《安培力与洛伦兹力》检测试题
一、单项选择题:本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1. 如图所示,假想在地球赤道上方存在半径略大于地球半径的圆形单匝线圈。在线圈中通以图示的电流,则它所受地磁场的安培力方向最接近于( )
A.垂直地面向上 B.垂直地面向下
C.向南 D.向北
2.在磁场中的同一位置放置一根直导线,导线的方向与磁场方向垂直。先后在导线中通入不同的电流,导线所受的力也不一样。下列图像表示的是导线受力的大小F与通过导线的电流I的关系。a,b各代表一组F,I的数据。以下四幅图中,正确的是( )
3.如图所示,平行金属导轨的距离为d,左端接一电源,电动势为E,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于导轨所在平面。一根金属棒ab与导轨成θ角放置,整个回路的总电阻为R,当接通开关S瞬间,金属棒所受的安培力大小为( )
A. B.
C. D.
4. 一种测量血管中血流速度的仪器原理如图所示,在动脉血管左右两侧加上匀强磁场,上下两侧安装电极并连接电压表。已知血管的直径是2.0 mm,磁场的磁感应强度为0.10 T,由电压表测出的电压为 0.12 mV,则动脉血管电势较高的一侧和血管中血流速度的大小分别是( )
A.下侧;0.6 m/s B.下侧;1.2 m/s
C.上侧;0.6 m/s D.上侧;1.2 m/s
二、多项选择题:本题共4小题,每小题6分,共24分。每小题有多项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
5. 如图所示,两个完全相同的、相互垂直的金属圆环M,N相隔一定距离用相等长度的绝缘细线分别悬挂在天花板下面(两个悬挂点的距离略大于金属环的直径),其中M环被固定。当M,N中同时通入如图所示方向的电流时,从上往下看,圆环N将( )
A.顺时针转动 B.逆时针转动
C.靠近圆环M D.远离圆环M
6. 如图所示,半径为R的半圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度的大小为B,质量均为m、电荷量大小均为q的甲、乙两粒子从圆心O处向上先后射入匀强磁场中,两粒子的速度方向垂直直径ab,也垂直于匀强磁场,结果甲粒子在磁场中运动的偏向角为90°,乙粒子在磁场中运动的偏向角为180°,不计粒子的重力,则甲、乙两粒子的速度之比可能为( )
A.2 B.
C.1 D.
7. 如图所示为一个质量为m、电荷量为+q的圆环,可在水平放置的足够长的粗糙细杆上滑动,细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中,不计空气阻力,现给圆环向右的初速度v0,在以后的运动过程中,圆环运动的速度图像可能是( )
8.利用如图所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子。图中板MN上方是磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场,板上有两条宽度分别为2d和d的缝,两缝近端相距为L。一群质量为m、电荷量为q且具有不同速度的粒子从宽度为2d的缝垂直于板MN进入磁场,对于能够从宽度为d的缝射出的粒子,下列说法正确的是( )
A.粒子带正电
B.射出粒子的最大速度为
C.保持d和L不变,增大B,射出粒子的最大速度与最小速度之差增大
D.保持d和B不变,增大L,射出粒子的最大速度与最小速度之差增大
三、非选择题:共60分。
9.(4分) 如图所示,在平面直角坐标系中有一个垂直于纸面向里的圆形匀强磁场,其边界过原点O和y轴上的点a(0,L),一质量为m、电荷量为e的电子从a点以初速度v0平行于x轴正方向射入磁场,并从x轴上的b点射出磁场,此时速度方向与x轴正方向的夹角为60°。则电子在磁场中运动的时间为 ;磁场区域的圆心坐标为 。
10. (4分)如图所示,有一对平行金属板相距d=10 cm,两板间有匀强磁场,磁感应强度的大小B=0.1 T,方向垂直纸面向里。左板A处有一粒子源,以速度v=1×106 m/s不断地在纸面内向各个方向发射比荷=1×108 C/g的带负电粒子,不计粒子的重力,能打在右侧金属板上且经历时间最短的粒子的偏转角为 ,最短时间为 s。
11.(5分)如图所示,导轨间的距离L=0.5 m,磁场的磁感应强度B=
2 T,ab棒的质量m=1 g,物块重力 G=3 N,动摩擦因数μ=0.2,电源的电动势E=10 V,r=0.1 Ω,导轨的电阻不计,ab棒电阻也不计,问R的取值范围怎样时棒处于静止状态
12.(7分)如图所示,空间中有电场强度为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场,y轴为两种场的分界面。图中虚线为磁场区域的右边界。现有一质量为m、电荷量为-q的带电粒子,从电场中的P点以初速度v0沿x轴正方向开始运动,已知P点的坐标为(-L,0),且L=。
(1)求带电粒子运动到y轴上时的速度;
(2)要使带电粒子能穿越磁场区域而不再返回到电场中,求磁场的最大宽度。(不计带电粒子的重力)
13. (10分)如图所示,在平面直角坐标系xOy的第四象限有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0 T,在y轴上P点有一粒子源,沿纸面向磁场发射速率不同的粒子,均沿与y轴负方向夹角θ=30°的方向,已知粒子质量均为m=5.0×10-8 g,电荷量q=1.0×
10-6 C,LOP=30 cm,取π=3。(不计粒子间相互作用及粒子重力)
(1)若某粒子垂直x轴飞出磁场,求该粒子在磁场中的运动时间;
(2)若某粒子不能进入x轴上方,求该粒子速度大小v满足的条件。
14.(12分)如图所示,一电子束(初速度不计)经过电压为U的加速电场后,进入一圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直于圆面,磁场区域的中心为O,半径为r。当不加磁场时,电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P需要加磁场,使电子束偏转一已知角度θ,已知电子的质量为m,电荷量为e,不计电子的重力。求:
(1)电子进入磁场时的速度大小;
(2)圆形磁场区域的磁感应强度B的大小及方向。
15.(18分)如图所示,第一象限范围内有垂直于xOy平面的匀强磁场,磁感应强度为B。质量为m,电荷量大小为q的带电粒子在xOy平面内经原点O射入磁场中,初速度v0与x轴夹角θ=60°,试分析计算:
(1)带电粒子从何处离开磁场 穿越磁场时运动方向发生的偏转角是多大
(2)带电粒子在磁场中运动时间有多长
参考答案
1.B 2.A 3.B
4.C解析:正、负离子速度方向垂直纸面向外,而磁场方向为由左向右,依据左手定则,正离子向上偏,负离子向下偏,因此动脉血管电势较高的是上侧,当电场力和洛伦兹力平衡时有qE=qvB,且E=,则有v== m/s=0.6 m/s,故A,B,D错误,C正确。
5.BC 解析:根据安培定则,M产生的磁场垂直于纸面向外,N产生的磁场方向水平向右,根据同名磁极相互排斥的特点,因M被固定,则N环逆时针转动(从上往下看);转动后靠近处的电流方向相同,所以两个圆环相互吸引,则N环将靠近M环,故B,C正确,A,D错误。
6.AB 解析:甲粒子在磁场中运动的偏向角为90°,弦切角为45°,根据公式Rsin 45°=r甲得r甲=R,乙粒子在磁场中运动的偏向角为180°,可知2r乙≤R,r乙≤,所以≥,根据r=,v∝r,即≥。故A、B正确,C、D错误。
7.AD 解析:带电圆环在磁场中受到向上的洛伦兹力,当重力与洛伦兹力相等时,圆环将做匀速直线运动,A正确;当洛伦兹力大于重力时,圆环受到摩擦力的作用,并且随着速度的减小而减小,圆环将做加速度减小的减速运动,最后做匀速直线运动,D正确;如果重力大于洛伦兹力,圆环也受摩擦力作用,且摩擦力越来越大,圆环将做加速度增大的减速运动,故B,C错误。
8.BC 解析:利用左手定则可判定只有负电荷进入磁场时才向右偏,故选项A错误;利用qvB=知r=,能射出的粒子满足≤r≤,因此对应射出粒子的最大速度vmax==,选项B正确;vmin==,Δv=vmax-vmin=,由此式可判定选项C正确,D错误。
9. 解析:作出电子的运动轨迹如图所示,电子在磁场中做圆周运动的半径r=2L,圆心角为,
则弧长为s=·2L=,故电子在磁场中运动的时间为t=;连接ab,ab的中点必为圆形匀强磁场的圆心,Ob=L,故磁场区域的圆心坐标为(L,)。
答案: (,)
10. 解析:劣弧弦长越短圆心角越小,时间就越短,由此可知最短弦长为板间距离d,根据Bqv=m,得r=
代入数据得半径为10 cm,作图知偏转角等于圆心角,为60°,由周期公式T=,代入数据得T=2π×10-7 s
经历时间为t== s=×10-7 s。
答案:60° ×10-7
11. 解析:依据物体平衡条件可得
棒恰不右滑时:G-μmg-I1LB=0
棒恰不左滑时:G+μmg-I2LB=0
依据闭合电路欧姆定律可得
E=I1(R1+r)
E=I2(R2+r)
联立解得R1=9.9 Ω
R2=1.9 Ω
所以R的取值范围为1.9 Ω≤R≤9.9 Ω。
答案:1.9 Ω≤R≤9.9 Ω
12. 解析:(1)带电粒子在电场中做类平抛运动,
竖直速度vy=at
加速度a=
水平位移L=v0t
又L=
由以上各式得带电粒子进入电场时的合速度v=v0,
方向与y轴正方向成45°角。
(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,
有qvB=m
则r==
当带电粒子运动轨迹与磁场右边界相切时,由几何关系得
rsin 45°+r=d
解得d=
故磁场的最大宽度为。
答案:(1)v0,方向与y轴正方向成45°角
(2)
13. 解析: (1)带电粒子仅在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动,若粒子垂直x轴飞出磁场,根据题意作出粒子的运动轨迹如图(甲)所示。
根据几何关系有∠PO1Q=150°,
即粒子运动轨迹对应的圆心角为150°
粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期
T==0.15 s,
则粒子在磁场中运动的时间为t=T=6.25×10-2 s。
(2)若带电粒子不从x轴射出,临界轨迹如图(乙)所示。
根据几何关系有R2+R2sin θ=LOP,
解得R2=0.2 m
根据牛顿第二定律有qv2B=m,
解得v2=8 m/s
所以当v ≤8 m/s时粒子不能进入x轴上方。
答案:(1)6.25×10-2 s
(2)v≤8 m/s
14. 解析:(1)设电子射出电场时的速度为v,
根据动能定理有eU=mv2
解得v=。
(2)电子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,由于电子向上偏转,由左手定则判断磁感应强度的方向为垂直于圆面向外。
电子在磁场中沿圆弧ab运动,圆心为c,半径为R,v表示电子进入磁场时的速度,m,e分别表示电子的质量和电荷量,如图所示。根据几何关系有tan=
根据洛伦兹力提供向心力有evB=m
联立得B=tan。
答案:(1)
(2)tan,方向垂直于圆面向外
15解析:不论粒子带何种电荷,其运动轨迹半径均为r=;
如图所示,有O1O=O2O=r=O1A=O2B,
带电粒子在磁场中运动的周期
T==。
(1)若粒子带负电,它将从x轴上A点离开磁场,运动方向发生的偏转角θ1=120°,
A点与O点相距x=2rsin 60°=;
若粒子带正电,它将从y轴上B点离开磁场,运动方向发生的偏转角
θ2=60°,
B点与O点相距 y=2rsin 30°=。
(2)若粒子带负电,它从O到A所用的时间为t1=T=;
若粒子带正电,它从O到B所用的时间为t2=T=。
答案:见解析