高中 | 动能定理解决多过程问题 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理解决多过程问题

某同步加速器简化模型如图所示,其中仅直通道$PQ$内有加速电场,三段圆弧内均有可调的匀强偏转磁场$B$。带电荷量为$−q$、质量为$m$的离子以初速度$v_{0}$$P$处进入加速电场后,沿顺时针方向在加速器内循环加速。已知加速电压为$U$,磁场区域中离子的偏转半径均为$R$。忽略离子重力和相对论效应,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

偏转磁场的方向垂直纸面向里

","

$1$次加速后,离子的动能增加了$2qU$

","

$k$次加速后。离子的速度大小变为$\\dfrac{\\sqrt{m^{2}v_{0}^{2}+kqUm}}{m}$

","

$k$次加速后,偏转磁场的磁感应强度大小应为$\\dfrac{\\sqrt{m^{2}v_{0}^{2}-2kqUm}}{qR}$

"]
[["A"]]

$\rm A$.直线通道$PQ$有电势差为$U$的加速电场,粒子带负电,粒子沿顺时针方向运动,由左手定则可知,偏转磁场的磁感应强度方向垂直纸面向里,故$\rm A$正确;

$\rm BC$.根据题意,由动能定理可知,加速一次后,带电粒子的动能增量为$qU$,由于洛伦兹力不做功,则加速$k$次后,带电粒子的动能增量为$kqU$,加速$k$次后,由动能定理有$kqU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

解得$v=\sqrt{v_{0}^{2}+\dfrac{2kqU}{m}}=\dfrac{\sqrt{m^{2}v_{0}^{2}+2kqUm}}{m}$

$\rm BC$错误;

$\rm D$.粒子在偏转磁场中运动的半径为$R$,则有$qvB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

联立解得$B=\dfrac{mv}{qR}=\dfrac{m}{qR}\sqrt{v_{0}^{2}+\dfrac{2kqU}{m}}=\dfrac{\sqrt{m^{2}{v_{0}}^{2}+2kmqU}}{qR}$

$\rm D$错误。

故选:$\rm A$

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某同学参照过山车情景设计了如图所示的模型:光滑的竖直圆轨道半径,入口的平直轨道和出口的平直轨道均是粗糙的,质量为的小滑块(可视为质点)与水平轨道之间的动摩擦因数均为,滑块从点由静止开始受到水平拉力的作用,在点撤去拉力,的长度为,不计空气阻力,若滑块恰好通过圆轨道的最高点,。求: 如图所示,一游戏装置由倾斜角为的光滑轨道、水平传送带、半径为的光滑竖直圆形轨道、倾角为斜面组成,为圆弧轨道的圆心,、、、四点在同一水平面上。游戏时,小滑块从倾斜轨道不同高度处静止释放,经过传送带后沿圆形轨道运动,最后由点平抛后落在不同的区间获不同的奖次。已知小滑块与传送带的动摩擦因数,长为,是圆轨道上与圆心等高的点,距水平地面的高度,小滑块经处时速度大小不变,小滑块可视为质点,其余阻力均不计,,取,传送带开始处于静止状态,求: 如图所示,固定的桌面、地面和固定的螺旋形圆管均光滑,轻质弹簧左端固定,自然伸长位置为点,弹簧的劲度系数,圆轨道的半径,圆管的内径比质量为的小球直径略大,但远小于圆轨道半径,质量为的小物块静止于质量为的木板左端,木板的上表面恰好与圆管轨道水平部分下端表面等高,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,木板右端与墙壁之间的距离,现用力将小球向左推压,将弹簧压缩,然后由静止释放小球,小球与弹簧不连接,小球运动到桌面右端点后水平抛出,从管口点处沿圆管切线飞入圆管内部,从圆管水平部分点飞出,并恰好与小物块发生弹性碰撞,经过一段时间后木板和右侧墙壁发生弹性碰撞,已知小物块始终未和墙壁碰撞,并且未脱离木板,已知与竖直方向夹角,,,,。求: 如图所示,在平面直角坐标系第三象限存在竖直向上的匀强电场,场强大小为;第二象限存在水平向右的匀强电场,场强大小也为;第一象限存在水平向左的匀强电场,场强大小为。一质量为、电荷量为的正离子从 点由静止释放,点位置坐标为(,),不计该离子的重力。 如图所示,有一带电物块(可视为质点)静止在光滑斜面的 处,物块的电荷量,质量 ,斜面的倾角为。斜面与水平绝缘轨道 平滑,在直线 左侧有水平向左的匀强电场, 右侧有水平向右的匀强电场,水平轨道 与竖直平面内的半圆形绝缘光滑轨道 平滑连接,半圆形轨道的半径。现撤去电场,物块从 处由静止下滑,恰好能通过半圆形轨道的最高点 ,然后落至水平轨道 上。已知 距离水平轨道的高度为,带电物块与 间的动摩擦因数为 ,取 ,求: 如图所示,左端为四分之一圆弧的木板静止置于光滑水平面上,圆弧与木板水平部分相切于点。在木板右端固定一轻弹簧,其自由端位于木板上点正上方,将质量为的小物块(可视为质点)自点上方高度为处的某点静止释放,沿切线进入圆弧,已知长木板质量为,圆弧的半径为,,段粗糙,与小物块间的动摩擦因数为,其余部分均光滑。重力加速度为。
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