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

质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示。Ⅰ为粒子加速器,加速电压为$U$;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为$E_{1}$,方向沿纸面向下,匀强磁场的磁感应强度大小为$B_{1}$,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分离器,匀强磁场的磁感应强度大小为$B_{2}$,方向垂直纸面向里。从$S$点释放初速度为零的带电粒子(不计重力),加速后进入速度选择器做直线运动、再由$O$点进入分离器做圆周运动,最后打到照相底片的$P$点处,运动轨迹如图中虚线所示。

粒子带正电还是负电?求粒子的比荷;

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带正电,$\\dfrac{E_{1}^{2}}{2UB_{1}^{2}}$

"]]

由于粒子向上偏转,根据左手定则可知粒子带正电;设粒子的质量为$m$,电荷量为$q$,粒子进入速度选择器时的速度为$v_{0}$,在速度选择器中粒子做匀速直线运动,由平衡条件$qv_{0}B_{1}=qE_{1}$

在加速电场中,由动能定理$qU=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

联立解得,粒子的比荷为$\dfrac{q}{m}=\dfrac{E_{1}^{2}}{2UB_{1}^{2}}$

$O$点到$P$点的距离;

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$\\dfrac{4UB_{1}}{E_{1}B_{2}}$

"]]

由洛伦兹力提供向心力$qv_{0}B_{2}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}$

可得$O$点到$P$点的距离为$OP=2r=\dfrac{4UB_{1}}{E_{1}B_{2}}$

若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为$E_{2}$$E_{2}$略大于$E_{1}$),方向不变,粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的$O'$点上。求粒子打在$O'$点的速度大小。

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$\\dfrac{2E_{2}-E_{1}}{B_{1}}$

"]]

粒子进入Ⅱ瞬间,粒子受到向上的洛伦兹力$F_{洛}=qv_{0}B_{1}$

向下的电场力$F=qE_{2}$

由于$E_{2}\gt E_{1}$,且$qv_{0}B_{1}=qE_{1}$

所以通过配速法,如图所示

其中满足$qE_{2}=q(v_{0}+v_{1})B_{1}$

则粒子在速度选择器中水平向右以速度$v_{0}+v_{1}$做匀速运动的同时,竖直方向以$v_{1}$做匀速圆周运动,当速度转向到水平向右时,满足垂直打在速度选择器右挡板的$O'$点的要求,故此时粒子打在$O'$点的速度大小为$v'=v_{0}+v_{1}+v_{1}=\dfrac{2E_{2}-E_{1}}{B_{1}}$

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如图所示,一质量为M的足够长“匚”型金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。质量为m、电阻不计的导体棒PQ平行bc放置在导轨上,PQ左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨单位长度的电阻为R,bc长为L,初始时bc与PQ间距离也为L。分界线ef与bc平行,其左侧有竖直向上的匀强磁场,右侧有水平向左的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨bc段中点,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,PQ与导轨间动摩擦因数为μ,且始终接触良好,则 如图所示,一质量为M的足够长“匚”型金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。质量为m、电阻不计的导体棒PQ平行bc放置在导轨上,PQ左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨单位长度的电阻为R,bc长为L,初始时bc与PQ间距离也为L。分界线ef与bc平行,其左侧有竖直向上的匀强磁场,右侧有水平向左的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨bc段中点,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,PQ与导轨间动摩擦因数为μ,且始终接触良好,则 如图所示,地面附近空间中存在着纸面内沿水平方向的匀强电场(图中未画出)和垂直于纸面向里的匀强磁场。一个带电油滴沿着一条与竖直方向成角的直线运动。以下说法正确的是 如图所示,一质量为、电荷量为的带正电粒子,以某一速度射入电场强度大小为、方向竖直向上的匀强电场与磁感应强度大小为、方向垂直于纸面向里的匀强磁场叠加的区域。粒子还受到阻力作用(为已知常数,为粒子的瞬时速度)。已知粒子在该区域恰做直线运动。不计粒子重力,则该粒子 如图所示,水平放置的两平行金属板间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。一带电粒子(重力不计)从点沿水平方向射入到两板之间,恰好沿直线从点射出。电场强度为,磁感应强度为。下列说法正确的是。 如图所示为由运算芯片和长方体霍尔元件组成的测量磁场的传感器,输出的交变电流经二极管整流后成为恒定电流从霍尔元件的端流入,从端流出。磁感应强度为的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面水平向左,用电压表测得端电压为。已知霍尔元件的载流子为自由电子,单位体积的自由电子数为,电子的电荷量为,霍尔元件沿方向的长度为,下列说法正确的是
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