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- 2021-05-27 发布
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专题10 磁场
1.(2012天津卷).如图所示,金属棒MN两端由等长的轻质细线水平悬挂,处于竖直向上的匀强磁场中,棒中通以由M向N的电流,平衡时两悬线与竖直方向夹角均为θ,如果仅改变下列某一个条件,θ角的相应变化情况是( )
A.棒中的电流变大,θ角变大
B.两悬线等长变短,θ角变小
C.金属棒质量变大,θ角变大
D.磁感应强度变大,θ角变小
答案A.
解析:水平的直线电流在竖直磁场中受到水平的安培力而偏转,与竖直方向形成夹角,此时它受拉力、重力和安培力而达到平衡,根据平衡条件有,所以棒子中的电流增大θ角度变大;两悬线变短,不影响平衡状态,θ角度不变;金属质量变大θ角度变小;磁感应强度变大θ角度变大.
2.(2012全国理综)质量分别为m1和m2、电荷量分别为q1和q2的两粒子在同一匀强磁场中做匀速圆周运动,已知两粒子的动量大小相等.下列说法正确的是
A.若q1=q2,则它们作圆周运动的半径一定相等
B.若m1=m2,则它们作圆周运动的周期一定相等
C. 若q1≠q2,则它们作圆周运动的半径一定不相等
D. 若m1≠m2,则它们作圆周运动的周期一定不相等
答案:AC
解析:根据半径公式及周期公式知AC正确.
3.(2012全国理综).如图,两根互相平行的长直导线过纸面上的M、N两点,且与纸面垂直,导线中通有大小相等、方向相反的电流.a、o、b在M、N的连线上,o为MN的中点,c、d位于MN的中垂线上,且a、b、c、d到o点的距离均相等.关于以上几点处的磁场,下列说法正确的是
A.o点处的磁感应强度为零
B.a、b两点处的磁感应强度大小相等,方向相反
C.c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同
D.a、c两点处磁感应强度的方向不同
解析:A错误,两磁场方向都向下,不能 ;a、b两点处的磁感应强度大小相等,方向相同,B错误;c、d两点处的磁感应强度大小相等,方向相同,C正确;c、d两点处的磁感应强度方向相同,都向下,D错误.
答案:C
4.(2012海南卷).空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场,图中的正方形为其边界.一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从O点入射.这两种粒子带同种电荷,它们的电荷量、质量均不同,但其比荷相同,且都包含不同速率的粒子.不计重力.下列说法正确的是
A.入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同
B. 入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同
C.在磁场中运动时间相同的粒子,其运动轨迹一定相同
D.在磁场中运动时间越长的粒子,其轨迹所对的圆心角一定越大
答案:BD
解析:在磁场中半径 运动时间:(θ为转过圆心角),故BD正确,当粒子从O点所在的边上射出的粒子时:轨迹可以不同,但圆心角相同为1800,因而AC错
5.(2012广东卷).质量和电量都相等的带电粒子M和N,以不同的速度率经小孔S垂直进入匀强磁场,运行的半圆轨迹如图2种虚线所示,下列表述正确的是
A.M带负电,N带正电
B.M的速度率小于N的速率
C.洛伦磁力对M、N做正功
D.M的运行时间大于N的运行时间
答案:A
解析:根据左手定则可知N带正电,M带负电,A正确;因为r=mv/Bq,而M的半径大于N的半径,所以M的速率大于N的速率,B错;洛伦兹力永不做功,所以C错;M和N的运行时间都为t=πm/Bq,所以D错.
6.(2012北京高考卷).处于匀强磁场中的一个带电粒子,仅在磁场力作用下做匀速圆周运动.将该粒子的运动等效为环形电流,那么此电流值
A.与粒子电荷量成正比
B.与粒子速率成正比
C.与粒子质量成正比
D.与磁感应强度成正比
答案:D
解析:由电流概念知,该电流是通过圆周上某一个位置(即某一截面)的电荷量与所用时间的比值.若时间为带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T,则公式I=q/T中的电荷量q即为该带电粒子的电荷量.又T =2πm/qB,解出I=q2B/2πm.故选项D正确.
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A
B
O
C
●
7.(2012安徽卷). 如图所示,圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,一个带电粒子以速度从点沿 直径方向射入磁场,经过时间从点射出磁场,与成60°角.现将带电粒子的速度变为/3,仍从点沿原方向射入磁场,不计重力,则粒子在磁场中的运动时间变为 ( )
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A
B
O
C
●
O'
●
O''
D
A. B.2
C. D.3
答案:B
解析:根据作图法找出速度为v时的粒子轨迹圆圆心
O',由几何关系可求出磁场中的轨迹弧所对圆心角∠A O'C=60°,轨迹圆半径,当粒子速度变为v/3时,其轨迹圆半径,磁场中的轨迹弧所对圆心角∠A O''D=120°,由知,故选B.
8.(2012山东卷).(18分)如图甲所示,相隔一定距离的竖直边界两侧为相同的匀 强磁场区,磁场方向垂直纸面向里,在边界上固定两长为L的平行金属极板MN和PQ,两极板中心各有一小孔、,两极板间电压的变化规律如图乙所示,正反向电压的大小均为,周期为.在时刻将一个质量为、电量为()的粒子由静止释放,粒子在电场力的作用下向右运动,在时刻通过垂直于边界进入右侧磁场区.(不计粒子重力,不考虑极板外的电场)
(1)求粒子到达时德 速度大小和极板距离.
(2)为使粒子不与极板相撞,求磁感应强度的大小
应满足的条件.
(3)若已保证了粒子未与极板相撞,为使粒子在时刻再次到达,且速度恰好为零,求该过程中粒子在磁场内运动的时间和磁感强度的大小
解析:
(1)粒子由至的过程中,根据动能定理得
由式得
设粒子的加速度大小为,由牛顿第二定律得
由运动学公式得
联立式得
(2)设磁感应强度大小为B,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R,由牛顿第二定律得
要使粒子在磁场中运动时不与极板相撞,须满足
联立式得
(3)设粒子在两边界之间无场区向左匀速运动的过程用时为,有
联立式得
若粒子再次达到时速度恰好为零,粒子回到极板间应做匀减速运动,设匀减速运动的时间为,根据运动学公式得
联立式得
设粒子在磁场中运动的时间为
联立式得
设粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期为T,由式结合运动学公式得
由题意得
联立式得
9.(2012四川卷).(20分)
如图所示,水平虚线X下方区域分布着方向水平、垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,整个空间存在匀强电场(图中未画出).质量为m,电荷量为+q的小球P静止于虚线X上方A点,在某一瞬间受到方向竖直向下、大小为I的冲量作用而做匀速直线运动.在A点右下方的磁场中有定点O,长为l的绝缘轻绳一端固定于O点,另一端连接不带电的质量同为m的小球Q,自然下垂.保持轻绳伸直,向右拉起Q,直到绳与竖直方向有一小于50的夹角,在P开始运动的同时自由释放Q,Q到达O点正下方W点时速率为v0.P、Q两小球在W点发生正碰,碰后电场、磁场消失,两小球粘在一起运动.P、Q两小球均视为质点,P小球的电荷量保持不变,绳不可伸长,不计空气阻力,重力加速度为g.
(1)求匀强电场场强E的大小和P进入磁场时的速率v;
(2)若绳能承受的最大拉力为F,要使绳不断,F至少为多大?
(3)求A点距虚线X的距离s.
解析:
(1)设小球P所受电场力为F1,则F1=qE ①
在整个空间重力和电场力平衡,有Fl=mg ②
联立相关方程得 E=mg/q ③
设小球P受到冲量后获得速度为v,由动量定理得I=mv ④
得 v=I/m ⑤
说明:①②③④⑤式各1分.
(2)设P、Q同向相碰后在W点的最大速度为vm,由动量守恒定律得
mv+mv0=(m+m)vm ⑥
此刻轻绳的张力也为最大,由牛顿运动定律得F-(m+m)g=vm2 ⑦
联立相关方程,得 F=()2+2mg ⑧
说明:⑥⑦式各2分,⑧式1分.
(3)设P在肖上方做匀速直线运动的时间为h,则 tP1= ⑨
设P在X下方做匀速圆周运动的时间为tP2,则
tP2= ⑩
设小球Q从开始运动到与P球反向相碰的运动时间为tQ,由单摆周期性,有
11
由题意,有 tQ=tP1+ tP2 12
联立相关方程,得
n为大于的整数 13
设小球Q从开始运动到与P球同向相碰的运动时间为tQ´,由单摆周期性,有
14
同理可得
n为大于的整数 15
10.(2012全国新课标).(18分)
如图,一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面(纸面).在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场,一质量为m、电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域,在圆上的b点离开该区域,离开时速度方向与直线垂直.圆心O到直线的距离为.现将磁场换为平等于纸面且垂直于直线的匀强电场,同一粒子以同样速度沿直线在a点射入柱形区域,也在b点离开该区域.若磁感应强度大小为B,不计重力,求电场强度的大小.
解析:粒子在磁场中做圆周运动,设圆周的半径为r,由牛顿第二定律和洛仑兹力公式得
① 式中v为粒子在a点的速度.
过b点和O点作直线的垂线,分别与直线交于c和d点.由几何关系知,线段、和过a、b两点的轨迹圆弧的两条半径围成一正方形.因此, ②
设=x,由几何关系得 ③ ④
联立式得 ⑤
再考虑粒子在电场中的运动.设电场强度的大小为E,粒子在电场中做类平抛运动.设其加速度大小为a,由牛顿第二定律和带电粒子在电场中受力公式得
⑥
粒子在电场方向和直线方向所走的距离均为r,由运动学公式得
⑦ vt ⑧
式中t是粒子在电场中运动的时间,联立式得 ⑨
11.(2012上海卷).(13分)载流长直导线周围磁场的磁感应强度大小为B=kI/r, 式中常量k>0,I为电流强度,r为距导线的距离.在水平长直导线MN正下方,矩形线圈abcd通以逆时针方向的恒定电流,被两根轻质绝缘细线静止地悬挂,如图所示.开始时MN内不通电流,此时两细线内的张力均为T0.当MN通以强度为I1的电流时,两细线内的张力均减小为T1,当MN内电流强度变为I2时,两细线内的张力均大于T0.
(1)分别指出强度为I1、I2的电流的方向;
(2)求MN分别通以强度为I1、I2的电流时,线框受到的安培力F1与F2大小之比;
(3)当MN内的电流强度为I3时两细线恰好断裂,在此瞬间线圈的加速度大小为a,求I3.
解析:
(1)I1方向向左,I2方向向右,
(2)当MN中通以电流I时,线圈所受安培力大小为F=kIiL(-),F1:F2=I1:I2,
(3)2T0=G,2T1+F1=G,F3+G=G/ga,I1:I3=F1:F3=(T0-T1)g /(a-g)T0,I3=(a-g)T0I1/(T0-T1)g,
12.(2012江苏卷).如图所示,MN是磁感应强度B匀强磁场的边界,一质量为m、电荷量为q粒子在纸面内从O点射入磁场,若粒子速度为v0,最远可落在边界上的A点,下列说法正确的有
A.若粒子落在A点的左侧,其速度一定小于v0
B.若粒子落在A点的右侧,其速度一定大于v0
C.若粒子落在A点左右两侧d的范围内,其速度不可能小于
D.若粒子落在A点左右两侧d的范围内,其速度不可能大于
答案:BC
解析:当粒子以速度垂直于MN进入磁场时,最远,落在A点,若粒子落在A点的左侧,速度不一定小于,可能方向不垂直,落在A点的右侧,速度一定大于,所以A错误,B正确;若粒子落在A点的右侧处,则垂直MN进入时,轨迹直径为,即,已知,解得,不垂直MN进时,,所以C正确,D错误.
y
l
l
l
-U1
U2
m +q
U0
U0
o0
+0
-0
o
x
z
待测区域
A
13.(2012江苏卷).(16分)如图所示,待测区域中存在匀强电场与匀强磁场,根据带电粒子射入时的受力情况可推测其电场和磁场,图中装置由加速器和平移器组成,平移器由两对水平放置、相距为l的相同平行金属板构成,极板长度为l,问距为d,两极板间偏转电压大小相等,电场方向相反,质量为m、电荷量为+q的粒子经加速电压U0加速后,水平射入偏转电压为U1的平移器,最终从A点水平射入待测区域,不考虑粒子受到的重力.
(1)求粒子射出平移器时的速度大小v1;
(2)当加速电压变为4U0时,欲使粒子仍从A点射入待测区域,求此时的偏转电压U;
(3)已知粒子以不同速度水平向右射入待测区域,刚进入时的受力大小均为F,现取水平向右为x轴正方向,建立如图所示的直角坐标系oxyz,保持加速电压U0不变,移动装置使粒子沿不同的坐标轴方向射入待测区域,粒子刚射入时的受力大小如下表所示,请推测该区域中电场强度与磁感应强度的大小及可能的方向
射入方向
y
-y
z
-z
受力大小
解析:(1)设粒子射出加速器的速度为, 动能定理
由题意得,即
(2)在第一个偏转电场中,设粒子的运动时间为:
加速度的大小 ,
在离开时,竖直分速度
竖直位移 水平位移
粒子在两偏转电场间做匀速直线运动,经历时间也为
竖直位移
由题意知,粒子竖直总位移,解得
则当加速电压为时,
(3)由沿轴方向射入时的受力情况可知:B平行于轴,且
由沿轴方向射入时的受力情况可知:与平面平行.
,则 且
解得
设电场方向与轴方向夹角为,
若B沿轴方向,由沿轴方向射入时的受力情况得
解得,或
即E与平面平行且与轴方向的夹角为300或1500,
同理若B沿轴方向,E与平面平行且与轴方向的夹角为-300或-1500.
14.(2012重庆卷).(18分)有人设计了一种带电颗粒的速率分选装置,其原理如题24图所示.两带电金属板间有匀强电场,方向竖直向上,其中PQNM矩形区域内还有方向垂直纸面向外的匀强磁场.一束比荷(电荷量与质量之比)均为1/k的带正电颗粒,以不同的速率沿着磁场区域的中心线O进入两金属板之间,其中速率为v0的颗粒刚好从Q点处离开磁场,然后做匀速直线运动到达收集板.重力加速度为g,PQ=3d,NQ=2d,收集板与NQ的距离为,不计颗粒间相互作用,求
⑴电场强度E的大小
⑵磁感应强度B的大小
⑶速率为λv0(λ>1)的颗粒打在收集板上的位置到O点的距离.
解析:⑴设带电颗粒的电量为q,质量为m 有
将q/m=1/k代入得
⑵如答24图1,有
得
⑶如答24图2有
得