2020年高考物理《带点粒子在组合场中的运动规律》专项练习及答案解析.doc

高考物理带点粒子在组合场中的运动规律专项练习1.(多选)(2018江西省名校联盟高三教学质量检测)如图所示是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源两端相连。现分别加速质子(H)和氘核(H)。下列说法中正确的是()A它们的最大速度相同B质子的最大动能大于氘核的最大动能C加速质子和氘核所用高频电源的频率相同D仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能【答案】：BD【解析】：设质子质量为m，电荷量为q，则氘核质量为2m，电荷量为q，它们的最大速度分别为v1和v2，选项A错误；质子的最大动能Ek1，氘核的最大动能Ek2，选项B正确；高频电源的频率与粒子在磁场中的回旋频率相同，即f1，f2，所以加速质子和氘核所用高频电源的频率不相同，选项C错误；被加速的粒子的最大动能与高频电源的电压无关，所以仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能，选项D正确。2.如图所示的电路中，电源电动势为E、内阻为r，两平行金属板间有匀强磁场开关S闭合后，当滑动变阻器滑片位于图示位置时，一带正电粒子恰好以速度v匀速穿过两板若不计重力，以下说法正确的是 ( )A 如果将开关断开，粒子将继续沿直线运动B 保持开关闭合，将a极板向下移动一点，粒子将向下偏转C 保持开关闭合，将滑片P向上滑动一点，粒子将可能从下极板边缘射出D 保持开关闭合，将滑片P向下滑动一点，粒子将可能从下极板边缘射出【答案】BD【解析】A.若开关断开，则电容器与电源断开，而与R形成通路，电荷会减小，故两板间的电场强度要减小，故所受电场力减小，粒子不会做直线运动，故A错误；B.保持开关闭合，将a极板向下移动一点，板间距离减小，电压不变，由E=U/d可知，板间场强增大，因为粒子带正电，则粒子所受电场力向下，洛仑兹力向上，带电粒子受电场力变大，则粒子将向下偏转，故B正确；C.由图可知a板带正电，b板带负电；带电粒子带正电，则受电场力向下，洛仑兹力向上，原来二力应大小相等，物体才能做匀速直线运动；若滑片向上滑动，则滑动变阻器接入电阻减小，则电路中电流增大，定值电阻及内阻上的电压增大，则由闭合电路的欧姆定律可知R两端的电压减小，故电容器两端的电压减小，则由E=U/d可知，所受极板间电场强度小，则所受电场力减小，故粒子一定向上偏转，不可能从下极板边缘射出，故C错误；D.若滑片向下滑动，则滑动变阻器接入电阻增大，则电路中电流减小，定值电阻及内阻上的电压减小，则由闭合电路的欧姆定律可知R两端的电压增大，故电容器两端的电压增大，则由E=U/d可知，所受极板间电场强度增大，则所受电场力增大，故粒子将向下偏转，可能从下极板边缘飞出，故D正确。故选BD。3.(多选)(2018西安地区八校高三年级联考)如图为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成，若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外，一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点，不计粒子重力，下列说法中正确的是()A极板M比极板N电势高B加速电场的电压UERC直径PQ2BD若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该群粒子具有相同的比荷【答案】：AD【解析】：由左手定则可知，粒子带正电，而粒子在M、N间被加速，所以M板的电势高于N板，A正确；根据电场力提供向心力，则有qEm，又粒子在加速电场中运动，有qUmv2，从而解得U，B错误；根据洛伦兹力提供向心力，有qvBm，结合上式可知，PQ2r，若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点说明运动的直径相同，由于磁感应强度、电场强度与静电分析器的半径不变，则该群粒子具有相同的比荷，C错误，D正确。4.如图所示，一个质量为m的带电小球从M点自由下落，M点距场区水平边界PQ的高度为h，边界PQ下方有方向竖直向下、大小为E的匀强电场，同时还有垂直于纸面的大小为B的匀强磁场。小球从边界上的a点进入复合场后，恰能做匀速圆周运动，并从边界上的b点穿出。重力加速度为g，不计空气阻力，则下列说法正确的是（ ）A 小球带负电，电荷量大小B 匀强磁场方向垂直于纸面向外C 小球从a运动到b的过程中，小球的电势能先减小后增大D 小球在复合场中做匀速圆周运动的半径R=【答案】AD【解析】因小球在复合场中做匀速圆周运动，故电场力和重力平衡，电场力向上，故粒子带负电；由Eq=mg可知，q=，故A正确；由图可知，圆周运动的圆心在上方，故洛仑兹力向上，由左手定则可知，磁场向里，故B错误；小球从a到b的过程中，电场力先做负功再做正功，故电势能先增大后减小，故C错误；粒子进入混合场时的速度由机械能守恒得：v=； 由Bqv=可得，半径； 故D正确；故选AD。5.如图所示为两平行金属极板P、Q，在P、Q两极板上加直流电压U0，极板Q的右侧有一个边长为L的正方形匀强磁场区域abcd，匀强磁场的磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里P极板上中心O处有一粒子源，可发射出初速度为零、比荷为k的带电粒子，Q极板中心有一小孔，可使粒子射出后垂直磁场方向从a点沿对角线ac方向进入匀强磁场区域，则下列说法正确的是()A 如果带电粒子恰好从d点射出，则满足U0kB2L2B 如果带电粒子恰好从b点射出，则粒子源发射的粒子可能带负电C 带电粒子在匀强磁场中运动的速度为D 带电粒子在匀强磁场中运动的轨迹半径为【答案】ACD【解析】当带电粒子恰好从d点射出时，根据图中几何关系可知，轨道半径rL. 设带电粒子射入磁场时速度为v，由qvBm，解得v；由qU0mv2，解得U0kB2L2，选项A正确；由左手定则可知，如果带电粒子恰好从b点射出，则粒子源发射的粒子一定带正电，选项B错误；由qU0mv2，解得，选项C正确；由qvBm，解得，选项D正确；故选ACD6.(多选)(2019内蒙古包头市模拟)如图是磁流体发电机的装置，a、b组成一对平行电极，两板间距为d，板平面的面积为S，内有磁感应强度为B的匀强磁场。现持续将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的微粒，而整体呈中性)，垂直磁场喷入，每个离子的速度为v，负载电阻阻值为R，当发电机稳定发电时，负载中电流为I，则()Aa板电势比b板电势低B磁流体发电机的电动势EBdvC负载电阻两端的电压大小为BdvD两板间等离子体的电阻率【答案】：BD【解析】：参看磁流体发电机的装置图，利用左手定则可知，正、负微粒通过发电机内部时，带正电微粒向上偏，带负电微粒向下偏，则知a板电势比b板电势高，所以A错误；当发电机稳定发电时，对微粒有F洛F电，即Bqvq，得电动势EBdv，所以B正确；闭合电路欧姆定律有URUrE，又EBdv，则负载电阻两端的电压UR<Bdv，所以C错误；由闭合电路欧姆定律有I，由电阻定律有r，得，所以D正确。7.日本福岛核电站的核泄漏事故，使碘的同位素131被更多的人所了解利用质谱仪可分析碘的各种同位素如图所示，电荷量均为q的碘131和碘127质量分别为m1和m2，它们从容器A下方的小孔S1进入电压为U的加速电场(入场速度忽略不计)经电场加速后从S2小孔射出，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片上下列说法正确的是A 磁场的方向垂直于纸面向里B 碘131进入磁场时的速率为C 碘131与碘127在磁场中运动的时间差值为D 打到照相底片上的碘131与碘127之间的距离为【答案】BD【解析】A、根据粒子带正电，结合左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，故A错误；B、由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，解得：，故B正确；C、根据周期公式，因运动的时间t为周期的一半，则有：在磁场中运动的时间差值为： ，故C错误；D、由洛伦兹力提供向心力，粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为R，则有，即，由此可得它们的距离之差,故D正确；故选BD。8.如图所示为磁流体发电机的原理图金属板M、N之间的距离为d20 cm，磁场的磁感应强度大小为B5 T，方向垂直纸面向里现将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，整体呈中性)从左侧喷射入磁场，发现在M、N两板间接入的额定功率为P100 W的灯泡正常发光，且此时灯泡电阻为R100 ，不计离子重力和发电机内阻，且认为离子均为一价离子，则下列说法中正确的是( )A 金属板M上聚集负电荷，金属板N上聚集正电荷B 该发电机的电动势为100 VC 每秒钟有6.251018个离子打在金属板N上D 离子从左侧喷射入磁场的初速度大小为103 m/s【答案】BC【解析】A、由左手定则知正离子向上偏转，所以M带正电，A错误；D、发电机所接灯泡正常发光，由功率可知，因电源不计内阻，则灯泡的电压即为电动势，故B正确。C、根据欧姆定律可知，由电流的定义可知，则每秒种打在板上的粒子个数为，故C正确。D、两板间电压稳定时满足：，所以，解得粒子的飞行速度为，故D错误。故选BC。9.(多选)如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。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下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是()A质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于D粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小【答案】：ABC【解析】：质谱仪是分析同位素的重要工具，A正确。在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向，结合左手定则可知B正确。由qEqvB可得v，C正确。粒子在平板S下方的匀强磁场中做匀速圆周运动的半径R，所以，D错误。10.（2017新课标全国卷）如图，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上（与纸面平行），磁场方向垂直于纸面向里，三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等，质量分别为ma、mb、mc。已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是A B C D 【答案】B【解析】由题意知，mag=qE，mbg=qE+Bqv，mcg+Bqv=qE，所以，故B正确，ACD错误。【名师点睛】三种场力同时存在，做匀速圆周运动的条件是mag=qE，两个匀速直线运动，合外力为零，重点是洛伦兹力的方向判断。11.如图所示，速度选择器中存在着相互正交的磁感应强度大小为B的匀强磁场和电场强度大小为E的匀强电场。一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过速度选择器后从狭缝P进入另一磁感应强度大小为B的匀强磁场，最后打在平板S的D1D2上，不计粒子重力，则( )A 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B 通过狭缝P的带电粒子速度为C 打在D1、D2处的粒子在磁场B中运动的时间都相同D 带电粒子打在平板S上的位置越靠近P,粒子的比荷越大【答案】D【解析】A、根据带电粒子在磁感应强度为的匀强磁场中的运动轨迹可判断粒子带正电，带电粒子在速度选择器中受到的电场力方向向上，受到的洛伦兹力方向向下，磁场方向垂直纸面向外，故A错误；B、能通过狭缝P的带电粒子在速度选择器中受到的电场力与洛伦兹力等大反向，由可知，带电粒子速度为，故B错误；C、由洛伦兹力充当粒子做圆周运动的向心力可得，则，可知半径不同粒子的比荷不同；打在平板S上的粒子在磁感应强度为的磁场中都只运动半个周期，周期，则比荷不同，打在D1、D2上的粒子在磁感应强度为的磁场中的运动时间不同，故C错误；D、由，知越靠近狭缝P，r越小，粒子的比荷越大，故D正确；故选D。12.(2016全国乙卷15)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为()A11B12 C121 D144【答案】：D【解析】：带电粒子在加速电场中运动时，有qUmv2，在磁场中偏转时，其半径r，由以上两式整理得：r 。由于质子与一价正离子的电荷量相同，B1B2112，当半径相等时，解得：144，选项D正确。13.如图所示,在平面内，有一电子源持续不断地沿正方向每秒发射出N个速率均为的电子，形成宽为2b，在轴方向均匀分布且关于轴对称的电子流。电子流沿方向射入一个半径为R，中心位于原点O的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直xOy平面向里，电子经过磁场偏转后均从P点射出，在磁场区域的正下方有一对平行于轴的金属平行板K和A，其中K板与P点的距离为d，中间开有宽度为且关于轴对称的小孔。K板接地，A与K两板间加有正负、大小均可调的电压，穿过K板小孔到达A板的所有电子被收集且导出，从而形成电流。已知，电子质量为m，电荷量为e，忽略电子间相互作用。 （1）求磁感应强度B的大小；（2）求电子从P点射出时与负轴方向的夹角的范围；（3）当时，每秒经过极板K上的小孔到达极板A的电子数；【答案】（1），（2）60o,（3）【解析】由题意可以知道是磁聚焦问题，即（1）轨道半径R=r 根据 解得：（2）运动轨迹图如下上端电子从P点射出时与负y轴最大夹角，由几何关系 解得： 同理下端电子从p点射出与负y轴最大夹角也是600 所以电子从P点射出时与负轴方向的夹角的范围： （3）进入小孔的电子速度与y轴间夹角正切值大小为： 解得： 此时对应的能够进入平行板内电子长度为 ，根据几何关系知： 设每秒能到达A板的电子数为n，则由比例关系知： 解得： 14.(2016江苏单科15)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，电压值的大小为U0，周期T。一束该种粒子在t0时间内从A处均匀地飘入狭缝，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；(3)要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件。【答案】：(1) (2) (3)d<【解析】：(1)粒子运动半径为R时qvBm且Emmv2解得Em(2)粒子被加速n次达到动能Em，则EmnqU0粒子在狭缝间做匀加速运动，设n次经过狭缝的总时间为t加速度a匀加速直线运动ndat2由t0(n1)t，解得t0(3)只有在0时间内飘入的粒子才能每次均被加速，则所占的比例为由>99%，解得d<15.如图所示，在平面直角坐标系xOy中，第一象限内存在正交的匀强电、磁场，电场强度E140 N/C；第四象限内存在一方向向左的匀强电场E2 N/C。一质量为m2103 kg带正电的小球，从点M(3.64 m,3.2 m)以v01 m/s的水平速度开始运动。已知小球在第一象限内做匀速圆周运动，从点P(2.04 m,0)进入第四象限后经过y轴上的点N(0，2.28 m)(图中未标出)。(g取10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8)求：(1)匀强磁场的磁感应强度B；(2)小球由P点运动到N点的时间。【答案】：(1)2 T(2)0.6 s【解析】：(1)由题意可知qE1mg，得q5104 C。分析如图，Rcos xMxP，Rsin RyM，可得R2 m，37。由qv0B，得B2 T。(2)小球进入第四象限后受力分析如图，tan 0.75。可知小球进入第四象限后所受电场力和重力的合力与速度方向垂直，即37。由几何关系可得lNQ0.6 m。由lNQv0t，解得t0.6 s。或：Fma，得a m/s2，由几何关系得lPQ3 m，由lPQat2，解得t0.6 s。