直于前后表面、磁感应强度大小为b 的匀强磁场，在上、下两个面的内侧

16、固定有金属板m、n，污水充满管道从左向右匀速流动，测得m、n 间电压为 u，污水流过管道时受到的阻力大小ff klv2，k 是比例系数，l 为污水沿流速方向的长度，v 为污水的流速。则a污水的流量qabubb金属板m 的电势不一定高于金属板 n 的电势c电压 u 与污水中离子浓度无关d左、右两侧管口的压强差 pkau2bb2c3【答案】 cd 【解析】根据：qvbquc得： vubc，则有qvsvbcubcbcubb，故 a 错误；根据左手定则，正离子向上表面偏转，负离子向下表面偏转，知上表面的电势一定高于下表面的电势，即金属板m 的电势一定高于金属板n的电势，故b 错误；最终离子在电场力和洛

17、伦兹力作用下平衡，有：qvb quc，解得： u vbc，与污水中离子浓度无关，故c 正确；根据平衡条件，则有： pbcff klv2kav2，而 vubc，解得 pkau2bb2c3，故 d 正确。【题 14】 （多选）电磁泵在目前的生产、科技中得到了广泛应用。如图，泵体是一个长方体，ab 边长为 l1，两侧端面是边长为l2的正方形；流经泵体内的液体密度为 、在泵头通入导电剂后液体的电导率为（电阻率的倒数），泵体所在处有方向垂直前表面向外的磁场b，把泵体的上下两表面接在电压为u（内阻不计） 的电源上，则a泵体上表面应接电源正极b通过泵体的电流iul1c增大磁感应强度可获得更大的抽液高度d增大液体的电阻率可获得更大的抽液高度【答案】 ac 速度选择器、磁流体发电机、霍尔效应和电磁流量计的比较1速度选择器、