高考物理总复习 第十章 第二单元 第5课 复合场中的STS题型探究

一、单项选择题1.如图所示为速度选择器示意图，下列判断中正确的是()A．所选带电粒子的速度与粒子的电性有关B．所选带电粒子的速度与粒子的比荷有关C．所选带电粒子的速度与电场强度和磁感应强度有关D．所选带电粒子的速度与从哪一端射入无关2.如图所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A、B束，下列说法中正确的是()A．组成A、B束的离子都带负电B．组成A、B束的离子质量一定不同C．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外D．A束离子的比荷eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(q,m)))大于B束离子的比荷3.如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置．其核心部分是两个D型金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连．要求高频电源的周期与粒子在D型盒中运动周期相同．下列说法中正确的()A．粒子加速获得的动能来源于磁场B．粒子加速获得的动能来源于电场C．粒子做圆周运动的周期与磁场无关D．粒子获得的最大动能与磁场无关4.磁流体发电机可以把气体的内能直接转化为电能，是一种低碳环保发电机，有着广泛的发展前景．其发电原理示意图如图所示，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的微粒，整体上呈电中性)喷射入磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场区域有两块面积为S，相距为d的平行金属板与外电阻R相连构成一电路，设气流的速度为v，气体的电导率(电阻率的倒数)为g.则()A．两板间电势差为U＝BdvB．上板是电源的正极，下板是电源的负极C．流经R的电流为I＝eq\f(Bdv,R)D．流经R的电流为I＝eq\f(BdvS,gSR＋d)二、双项选择题5.如图所示是粒子速度选择器的原理图，如果粒子所具有的速率v＝eq\f(E,B)，那么()A．带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区，才能沿直线通过B．带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区，才能沿直线通过C．不论粒子电性如何，沿ab方向从左侧进入场区，都能沿直线通过D．不论粒子电性如何，沿ba方向从右侧进入场区，都能沿直线通过6.如图所示为一电磁流量计，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左流动．导电液体中的自由电荷(负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，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间的电势差就保持稳定，则()A．电势a高b低 B．电势b高a低C．流量Q＝eq\f(πdU,4B) D．流量Q＝eq\f(4B,πdU)7.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是()A．增大匀强电场间的加速电压B．增大磁场的磁感应强度C．增加周期性变化的电场的频率D．增大D形金属盒的半径8.(2011·佛山一模)1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的同一束带电粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是()A．粒子带负电B．速度选择器的P1极板带正电C．速度选择器的P1极板带负电D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小9.在质谱仪的示意图中，从离子源S产生的正离子经过狭缝S1和S2之间的加速电场，进入离子速度选择器．P1P2之间的电场强度为E，磁感应强度为B1.离子由S3射入磁感应强度为B2的匀强磁场区域．由于各种离子运动的轨道半径R不同，故分别射到底片上的不同位置，形成各自的谱线．如果要使氘核的谱线离S3的距离增大为原来的2倍，可以()A．将B2减小为原来的1/2B．将B2增大为原来的2倍C．将B1减小为原来的1/2D．将E减小为原来的1/2三、非选择题10．如图所示，加速电场的电压为U，速度选择器的电场强度为E，磁感应强度为B.一带正电粒子(不计重力)，从静止开始由加速电场加速之后从速度选择器的左端中点垂直射入，恰好能沿直线通过速度选择器，则该带电粒子的比荷为多少？11．如图所示，一台回旋加速器，忽略带电粒子在电场中运动的时间，当电场的电压和磁感强度一定时，可把质子(eq\o\al(1,1)H)加速到最大动能为Ek.那么，这台回旋加速器，能把α粒子(eq\o\al(4,2)He)加速到最大动能为多少？12．如图所示，两个同心圆，半径分别为r和2r，在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.圆心O处有一放射源，放出粒子的质量为m，带电量为q，假设粒子速度方向都和纸面平行．(1)图中箭头表示某一粒子初速度的方向，OA与初速度方向夹角为60°，要想使该粒子经过磁场第一次通过A点，则初速度的大小是多少？(2)要使粒子不穿出环形区域，则粒子的初速度不能超过多少？

参考答案1．解析：根据左手定则及电场力的判断方法，无论带何种电荷，都必须从左端射入速度选择器．而能被选择的带电粒子必须做匀速直线运动，有qvB＝qE.即符合v＝eq\f(E,B)的粒子就能被选，与电性、比荷无关．答案：C2．解析：A与B两束离子由速度选择器进入磁场后，由左手定则可判断出A、B两束离子均带正电；离子在速度选择器中做匀速直线运动，两离子带正电，所受电场力与场强方向一致，水平向右，洛伦兹力必水平向左，且与电场力等大：Bqv＝qE⇒v＝eq\f(E,B)，由左手定则可得速度选择器中的磁场方向应垂直于纸面向里；两离子进入磁场后做匀速圆周运动，观察可得圆周运动半径不同，依据r＝eq\f(mv,Bq)可得两离子的比荷不等，A束离子的圆周运动的半径较小，则比荷大于B束离子．答案：D3．解析：洛伦兹力不做功，没有电场加速，带电粒子就没有获得动能，故选项B正确选项A错误；由T＝eq\f(2πm,qB)，故周期与磁场有关，选项C错误；由Ekn＝eq\f(qBr2,2m)可知粒子获得的最大动能与磁场有关，选项D错误．答案：B4．解析：等离子体喷射入磁场后，在洛伦兹力F1＝qBv的作用下正离子向上偏，负离子向下偏，则上板是电源的正极，下板是电源的负极，B正确；两板间形成向下的电场，正、负离子将受到电场力F2＝qeq\f(U,d)，阻碍其偏转，假设外电路断路，则qBv＝qeq\f(U,d)，即U＝Bdv为电源电动势，A错误．电源内阻为r＝ρeq\f(d,S)＝eq\f(d,gS)，由闭合电路欧姆定律得I＝eq\f(Bdv,R＋r)＝eq\f(BdvSg,gSR＋d)，C、D错误．(等效思维法)答案：B5．答案：AC(发散思维法)6．解析：由于流动的是负离子，所以用左手定则判断时指尖要指向右，这样就知道负离子受到向上的洛伦兹力而聚在a上，b因感应会相应出现正电荷，电势b高a低，选项B正确；由qvB＝qE＝qeq\f(U,d)，可得v＝eq\f(U,Bd)，流量Q＝Sv＝eq\f(πd2,4)eq\f(U,Bd)＝eq\f(πdU,4B)，故选项C正确．答案：BC7．解析：粒子最后射出时的旋转半径为D形盒的最大半径R，R＝eq\f(mv,qB)，Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(q2B2R2,2m).可见，要增大粒子射出时的动能，应增大磁感应强度B和增大D形盒的半径R，故正确答案为B、D.答案：BD8．解析：从纯磁场中可判断粒子带正电；在速度选择器中可判断洛伦兹力向上，则电场力向下，则P1板带正电；根据qvB1＝qE和R＝eq\f(mv,qB2)知R＝eq\f(mE,qB1B2)可知在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小．答案：BD9．解析：在B2区域，根据R＝eq\f(mv,qB2)，要R→2R，则B2→B2/2，选项A正确．或使离子离开加速电场板S2时的速度为v→2v；在离子速度选择器中，根据qvB1＝qE，得v＝eq\f(E,B1)，即B1→B1/2，选项C正确．(说明：调节B1→B1/2涉及同时调节加速电场的电压U→4U)答案：AC10．解析：设带电粒子的电量为q，质量为m，在加速电场中加速得到的最大速度为v，根据动能定理，有：qU＝eq\f(1,2)mv2.①带电粒子在速度选择器中所受的洛伦兹力等于电场力，从而做匀速直线运动，有：qvB＝qE.②①②联立解得：eq\f(q,m)＝eq\f(E2,2UB2).答案：eq\f(E2,2UB2)11．解析：带电粒子在磁场中，根据洛伦兹力等于向心力，有：qvB＝meq\f(v2,R)，得v＝eq\f(qBR,m).把它代入Ek＝eq\f(1,2)mv2，得Ek＝eq\f(qBR2,2m).由于B、R一定，故v∝eq\f(q,m)，Ek∝eq\f(q2,m).故α粒子(eq\o\al(4,2)He)加速到最大动能也为Ek.答案：Ek12．解析：(1)如图所示，设粒子在磁场中的轨道半径为R1，则由几何关系得R1＝eq\f(\r(3)r,3)，又qv1B＝meq\f(v\o\al(2,1),R1)得v1＝eq\f(\r(3)Bqr,3m).(2)设粒子轨