高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

电与磁的深入研究和广泛应用,极大地推动了科技进步,还从根本上改变了人们的生活。

如图是静电除尘装置的示意图,烟气从管口$M$进入,从管口$N$排出,当金属丝$A$$B$两端接直流高压电源后,可实现减少排放烟气中粉尘的目的。为提高除尘的效率,$A$端应接直流高压电源的                 (选涂:$\rm A$.正极    $\rm B$.负极),在除尘过程中,粉尘吸附的是空气分子在强电场作用下电离生成的                 (选涂:$\rm A$.阳离子    $\rm B$.电子);

[["$\\rm B$","$\\rm B$"]]

在电场作用下,管道内的空气分子被电离为电子和正离子,而粉尘吸附了电子后附着在金属管壁上,从而达到减少排放烟气中粉尘的目的,由此可知,$A$端与金属丝相连,$A$端应接直流高压电源的负极;

故选:$\rm B$

在除尘过程中,粉尘吸附的是空气分子在强电场作用下电离生成的电子;

故选:$\rm B$

如图(甲)所示,笔记本电脑的显示屏和机身分别装有磁体和霍尔元件,可实现屏幕打开变亮、闭合熄屏的功能。图(乙)为机身内霍尔元件的示意图,其长、宽、高分别为$a$$b$$c$,元件内的导电粒子是自由电子,通入的电流方向向右,强度为$I$。当闭合显示屏时,元件处于垂直于上表面且方向向下的匀强磁场中,稳定后,元件的前后表面间产生电压$U$,以此控制屏幕的熄灭。则此时$(\qquad)$

["

前表面的电势比后表面的低

","

电压$U$的大小与$a$成正比

","

电压$U$的大小与$I$成正比

","

电压稳定后,自由电子受到的洛伦兹力大小为$\\dfrac{eU}{c}$

"]
[["C"]]

$\rm A$.根据左手定则可知,自由电子受到向后的洛伦兹力,则电子打在后表面,后表面的电势比前表面的低,故$\rm A$错误;

$\rm BCD$.达到稳定后,有$evB=e\dfrac{U}{b}$$I=neSv=nevbc$

所以$U=\dfrac{BI}{nec}$

由此可知,电压稳定后,自由电子受到的洛伦兹力大小为$\dfrac{eU}{b}$,电压$U$的大小与$a$无关,与$I$成正比,故$\rm BD$错误,$\rm C$正确;

故选:$\rm C$

如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图。该加速器由靠得很近、间距为$d$且电势差恒定为$U$的平行电极板$M$$N$构成,电场被限制在$MN$板间,虚线之间无电场。某带电量为$q$,质量为$m$的粒子,在板$M$的狭缝$P_{0}$处由静止开始经加速电场加速,后进入$D$形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动,每当回到$P_{0}$处会再次经加速电场加速并进入$D$形盒,直至达到预期速率后,被特殊装置引出。已知$P_{1}$$P_{2}$$P_{3}$分别是粒子在$D$形盒中做第一、第二、第三次圆周运动时,其运动轨迹与虚线的交点,不计粒子重力。求:

①粒子到达$P_{2}$处的速率。

②图中相邻弧间距离$P_{1}P_{2}$$P_{2}P_{3}$的比值。

[["

$\\sqrt{\\dfrac{4qU}{m}}$。②$\\dfrac{\\sqrt{\\text{2}}-\\text{1}}{\\sqrt{\\text{3}}- \\sqrt{\\text{2}}}$

"]]

①粒子每次从极板$M$$N$运动时被电场加速,进入磁场则做匀速圆周运动,速率不变,根据分析,可知粒子到达$P_{2}$处时共被电场加速$2$次,对粒子由静止开始到到达$P_{2}$的过程应用动能定理可得$2qU=\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}-0$

可解得粒子到达$P_{2}$处时的速率$v_{2}=\sqrt{\dfrac{4qU}{m}}$

②根据题意,对粒子经过电场$n$次加速的过程应用由动能定理$nqU=\dfrac{1}{2}mv_{n}^{2}-0$

可获得速率$v_{n}=\sqrt{\dfrac{2nqU}{m}} \propto \sqrt{n}$

粒子以此速率进入匀强磁场后,洛伦兹力提供向心力,做第$n$次匀速圆周运动,有$qv_{n}B=m\dfrac{v_{n}^{2}}{r_{n}}$

可解得粒子在磁场中第$n$次做匀速圆周运动的轨道半径$r_{n}=\dfrac{mv_{n}}{qB}$

则相邻弧间距离$P_{1}P_{2}$$P_{2}P_{3}$的比值$\dfrac{P_{1}P_{2}}{P_{2}P_{3}}=\dfrac{2(r_{2}-r_{1})}{2(r_{3}-r_{2})}=\dfrac{v_{2}-v_{1}}{v_{3}-v_{2}}=\dfrac{\sqrt{2}-1}{\sqrt{3}-\sqrt{2}}$

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