(新高考)高考物理一轮复习课时加练第11章 微专题70 磁场对运动电荷(带电体)的作用 (含解析)
展开微专题70 磁场对运动电荷(带电体)的作用
1.电荷在磁场中运动且速度方向与磁场方向不平行时,才受洛伦兹力作用.2.判断洛伦兹力的方向应用左手定则,注意负电荷所受洛伦兹力方向的判定.3.安培力可以做功,但洛伦兹力对运动电荷不做功.
1.太阳风(含有大量高能质子与电子)射向地球时,地磁场改变了这些带电粒子的运动方向,从而使很多粒子到达不了地面.另一小部分粒子则可能会在两极汇聚从而形成炫丽的极光.赤道上空P处的磁感应强度为B=3.5×10-5 T,方向由南指向北,假设太阳风中的一质子以速度v=2×105 m/s竖直向下运动穿过P处的地磁场,如图所示.已知质子电荷量为q=1.6×10-19 C,此时该质子受到的洛伦兹力( )
A.方向向北 B.方向向南
C.方向向东 D.大小为11.2 N
答案 C
解析 假设太阳风中的一质子以速度v=2×105 m/s竖直向下运动穿过P处的地磁场,地磁场方向由南指向北,根据左手定则知质子受到的洛伦兹力方向向东,当速度与磁场方向垂直时,则由F=Bqv,代入数据,解得:F=3.5×10-5×2×105×1.6×10-19 N=1.12×10-18 N,故C正确,A、B、D错误.
2.(多选)(2023·安徽合肥市模拟)如图甲所示,一个质量为m、电荷量为q的带正电圆环,可在水平的、足够长的绝缘粗糙细杆上滑动,细杆处于磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场中.现给圆环水平向左的初速度v0,在以后的运动过程中,圆环运动的v-t图像如图乙所示,重力加速度大小为g,下列说法正确的是( )
A.初速度v0满足v0>
B.初速度v0满足v0<
C.圆环克服摩擦力做的功为mv02
D.圆环克服摩擦力做的功为mv02-
答案 AD
解析 洛伦兹力大于重力,则竖直方向上受力分析可得:FN=qv0B-mg,则水平方向受到的滑动摩擦力为:Ff=μFN=μ(qv0B-mg),由图像可知刚开始运动时Ff>0,即qv0B>mg,得v0>,故A正确,B错误.根据牛顿第二定律Ff=ma,联立可得:a=;由于速度越来越小,则洛伦兹力越来越小,当洛伦兹力等于重力时,竖直方向上压力FN=0,则滑动摩擦力Ff=0,圆环开始匀速运动,此时由mg=qv′B,得v′=;设此过程中圆环克服摩擦力做的功为Wf,根据动能定理-Wf=mv′2-mv02;联立解得Wf=mv02-,故C错误,D正确.
3.(多选)如图所示,两个倾角分别为30°和60°的绝缘光滑斜面固定于水平地面上,都处于方向垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中.两个质量均为m、带电荷量均为+q的小滑块甲和乙分别从两个斜面顶端由静止释放,运动一段时间后,两小滑块都将飞离斜面,在此过程中( )
A.甲滑块飞离斜面瞬间的速度比乙滑块飞离斜面瞬间的速度大
B.甲滑块在斜面上运动的时间比乙滑块在斜面上运动的时间短
C.两滑块在斜面上运动的过程中,重力的平均功率相等
D.甲滑块在斜面上运动的位移与乙滑块在斜面上运动的位移大小相同
答案 AC
解析 滑块沿斜面运动时,垂直斜面方向有FN+qvB=mgcos θ,可知当v越大时,FN越小,当FN=0,即当速度达到vm=后,滑块就将飞离斜面,所以斜面角度越小,飞离斜面瞬间的速度越大,故A正确;根据牛顿第二定律得mgsin θ=ma,可知在斜面上滑块都是做匀加速运动,且加速度不变,所以运动时间t===,所以斜面角度越小,在斜面上运动的时间越长,故B错误;重力的平均功率PG=mg===,可知两种情况重力的平均功率相等,故C正确;在斜面上运动的位移为L==,可知甲的位移大于乙的位移,故D错误.
4.如图所示,半径为R的光滑半圆弧绝缘轨道固定在竖直面内,磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直轨道平面向里.一可视为质点、质量为m、电荷量为q(q>0)的小球由轨道左端A处无初速度滑下,当小球滑至轨道最低点C时,给小球施加一始终水平向右的外力F,使小球能保持不变的速率滑过轨道右侧的D点.若小球始终与轨道接触,重力加速度为g,则下列判断正确的是( )
A.小球在C点受到的洛伦兹力大小为qB
B.小球在C点对轨道的压力大小为3mg-qB
C.小球从C到D的过程中,外力F大小保持不变
D.小球从C到D的过程中,外力F的功率不变
答案 B
解析 小球从A到C,洛伦兹力不做功,由动能定理得mgR=mvC2,则vC=,在C点,F洛=qvCB=qB,选项A错误;在C点,FC-mg+F洛=,解得FC=3mg-qB,由牛顿第三定律知,选项B正确;小球从C到D的过程中,所受合力指向圆心,对小球进行受力分析如图所示,则mgsin θ=Fcos θ,F=mgtan θ,θ增大,则F增大,选项C错误;小球从C到D的过程中,动能不变,合力做功为零,洛伦兹力与支持力不做功,外力F做正功,重力做负功,外力的功率与重力的功率大小相等,运动过程中,速度在竖直方向的分量增大,重力的功率增大,所以外力F的功率也增大,选项D错误.
5.如图所示,虚线MN将平面分成Ⅰ和Ⅱ两个区域,两个区域都存在与纸面垂直的匀强磁场.一带电粒子仅在磁场力作用下由Ⅰ区运动到Ⅱ区,弧线aPb为运动过程中的一段轨迹,其中弧aP与弧Pb的弧长之比为2∶1,且两段圆弧对应圆心角相同,不计带电粒子重力,下列判断正确的是( )
A.Ⅰ、Ⅱ两个磁场的磁感应强度方向相反,大小之比为1∶2
B.该粒子在Ⅰ、Ⅱ两个磁场中的磁场力大小之比为1∶1
C.该粒子通过aP、Pb两段弧的时间之比为1∶1
D.弧aP与弧Pb对应的圆的半径之比为3∶1
答案 A
解析 粒子在磁场中只受洛伦兹力作用,洛伦兹力提供向心力,故有Bvq=,可得r=,根据粒子偏转方向相反可得:Ⅰ、Ⅱ区域两个磁场的磁感应强度方向相反,因为=θ,故弧aP与弧Pb对应的圆的半径之比==2∶1,洛伦兹力不做功,所以粒子速率不变,由以上分析可得B1∶B2=r2∶r1=1∶2,故A正确,D错误;由F=qvB,F1∶F2=B1∶B2=1∶2,故B错误,由t=,可知粒子通过aP、Pb两段弧的时间之比为2∶1,故C错误.
6.(多选)两个带正电的粒子,以相同大小的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动,已知它们的质量之比为m甲∶m乙=2∶1、带电荷量之比为q甲∶q乙=1∶3.不计粒子重力和粒子之间的相互作用,下列说法正确的是( )
A.粒子做圆周运动的轨道半径之比为R甲∶R乙=1∶6
B.粒子做圆周运动的周期之比为T甲∶T乙=6∶1
C.粒子做圆周运动的角速度大小之比为ω甲∶ω乙=3∶2
D.粒子做圆周运动的加速度大小之比为a甲∶a乙=1∶6
答案 BD
解析 由于带电粒子均做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力可得qvB=m,推出R=,又因为两者速度大小相等,质量之比m甲∶m乙=2∶1,电荷量之比q甲∶q乙=1∶3,故R甲∶R乙=6∶1,选项A错误;由圆周运动周期计算公式T=可得周期T=,代入数据可得T甲∶T乙=6∶1,选项B正确;由圆周运动角速度与周期关系ω=可得ω甲∶ω乙=1∶6,选项C错误;由洛伦兹力提供向心力可得qvB=ma,故a甲∶a乙=1∶6,选项D正确.
7.(多选)(2023·青海省模拟)如图所示,acd是半径为r的半圆,圆心为O,dfh是半径为2r的四分之一圆弧,两圆弧相切于d点,空间有垂直于纸面向外的匀强磁场B.从粒子源a射出的质量为m的粒子x沿圆弧acd运动,经时间t1与静置于d点的质量为4m的靶粒子y发生正碰,碰撞时间很短,碰撞后结合成一个粒子z,粒子z沿圆弧dfh经过时间t2第一次到达h点.不计其他作用,则( )
A.y带负电
B.x和z的速率之比为5∶2
C.x和z的电荷量之比为2∶1
D.t1∶t2=2∶5
答案 AC
解析 粒子碰撞过程满足动量守恒,可得mxv1=(mx+my)v2=mzv2,故==,B错误;由洛伦兹力提供向心力可得qvB=m,解得R=,碰撞前后动量不变,可知粒子x与z的电荷量与轨迹半径成反比,半径之比为1∶2,解得qx∶qz=2∶1,根据左手定则及粒子运动轨迹的偏转方向可知,x与z均带正电,由于z的电荷量较小,可知y带负电,A、C正确;粒子的运动周期为T==,粒子x与z的质量比为1∶5,电荷量之比为2∶1,可知周期比为1∶10,粒子运动时间为t=T,x粒子运动轨迹对应圆心角为180°(用时周期),z粒子运动轨迹对应圆心角为90°(用时周期),联立解得t1∶t2=1∶5,D错误.
8.(多选)如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直xOy平面向外.某时刻一个质子从点(L0,0)处沿y轴负方向进入磁场;一个α粒子同时从点(-L0,0)进入磁场,速度方向在xOy平面内.设质子的质量为m、电荷量为e,不计质子与α粒子的重力和它们之间的相互作用.如果α粒子第一次到达原点时恰能与质子相遇,已知质子和α粒子都带正电,且α粒子的质量是质子质量的4倍,α粒子带的电荷量是质子的2倍,则( )
A.质子的速度大小为
B.质子的速度大小为
C.两粒子相遇时,α粒子的运动时间可能是
D.两粒子相遇时,α粒子的运动时间可能是
答案 BC
解析 质子的运动轨迹如图所示.
其圆心在x=处,其半径R=,质子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得evB=m,解得v=,故A错误,B正确;质子在磁场中做匀速圆周运动的周期TH==,同理,α粒子的周期是质子周期的2倍;由于α粒子第一次到达原点时恰能与质子相遇,故相遇时质子可能运动了半个周期,也有可能运动了一个半周期.如果相遇时质子只运动了半个周期,则质子的运动时间为t=TH=,如果质子运动了一个半周期相遇,则质子的运动时间为t′=TH=×=,两个粒子在原点相遇,则它们运动的时间一定相同,故α粒子的运动时间可能是t=或t′=,故C正确,D错误.
9.(2023·辽宁丹东市模拟)如图所示,空间存在一范围足够大的垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.让质量为m、电荷量为+q的粒子在xOy平面内从坐标原点O沿不同方向、以不同的速度大小入射到该磁场中.(不计粒子重力及粒子间的影响)
(1)若粒子沿y轴正方向入射,恰好能经过坐标为(d,d)的P点,求粒子沿y轴正方向入射时速度的大小;
(2)若粒子在坐标原点O的速度大小为v0 (v0>),为使该粒子能经过Q (d,0)点,此速度对应的入射角θ(粒子初速度与x轴正方向的夹角)有几个,并求出对应的正弦值.
答案 (1) (2)2个
解析 (1)粒子沿y轴正方向入射并经过P点,如图所示
由图中几何关系可得R1+R1cos 60°=d
解得R1=
由洛伦兹力提供向心力qvB=m
解得v=
(2)如图所示,O、Q两点处于同一圆周上,且圆心在x=的直线上,半径为R,
当给定一个初速率v0 (v0>)时,有2个入射角满足题意要求,分别在第一、二象限,即sin θ=sin θ′=
另有qv0B=m
解得sin θ=sin θ′=.
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