2010届高考物理总复习 磁场--五年高考题荟萃 2009年高考新题(3)

2019-04-01 19:57

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考点:带电粒子在匀强电场、匀强磁场中的运动。

18.(09年福建卷)22.(20分)图为可测定比荷的某装置的简化示意图,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口,在Y上安放接收器,现将一带正电荷的粒子以v=3.5×10m/s的速率从P处射入磁场,若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M处被观测到,且运动轨迹半径恰好最小,设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。 (1)求上述粒子的比荷

4

-3

q; m(2)如果在上述粒子运动过程中的某个时刻,在第一象限内再加一个匀强电场,就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动,求该匀强电场的场强大小和方向,并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场;

(3)为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子,在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内,求此矩形磁场区域的最小面积,并在图中画出该矩形。 答案(1)

q=4.9×107C/kg(或5.0×107C/kg);(2)t?7.9?10?6s ; (3)S?0.25m2 m解析:第(1)问本题考查带电粒子在磁场中的运动。第(2)问涉及到复合场(速度选择器模型)第(3)问是带电粒子在有界磁场(矩形区域)中的运动。

(1)设粒子在磁场中的运动半径为r。如图甲,依题意M、P连线即为该粒子在磁场中作匀速圆周运动的直径,由几何 r?

由洛伦兹力提供粒子在磁场中作匀速圆周运动的向心力,可得

关系得

2L ① 2v2 qvB?m ②

r联立①②并代入数据得

q77=4.9×10C/kg(或5.0×10C/kg) ③ m(2)设所加电场的场强大小为E。如图乙,当粒子子经过Q点时,速度沿y轴正方向,

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依题意,在此时加入沿x轴正方向的匀强电场,电场力与此时洛伦兹力平衡,则有 qE?qvB ④ 代入数据得

E?70N/C ⑤

所加电场的长枪方向沿x轴正方向。由几何关系可知,圆弧PQ所对应的圆心角为45°,设带点粒子做匀速圆周运动的周期为T,所求时间为t,则有

450T ⑥ t?0360

联立①⑥⑦并代入数据得 t?7.9?10?6s ⑧

(3)如图丙,所求的最小矩形是MM1P1P,该区域面积

T?2?r ⑦ v

S?2r2 ⑨ 联立①⑨并代入数据得 S?0.25m2

矩形如图丙中MM1P1P(虚线)

19.(09年浙江卷)25.(22分)如图所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上。在

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xOy平面内有与y轴平行的匀强电场,在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场。在圆的左边放置一带电微粒发射装置,它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q(q>0)和初速度v的带电微粒。发射时,这束带电微粒分布在0

(1)从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域,并从坐标原点O沿y轴负方向离开,求点场强度和磁感应强度的大小和方向。 (2)请指出这束带电微粒与x轴相交的区域,并说明理由。

(3)若这束带电微粒初速度变为2v,那么它们与x轴相交的区域又在哪里?并说明理由。

答案:(1)x>0。

解析:本题考查带电粒子在复合场中的运动。

带电粒子平行于x轴从C点进入磁场,说明带电微粒所受重力和电场力平衡。设电场强度大小为E,由

mg?qE 可得 E?方向沿y轴正方向。

带电微粒进入磁场后,将做圆周运动。 且 r=R

如图(a)所示,设磁感应强度大小为B。由

mv;方向垂直于纸面向外;(2)见解析;(3)与x同相交的区域范围是qRmg qmv2 qvB?

R得 B?方向垂直于纸面向外

(2)这束带电微粒都通过坐标原点。

方法一:从任一点P水平进入磁场的带电微粒在磁场中做半径为R

mv qR

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的匀速圆周运动,其圆心位于其正下方的Q点,如图b所示,这束带电微粒进入磁场后的圆心轨迹是如图b的虚线半圆,此圆的圆心是坐标原点为。

方法二:从任一点P水平进入磁场的带电微粒在磁场中做半径为R的匀速圆周运动。如图b示,高P点与O′点的连线与y轴的夹角为θ,其圆心Q的坐标为(-Rsinθ,Rcosθ),圆周运动轨迹方程为

?x?Rsin??2??y?Rcos??2?R2

得

x=0 x=-Rsinθ y=0 或 y=R(1+cosθ) (3)这束带电微粒与x轴相交的区域是x>0

带电微粒在磁场中经过一段半径为r′的圆弧运动后,将在y同的右方(x>0)的区域离开磁场并做匀速直线运动,如图c所示。靠近M点发射出来的带电微粒在突出磁场后会射向x同正方向的无穷远处国靠近N点发射出来的带电微粒会在靠近原点之处穿出磁场。所以,这束带电微粒与x同相交的区域范围是x>0.

20.(09年江苏卷)14.(16分)1932年,劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示,置于高真空中的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以忽略不计。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子,质量为m、电荷量为+q ,在加速器中被加速,加速电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。

(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比; (2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t;

(3)实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm,试讨论粒子能获得的最大动能E㎞。 解析:(1)设粒子第1次经过狭缝后的半径为r1,速度为v1 qu=

1mv12 2v12qv1B=m

r1

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解得 r1?1B2mU q1B4mU q同理,粒子第2次经过狭缝后的半径 r2?则 r2:r1?2:1

(2)设粒子到出口处被加速了n圈

12mv2v2qvB?m R2?mT?qBt?nT2nqU?解得 t??BR22U

(3)加速电场的频率应等于粒子在磁场中做圆周运动的频率,即f?当磁场感应强度为Bm时,加速电场的频率应为fBm?粒子的动能

qB 2?mqBm 2?mEK?12mv 2当fBm≤fm时,粒子的最大动能由Bm决定

2vmqvmBm?m

R22q2BmR?

2m解得Ekm当fBm≥fm时,粒子的最大动能由fm决定

vm?2?fmR

解得 Ekm?2?mfmR

21.(09年江苏物理)15.(16分)如图所示,两平行的光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上,导轨间距为l、足够长且电阻忽略不计,导轨平面

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