适用于新教材2024版高考物理一轮总复习第10章磁场专题提升课13现代科技中的电场与磁场问题课件

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专题概要:带电粒子在组合场、叠加场中的运动规律的应用非常广泛,生产生活及现代科技中的许多仪器都与这些规律密切相关。组合场应用实例主要有质谱仪和回旋加速器等;叠加场应用实例有速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件等。
典例1.(2023内蒙古赤峰模拟)质谱仪可以用来分析同位素。如图所示,带电粒子先经过加速电场,然后进入速度选择器,速度选择器内存在相互垂直、磁感应强度为B的匀强磁场和电场强度为E的匀强电场。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2,平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列说法正确的是(　　)A.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于C.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小D.同一带电粒子,磁感应强度B0越大,粒子打到胶片的位置越靠近狭缝P答案 D
解析 根据带电粒子在磁场中的偏转方向,由左手定则知,该粒子带正电,则在速度选择器中粒子受到的静电力水平向右,洛伦兹力水平向左,根据左手定则知,磁场方向垂直纸面向外,A错误。在速度选择器中,能通过狭缝P的
对点演练1.(多选)(2023四川成都模拟)如图所示,某质谱仪的静电分析器通道中心线半径为R,通道内有均匀辐向电场(方向指向圆心O),中心线处的电场强度大小为E1,磁分析器中分布着方向垂直于纸面向外的匀强磁场,其右边界与静电分析器的左边界平行,由粒子源发出不同种类的带电粒子,其中粒子a和b(初速度为零,重力不计),经加速电场加速后由小孔S1进入静电分析器,恰好做匀速圆周运动,而后经小孔S2垂直磁场边界进入磁分析器,最终打在胶片M上,a和b的运动轨迹如图所示。
下列说法正确的是(　　)A.a和b均带负电,图中P板电势低于Q板电势B.加速电场的电压U=ERC.a经过S1时的速度小于b经过S1时的速度D.a的比荷小于b的比荷答案 CD
1.构造:如图所示,D1、D2是半圆形金属盒,D形盒的缝隙处接交变电流,D形盒处于匀强磁场中。2.原理:①交变电流周期和粒子做圆周运动的周期相等;②使粒子每经过一次D形盒缝隙,粒子被加速一次。
典例2.某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示,图乙为俯视图。回旋加速器的核心部分为两个D形盒,分别为D1、D2。D形盒装在真空容器里,整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中,磁场可以认为是匀强磁场,且与D形盒底面垂直。两盒间的狭缝很小,带电粒子穿过狭缝的时间可以忽略不计。D形盒的半径为R,磁场的磁感应强度为B。质子从粒子源O处进入加速电场的初速度不计,质子质量为m、电荷量为+q。加速器接入一定频率的高频交变电压,加速电压为U。不考虑相对论效应和重力作用。
(1)质子在回旋加速器中运动时,随轨迹半径r的增大,同一D形盒中相邻轨迹的半径之差Δr如何变化?为什么?(2)若使用这台回旋加速器加速α粒子,需要如何改造?答案 (1)Δr随r增大而减小,理由见解析(2)见解析
对点演练2.(2022山东临沂模拟)回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,如图所示,它的核心部分是两个D形金属盒,两盒相距很近,分别和高频交流电源相连接,两盒间的窄缝中形成匀强电场,使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面,带电粒子在磁场中做圆周运动,通过两盒间的窄缝时反复被加速,直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。
如果用同一回旋加速器分别加速氚核 ,比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小,有(　　)A.加速α粒子的交流电源的周期较大B.加速氚核和α粒子的交流电源的周期一样大C.α粒子获得的最大动能较大D.氚核和α粒子获得的最大动能一样大答案 C
3.(2022广东茂名模拟)回旋加速器在科学研究和医学方面都有着重要的应用。回旋加速器的工作原理如图甲所示,置于真空中的D形金属盒的半径为R,两盒间的狭缝间距为d(d≪R),D形盒处于方向与盒面垂直、磁感应强度大小为B的匀强磁场中,加在狭缝间的交变电压如图乙所示,U0为已知量。质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从A点飘入狭缝(初速度忽略不计),加速后从D形盒出口处射出,不计粒子重力及相互间作用力,忽略相对论效应的影响。
(1)求交变电压的周期。(2)若不考虑带电粒子在电场中运动的时间,粒子从飘入狭缝至射出D形盒所需的时间为多少?(3)若考虑带电粒子在电场中运动的时间,在0~ 时间内从A处连续均匀地飘入狭缝的粒子中能一直加速从D形盒射出的粒子所占的比例为多少(粒子在电场中的加速时间极短)?
解析 (1)交变电压的周期与带电粒子在磁场中运动的周期相等,则由洛伦兹力提供向心力可知
典例3.(多选)质谱仪的前端是速度选择器,如图所示,一束带电粒子(不计重力)从左端水平射入后,部分粒子沿直线从右端水平射出,则下列说法正确的是(　　)A.射出的带电粒子一定带负电B.速度选择器的上极板一定带正电
解析 假设粒子带正电,根据左手定则可知,粒子所受洛伦兹力向上,为使粒子沿直线通过速度选择器,粒子所受静电力应向下,故速度选择器的上极板带正电。同理,假设粒子带负电,则洛伦兹力和静电力都改变方向,仍可得到上极板带正电。速度选择器的上极板带正电,且入射粒子所受的静电力和洛伦兹力等大,粒子就能从右端水平射出,与粒子的电性无关,A错误,B正确;由带电粒子受力平衡可知qE=qvB,解得v= ,C正确;若带电粒子的入射速度v> ,则qvB>qE,若粒子带正电,则粒子将向上偏转,若粒子带负电,则粒子将向下偏转,D错误。
对点演练4.磁流体发电的原理如图所示,将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中,在相距为d、宽为a、长为b的两平行金属板间便产生电压。如果把上、下板和电阻R连接,上、下板就是一个直流电源的两极。若稳定时等离子体在两板间均匀分布,电阻率为ρ,忽略边缘效应,下列判断正确的是(　　)
解析 等离子体是由大量正、负离子组成的气体状物质,根据左手定则可知,正离子受到的洛伦兹力向下,负离子受到的洛伦兹力向上,所以下板为正极;当磁流体发电机达到稳定状态时,极板间的离子受力平衡,满足qvB=
5.某电气设备和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件,电气设备正常工作;当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件,屏幕熄灭,电气设备进入休眠状态。如图所示,一块宽为a、厚为b、长为c的矩形半导体霍尔元件,元件内的导电粒子是电荷量为q的自由电荷,单位体积内自由电荷的个数为n,通入方向向右的电流I。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中,磁感应强度为B。于是元件的前、后表面间出现电压U,以此控制屏幕的熄灭。则元件的(　　)A.前、后表面的电势的高、低与q的正负无关B.前、后表面间的电压U与c有关