2024-2025学年高中物理课时分层作业18洛伦兹力与现代技术含解析粤教版选修3-1

PAGE8-洛伦兹力与现代技术(时间：40分钟分值：100分)一、选择题(本题共6小题，每小题6分)1．质量分别为m1和m2、电荷量分别为q1和q2的两粒子在同一匀强磁场中做匀速圆周运动．已知两粒子的动量大小相等．下列说法正确的是()A．若q1＝q2，则它们做圆周运动的半径肯定相等B．若m1＝m2，则它们做圆周运动的周期肯定相等C．若q1≠q2，则它们做圆周运动的周期肯定不相等D．若m1≠m2，则它们做圆周运动的周期肯定不相等A[粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力供应向心力，由牛顿其次定律得qvB＝meq\f(v2,r)，解得r＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(p,qB)，由题意可知：粒子动量p相等、磁感应强度B相等，若q1＝q2，则两粒子轨道半径相等，故A正确；粒子在磁场中做圆周运动的周期T＝eq\f(2πm,qB)，若m1＝m2，由于不知两粒子电荷量关系，假如两粒子电荷量相等，则粒子做圆周运动的周期相等，假如两粒子电荷量不相等，则两粒子做圆周运动的周期不相等，故B错误；粒子在磁场中做圆周运动的周期T＝eq\f(2πm,qB)，若q1≠q2，只要两粒子的比荷相等，则粒子做圆周运动的周期相等，故C、D错误．]2．如图所示，水平导线中有电流I通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流I的方向相同，则电子将()A．沿路径a运动，轨迹是圆B．沿路径a运动，轨迹半径越来越大C．沿路径a运动，轨迹半径越来越小D．沿路径b运动，轨迹半径越来越小B[水平导线在导线下方产生的磁场方向垂直纸面对外，由左手定则可推断电子运动轨迹向下弯曲，又由r＝eq\f(mv,qB)知，B减小，r越来越大，故电子的径迹是a.故选B.]3．(多选)质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子的质量．其工作原理如图所示，虚线为某粒子的运动轨迹，由图可知()A．此粒子带负电B．若只增大加速电压U，则半径r变大C．若只增大入射粒子的质量，则半径r变小D．x越大，则粒子的质量与电荷量之比肯定越大BD[由题图结合左手定则可知，该粒子带正电，故A错误；依据动能定理得，qU＝eq\f(1,2)mv2，由qvB＝meq\f(v2,r)得，r＝eq\r(\f(2mU,qB2))，若只增大加速电压U，则半径r变大，故B正确；若只增大入射粒子的质量，则半径也变大，故C错误；x＝2r＝2eq\r(\f(2mU,qB2))，x越大，则eq\f(m,q)越大，D正确．]4.质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场．如图所示为质谱仪的原理图，设想有一个静止的质量为m、带电荷量为q的带电粒子(不计重力)，经电压为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的偏转磁场中，带电粒子打究竟片上的P点，设OP＝x，则在图中能正确反映x与U之间的函数关系的是()B[可通过解析式确定图象形态，依据动能定理qU＝eq\f(1,2)mv2可知，v＝eq\r(\f(2qU,m))，粒子在磁场中偏转，洛伦兹力供应向心力，qvB＝meq\f(v2,R)，所以R＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，x＝2R＝eq\f(2,B)eq\r(\f(2mU,q))，即x∝eq\r(U)，B正确．]5.如图所示，有界匀强磁场边界线SP∥MN，速度不同的同种带电粒子从S点沿SP方向同时射入磁场，其中穿过a点的粒子速度v1与MN垂直，穿过b点的粒子，其速度方向与MN成60°角，设两粒子从S到a、b所需的时间分别为t1、t2，则t1∶t2为()A．1∶3 B．4∶3C．1∶1 D．3∶2D[画出运动轨迹，过a点的粒子转过90°，运动时间为t1＝eq\f(T,4)；过b点的粒子转过60°，运动时间t2＝eq\f(T,6)，故t1∶t2＝3∶2，故选项D正确．]6．两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1>U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止起先运动，设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则()A．t1<t2，Ek1>Ek2 B．t1＝t2，Ek1<Ek2C．t1<t2，Ek1＝Ek2 D．t1>t2，Ek1＝Ek2C[粒子在磁场中做匀速圆周运动，由R＝eq\f(mv,qB)，Ekm＝eq\f(1,2)mv2可知，粒子获得的最大动能只与磁感应强度和D形盒的半径有关，所以Ek1＝Ek2；设粒子在加速器中绕行的圈数为n，则Ek＝2nqU，由以上关系可知n与加速电压U成反比，由于U1>U2，则n1<n2，而t＝nT，T相同，所以t1<t2，故C正确，A、B、D错误．]二、非选择题(14分)7.如图所示，一个质量为m，电荷量为－q，不计重力的带电粒子从x轴上的P(a，0)点以速度v，沿与x轴正方向成60°角的方向射入第一象限内的匀强磁场中，并恰好垂直于y轴射出第一象限，求：(1)匀强磁场的磁感应强度B；(2)穿过第一象限的时间．[解析](1)作出带电粒子做圆周运动的圆心和轨迹，由图中几何关系知：Rcos30°＝a，得R＝eq\f(2\r(3)a,3)Bqv＝meq\f(v2,R)，得B＝eq\f(mv,qR)＝eq\f(\r(3)mv,2qa).(2)带电粒子在第一象限内运动时间t＝eq\f(120°,360°)·eq\f(2πm,qB)＝eq\f(4\r(3)πa,9v).[答案](1)eq\f(\r(3)mv,2qa)(2)eq\f(4\r(3)πa,9v)一、选择题(本题共4小题，每小题6分)1．如图为洛伦兹力演示仪的结构图．励磁线圈产生的匀强磁场方向垂直纸面对外，电子束由电子枪产生，其速度方向与磁场方向垂直．电子速度大小可通过电子枪的加速电压来限制，磁场强弱可通过励磁线圈的电流来调整．下列说法正确的是()A．仅增大励磁线圈的电流，电子束径迹的半径变大B．仅提高电子枪的加速电压，电子束径迹的半径变大C．仅增大励磁线圈的电流，电子做圆周运动的周期将变大D．仅提高电子枪的加速电压，电子做圆周运动的周期将变大B[电子在加速电场中加速，由动能定理有eU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) ①电子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，有eBv0＝meq\f(veq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)),r) ②解得r＝eq\f(mv0,eB)＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,e)) ③T＝eq\f(2πm,eB) ④可见增大励磁线圈中的电流，电流产生的磁场增加，由③式可得，电子束的轨道半径变小．由④式知周期变小，故A、C错误；提高电子枪加速电压，电子束的轨道半径变大，周期不变，故B正确，D错误．]2.如图，半径为R的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面(纸面)，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面对里．一电荷量为q(q>0)、质量为m的粒子(不计重力)沿平行于直径ab的方向射入磁场区域．若粒子射出磁场时与射入磁场时运动方向间的夹角为90°，则粒子入射的速度大小为()A.eq\f(qBR,2m) B．eq\f(qBR,m)C．eq\f(2qBR,m) D．eq\f(4qBR,m)B[带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，画出运动轨迹示意图，如图所示，依据几何关系知，粒子运动的轨迹圆的半径为r＝R ①依据洛伦兹力供应向心力，有qvB＝meq\f(v2,r)得r＝eq\f(mv,qB) ②联立①②得v＝eq\f(qBR,m)，故B正确，A、C、D错误．]3.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量．让氢元素三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场．加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中．氢的三种同位素最终打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”．则下列推断正确的是()A．进入磁场时速度从大到小排列的依次是氕、氘、氚B．进入磁场时动能从大到小排列的依次是氕、氘、氚C．在磁场中运动时间由大到小排列的依次是氕、氘、氚D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的依次是氕、氘、氚A[氢元素的三种同位素离子均带正电，电荷量大小均为e，经过加速电场，由动能定理有eU＝Ek＝eq\f(1,2)mv2，故进入磁场中的动能相同，且质量越大的离子速度越小，A项正确，B项错误；三种离子进入磁场后，洛伦兹力充当向心力，evB＝meq\f(v2,R)，解得R＝eq\f(mv,eB)＝eq\f(\r(2meU),eB)，可知，质量越大的离子做圆周运动的半径越大，D项错误；在磁场中运动时间均为半个周期，故t＝eq\f(1,2)T＝eq\f(πm,eB)，可知离子质量越大运动时间越长，C项错误．]4.如图所示，由Oa、Ob、Oc三个铝制薄板互成120°角匀称分开的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个匀强磁场区域，其磁感应强度分别用B1、B2、B3表示．现有带电粒子自a点垂直Oa板沿逆时针方向射入磁场中，带电粒子完成一周运动，假设带电粒子穿过铝质薄板过程中电荷量不变，在三个磁场区域中的运动时间之比为1∶3∶5，轨迹恰好是一个以O为圆心的圆，不计粒子重力，则()A．磁感应强度B1∶B2∶B3＝1∶3∶5B．磁感应强度B1∶B2∶B3＝5∶3∶1C．其在b、c处穿越铝板所损失的动能之比为25∶2D．其在b、c处穿越铝板所损失的动能之比为27∶5C[带电粒子在磁场中运动的时间为t＝eq\f(θ,2π)T在各个区域的圆心角均为θ＝eq\f(2,3)π依据洛伦兹力供应向心力可得qvB＝meq\f(v2,r)可得粒子在磁场中运动的周期T＝eq\f(2πr,v)＝eq\f(2πm,qB)所以t＝eq\f(2πm,3qB)，故B＝eq\f(2πm,3qt)，又因为m、q均为定值在三个区域的磁感应强度之比为B1∶B2∶B3＝15∶5∶3，故A、B错误；三个区域的磁场半径相同，为r＝eq\f(mv,qB)，又因为动能Ek＝eq\f(1,2)mv2联立可得Ek＝eq\f(q2B2r2,2m)，因为q、m和r均相同，故三个区域中运动的动能之比为Ek1∶Ek2∶Ek3＝Beq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))∶Beq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2))∶Beq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(3))＝225∶25∶9设比例中的每一份为k，则在b处穿越铝板所损失的动能为ΔEk1＝225k－25k＝200k在c处穿越铝板所损失的动能为ΔEk2＝25k－9k＝16k在b、c处穿越铝板所损失的动能之比为ΔEk1∶ΔEk2＝25∶2，故C正确，D错误．]二、非选择题(26分)5.(13分)如图所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为电场和磁场的志向边界，一束电子(电量为e，质量为m，重力不计)由静止状态从P点经过Ⅰ、Ⅱ间的电场加速后垂直到达边界Ⅱ的Q点，匀强磁场的磁感应强度为B，磁场边界宽度为d，电子从磁场边界Ⅲ穿出时的速度方向与电子原来的入射方向夹角为30°.求：(1)电子在磁场中运动的时间t；(2)若变更PQ间的电势差，使电子刚好不能从边界Ⅲ射出，则此时PQ间的电势差U是多少？[解析](1)由洛伦兹力供应向心力可得evB＝eq\f(mv2,R)，且T＝eq\f(2πR,v)得电子在磁场中运动周期T＝eq\f(2πm,eB)由几何关系知电子在磁场中运动时间t＝eq\f(30°,360°)T＝eq\f(1,12)T＝eq\f(πm,6eB).(2)电子刚好不从边界Ⅲ穿出时轨迹与边界相切，运动半径为R＝d由evB＝meq\f(v2,R)得v＝eq\f(eBd,m)电子在PQ间由动能定理得eU＝eq\f(1,2)mv2－0解得U＝eq\f(eB2d2,2m).[答案](1)eq\f(πm,6eB)(2)eq\f(eB2d2,2m)6．(13分)回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m，电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压的大小为U0.周期T＝eq\f(2πm,qB).一束该种粒子在t＝0～eq\f(T,2)时间内从A处匀称地飘入狭缝，其初速度视为零．现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用．求：(1)出射粒子的动能Em；(2)粒子从飘入狭缝至动能达到Em所需的总时间t0.[解析](1)粒