2025届高考物理一轮总复习第15单元热学热点练11气体实验定律与热力学第一定律的综合应用课件新人教版 (16)

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1.如图所示,一个静止的、质量为m、电荷量为q的粒子(不计重力),经电压U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,随后粒子打至P点。设O、P两点间的距离为x,能够正确反映x与U之间的函数关系的图像是(　　)
2.(多选)某种质谱仪的工作原理示意图如图所示。此质谱仪由以下几部分构成:粒子源N;PQ间电压恒为U的加速电场;静电分析器,即中心线半径为R的四分之一圆形通道,通道内有均匀辐射电场,方向沿径向指向圆心O,且与圆心O等距的各点电场强度大小相等;磁感应强度为B的有界匀强磁场,方向垂直纸面向外。当有粒子打到胶片M上时,可以通过测量位置来推算粒子的比荷,从而分析粒子的种类以及性质。由粒子源N发出的不同种类的带电粒子,经加速电场加速后从小孔S1进入静电分析器,其中粒子a和粒子b恰能沿圆形通道的中心线通过静电分析器,并经小孔S2垂直磁场边界进入磁场,最终打到胶片上,其轨迹分别如图中的S1S2a和S1S2b所示。忽略带电粒子离开粒子源N时的初速度,不计粒子所受重力以及粒子间的相互作用。下列说法正确的是(　　)
A.粒子a可能带负电B.若只增大加速电场的电压U,粒子a可能沿曲线S1c运动C.粒子a经过小孔S1时的速度大于粒子b经过小孔S1时的速度D.粒子a在磁场中运动的时间一定大于粒子b在磁场中运动的时间
解析 由磁场方向及粒子的偏转方向,利用左手定则可确定,该粒子一定带正电,A错误;若只增大加速电场的电压U,粒子进入偏转电场的速度变大,静电力小于所需的向心力,粒子a可能沿曲线S1c运动,B正确;粒子在加速电场中加速,满足 ,在磁场中做匀速圆周运动,满足 ,联立可得 ,由图可知,粒子a的半径r较大,速度v较小,在偏转电场中粒子速度大小不变,故粒子a经过小孔S1时的速度小于粒子b经过小孔S1时的速度,C错误;结合以上分析可知,粒子a在磁场中运动时弧长长,速度小,故粒子a运动时间较长,D正确。
3.(多选)回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用,其原理如图所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒,置于与盒面垂直的匀强磁场中,它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略),它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能Ek后,再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间,则下列说法正确的是(　　)
A.若只增大交变电压U,则质子的最大动能Ek会变大B.若只增大交变电压U,则质子在回旋加速器中运行的时间会变短C.若只将交变电压的周期变为2T,仍可用此装置加速质子D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为
4.一台质谱仪的工作原理如图所示,大量的电荷量为+q、质量为2m的离子飘入电压为U0的加速电场,其初速度忽略不计,经加速后,通过宽为L的狭缝MN沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打到照相底片上。图中虚线为经过狭缝左、右边界M、N时离子的运动轨迹。不考虑离子间的相互作用。
(1)求离子打在底片上的位置到N点的最小距离x;(2)在图中用斜线标出磁场中离子经过的区域,并求该区域最窄处的宽度d。
(2)如图所示,最窄处位于过两虚线交点的垂线上
5.(2023辽宁卷)如图所示,水平放置的两平行金属板间存在匀强电场,板长是板间距离的 倍。金属板外有一圆心为O的圆形区域,其内部存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子沿中线以速度v0水平向右射入两板间,恰好从下板边缘P点飞出电场,并沿PO方向从图中O'点射入磁场。已知圆形磁场区域半径为 ,不计粒子重力。
(1)求金属板间电势差U;(2)求粒子射出磁场时与射入磁场时运动方向间的夹角θ;(3)仅改变圆形磁场区域的位置,使粒子仍从图中O'点射入磁场,且在磁场中的运动时间最长。定性画出粒子在磁场中的运动轨迹及相应的弦,标出改变后的侧形磁场区域的圆心M。
入磁场,故粒子将沿半径方向射出磁场,粒子射出磁场时与射入磁场时运动方向的夹角为θ,则粒子在磁场中运动圆弧轨迹对应的圆心角也为θ,由几何关系可得θ=2α=60°,故粒子射出磁场时与射入磁场时运动方向的夹角为60°。
(3)带电粒子在该磁场中运动的半径与圆形磁场半径关系为r= R,根据几何关系可知,带电粒子在该磁场中运动的轨迹一定为劣弧,故劣弧所对应轨迹圆的弦为磁场圆的直径时粒子在磁场中运动的时间最长。则相对应的运动轨迹和弦以及圆心M的位置如图所示:
6.(2023浙江6月选考)利用磁场实现离子偏转是科学仪器中广泛应用的技术。如图所示,Oxy平面(纸面)的第一象限内有足够长且宽度均为L、边界均平行x轴的区域Ⅰ和Ⅱ,其中区域Ⅰ存在磁感应强度大小为B1的匀强磁场,区域Ⅱ存在磁感应强度大小为B2的磁场,方向均垂直纸面向里,区域Ⅱ的下边界与x轴重合。位于(0,3L)处的离子源能释放出质量为m、电荷量为q、速度方向与x轴夹角为60°的正离子束,沿纸面射向磁场区域。不计离子的重力及离子间的相互作用,并忽略磁场的边界效应。
(1)求离子不进入区域Ⅱ的最大速度v1及其在磁场中的运动时间t。(2)若B2=2B1,求能到达y= 处的离子的最小速度v2。
解析 (1)离子刚好不进入区域Ⅱ的轨迹如图甲所示。根据几何关系得,离子的运动半径为r=2L,偏转角为2θ=120°