人教版物理选修3-1 同步练习：第3章 第5节 运动电荷在磁场中受到的力
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| 名称 | 人教版物理选修3-1 同步练习：第3章 第5节 运动电荷在磁场中受到的力 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 327.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2016-12-29 21:02:12 | ||
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文档简介
第5节 运动电荷在磁场中受到的力
对洛伦兹力的理解
1.下列说法正确的是( D )
A.运动电荷在磁感应强度不为零的地方,一定受到洛伦兹力的作用
B.运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用,则该处的磁感应强度一定
为零
C.洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能,也不能改变带电粒子的速度
D.洛伦兹力对带电粒子不做功
解析:运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力F=qvBsin
θ,所以F的大小不但与q,v,B有关系,还与v和B的夹角θ有关系,当θ=0°
或180°
时,F=0,此时B不一定等于零,所以选项A,B错误;洛伦兹力与粒子的速度始终垂直,所以洛伦兹力对带电粒子不做功,粒子的动能不变,但粒子速度方向要变,所以选项C错误,D正确.
2.如图所示是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用
力F三者方向的相互关系图(其中B,F,v两两垂直).其中正确的是( D )
解析:此题主要考查左手定则及立体图像的辨认,利用左手定则可判断出D是正确的.
3.(多选)如图所示,带正电的小球通过绝缘柄固定在A处,匀强磁场方向垂直纸面向里.若将匀强磁场向右水平平移,则有关洛伦兹力的分析,下列结论正确的是( CD )
A.由于带电小球静止,所以它不受洛伦兹力
B.小球会受到洛伦兹力,其方向向上
C.小球会受到洛伦兹力,其方向向下
D.若磁场沿垂直纸面方向平移,则小球不受洛伦兹力作用
解析:当磁场平移时,小球相对于磁场则为运动电荷,只要速度方向与磁场方向不平行,则小球就会受到洛伦兹力,并由左手定则判断可知,选项C,D正确.
4.在下列各图中,匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,带电荷量均为q.试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向.
解析:(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向与v垂直向左上方.
(2)v与B的夹角为30°,将v分解成垂直磁场的分量和平行磁场的分量,v⊥=vsin
30°,F=qvBsin
30°=qvB,方向垂直纸面向里.
(3)由于v与B平行,所以不受洛伦兹力.
(4)v与B垂直,F=qvB,方向与v垂直向左上方.
答案:(1)qvB 垂直v向左上方 (2)qvB 垂直纸面向里 (3)不受洛伦兹力 (4)qvB 垂直v向左上方
洛伦兹力与静电力
5.(多选)如图为一“滤速器”装置的示意图.a,b为水平放置的平行金属板,一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a,b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子,可在a,b间加上电压,并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场,使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动,由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是( AD )
A.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向里
B.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向里
C.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向外
D.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向外
解析:要使电子沿直线OO′射出,则电子必做匀速直线运动,电子受力平衡.在该场区内,电子受到静电力和洛伦兹力,要使二力平衡,则二力方向分别为竖直向上和竖直向下,选项A电子所受静电力竖直向上,由左手定则判断洛伦兹力竖直向下,满足受力平衡.同理,选项D也满足受力平衡.所以选项A,D正确.
6.(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领域.如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下,通入图示方向的电流I,C,D两侧面会形成电势差.下列说法中正确的是( AC )
A.若元件的运动电荷是自由电子,则D侧面电势高于C侧面电势
B.若元件的运动电荷是自由电子,则C侧面电势高于D侧面电势
C.在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持竖直
D.在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持水平
解析:若元件的运动电荷是自由电子,由左手定则可知,电子受到洛伦兹力而向C侧面偏,则D侧面的电势高于C侧面的电势,故选项A正确,B错误.地球赤道上方的地磁场方向水平,在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持竖直,故选项C正确,D错误.
7.(多选)如图所示为速度选择器装置,电场强度为E的匀强电场与磁感应强度为B的匀强磁场互相垂直.一带电荷量为+q,质量为m的粒子(不计重力)以速度v水平向右射入,粒子恰沿直线穿过,则下列说法正确的是( BC )
A.若带电粒子带电荷量为+2q,粒子将向下偏转
B.若带电粒子带电荷量为-2q,粒子仍能沿直线穿过
C.若带电粒子速度为2v,粒子不与极板相碰,则从右侧射出时电势能一定增大
D.若带电粒子从右侧水平射入,粒子仍能沿直线穿过
解析:粒子恰沿直线穿过,静电力和洛伦兹力均垂直于速度,故合力为零,粒子做匀速直线运动,根据平衡条件有qvB=qE,解得v=,粒子速度仍为,就能沿直线匀速通过选择器;若带电粒子带电荷量为+2q,速度不变,仍然沿直线匀速通过选择器,故选项A错误;若带电粒子带电荷量为-2q,粒子速度仍为,静电力与洛伦兹力仍然平衡,仍然沿直线匀速通过选择器,故选项B正确;若带电粒子速度为2v,静电力不变,洛伦兹力变为原来的2倍,故会偏转,克服静电力做功,电势能增加,故选项C正确;若带电粒子从右侧水平射入,静电力方向不变,洛伦兹力方向反向,故粒子一定偏转,选项D错误.
带电体在匀强磁场中的运动
8.在学校操场的上空中停着一个热气球,从它底部脱落一个塑料小部件,下落过程中由于和空气的摩擦而带负电,如果没有风,那么它的着地点会落在热气球正下方地面位置的( B )
A.偏东
B.偏西
C.偏南
D.偏北
解析:在北半球,地磁场在水平方向上的分量方向是水平向北,塑料小部件带负电,根据左手定则可得塑料小部件受到向西的洛伦兹力,故向西偏转,选项B正确.
9.(多选)如图所示,一个带正电荷的小球沿光滑水平绝缘的桌面向右运动,飞离桌子边缘A,最后落到地板上.设有磁场时飞行时间为t1,水平射程为s1,着地速度大小为v1;若撤去磁场而其余条件不变时,小球飞行的时间为t2,水平射程为s2,着地速度大小为v2,则( ABD )
A.s1>s2
B.t1>t2
C.v1>v2
D.v1=v2
解析:没有磁场时,小球下落过程为平抛运动.当空间有匀强磁场时,小球下落过程中任一位置受力情况如图所示.由于洛伦兹力对小球竖直分运动的影响,在同样落差下与平抛运动只受重力作用相比,小球落地时间加长,所以t1>t2,故选项B正确.从洛伦兹力对水平分运动的影响可知,小球水平分速度将比平抛时加大,而且又有t1>t2,则必有s1>s2,故选项A正确.由于洛伦兹力做功为零,而两种情况下重力对小球做功相等,所以落地速度大小相等,即v1=v2,但两种情况下小球落地时速度的方向不同,故选项C错误,D正确.
10.(多选)质量为m,电荷量为q的带正电小物块在磁感应强度为B,方向垂直纸面向里的匀强磁场中,沿动摩擦因数为μ的绝缘水平面以初速度v0开始向左运动,如图所示.物块经时间t移动距离s后停了下来,设此过程中,q不变,则( BC )
A.s>
B.s<
C.t>
D.t<
解析:由左手定则可知,小物块向左运动时,所受洛伦兹力方向向下,则对水平面压力增大,其摩擦力大于不带电时的摩擦力,小物块不带电时,则s0=,小物块带电时s=,选项C正确.
11.质量为m,带电荷量为q的微粒,以速度v与水平方向成45°角进入匀强电场和匀强磁场同时存在的空间,如图所示,微粒在电场、磁场、重力场的共同作用下做匀速直线运动,求(重力加速度为g):
(1)电场强度的大小,该带电微粒带何种电荷;
(2)磁感应强度的大小.
解析:(1)微粒做匀速直线运动,所受合力必为零,微粒受重力mg,静电力qE,洛伦兹力qvB,由此可知,微粒带正电,受力如图所示,
由几何关系知,qE=mg,则电场强度E=.
(2)由于合力为零,则qvB=mg,所以B=.
答案:(1) 带正电荷 (2)
(教师备用)
【补偿题组】
1.(针对第5题)如图所示,在xOy平面内,匀强电场的方向沿x轴正向,匀强磁场的方向垂直于xOy平面向里.一电子在xOy平面内运动时,速度方向保持不变.则电子的运动方向沿( C )
A.x轴正向
B.x轴负向
C.y轴正向
D.y轴负向
解析:电子受静电力方向一定水平向左,所以需要受向右的洛伦兹力才能做匀速运动,根据左手定则判断可得电子应沿y轴正向运动,选项C正确.
2.(针对第6题)(多选)如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a,b是铜板左、右边缘的两点,则下列说法正确的是( BC )
A.电势a>b
B.电势b>a
C.电流增大时,|
a-b|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl水溶液时,电势结果仍然一样
解析:电流向上,则自由电子向下运动,由左手定则可判断出电子向a侧聚集,φb>φa,B正确;电流增大时,电子运动速度v增大,待稳定时q=qvB,其中d为铜板宽度,得Uba=dvB,即|φa-φb|=dvB,C正确;若将铜板改为NaCl水溶液,由于NaCl水溶液中定向移动的是正、负离子,由左手定则可判断出正、负离子均向a侧聚集,结果φa=φb,D错误.
3.(针对第8题)显像管原理的示意图如图所示,当没有磁场时,电子束将打在荧光屏正中央的O点,安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场,使电子束发生偏转.设垂直纸面向里的磁场方向为正方向,若使高速电子流打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点,下列磁场的变化能够使电子发生上述偏转的是( A )
解析:电子偏转到a点时,根据左手定则可知,磁场方向垂直纸面向外,对应的Bt图线就在t轴下方;电子偏转到b点时,根据左手定则可知,磁场方向垂直纸面向里,对应的Bt图线应在t轴上方,选项A正确.
4.(针对第10题)三个完全相同的小球a,b,c带有相同电荷量的正电荷,从同一高度由静止开始下落,当落下h1高度后a球进入水平向左的匀强电场,b球进入垂直纸面向里的匀强磁场,如图所示,它们到达水平面上的速度大小分别用va,vb,vc表示,它们的关系是( A )
A.va>vb=vc
B.va=vb=vc
C.va>vb>vc
D.va=vb>vc
解析:a球下落时,重力和静电力都对a做正功;b球下落时,只有重力做功,c球下落时只有重力做功,重力做功的大小都相同.根据动能定理可知外力对a球所做的功最多,即a球落地时的动能最大,b,c球落地时的动能相等,故选项A正确.
对洛伦兹力的理解
1.下列说法正确的是( D )
A.运动电荷在磁感应强度不为零的地方,一定受到洛伦兹力的作用
B.运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用,则该处的磁感应强度一定
为零
C.洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能,也不能改变带电粒子的速度
D.洛伦兹力对带电粒子不做功
解析:运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力F=qvBsin
θ,所以F的大小不但与q,v,B有关系,还与v和B的夹角θ有关系,当θ=0°
或180°
时,F=0,此时B不一定等于零,所以选项A,B错误;洛伦兹力与粒子的速度始终垂直,所以洛伦兹力对带电粒子不做功,粒子的动能不变,但粒子速度方向要变,所以选项C错误,D正确.
2.如图所示是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用
力F三者方向的相互关系图(其中B,F,v两两垂直).其中正确的是( D )
解析:此题主要考查左手定则及立体图像的辨认,利用左手定则可判断出D是正确的.
3.(多选)如图所示,带正电的小球通过绝缘柄固定在A处,匀强磁场方向垂直纸面向里.若将匀强磁场向右水平平移,则有关洛伦兹力的分析,下列结论正确的是( CD )
A.由于带电小球静止,所以它不受洛伦兹力
B.小球会受到洛伦兹力,其方向向上
C.小球会受到洛伦兹力,其方向向下
D.若磁场沿垂直纸面方向平移,则小球不受洛伦兹力作用
解析:当磁场平移时,小球相对于磁场则为运动电荷,只要速度方向与磁场方向不平行,则小球就会受到洛伦兹力,并由左手定则判断可知,选项C,D正确.
4.在下列各图中,匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,带电荷量均为q.试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向.
解析:(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向与v垂直向左上方.
(2)v与B的夹角为30°,将v分解成垂直磁场的分量和平行磁场的分量,v⊥=vsin
30°,F=qvBsin
30°=qvB,方向垂直纸面向里.
(3)由于v与B平行,所以不受洛伦兹力.
(4)v与B垂直,F=qvB,方向与v垂直向左上方.
答案:(1)qvB 垂直v向左上方 (2)qvB 垂直纸面向里 (3)不受洛伦兹力 (4)qvB 垂直v向左上方
洛伦兹力与静电力
5.(多选)如图为一“滤速器”装置的示意图.a,b为水平放置的平行金属板,一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a,b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子,可在a,b间加上电压,并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场,使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动,由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是( AD )
A.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向里
B.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向里
C.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向外
D.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向外
解析:要使电子沿直线OO′射出,则电子必做匀速直线运动,电子受力平衡.在该场区内,电子受到静电力和洛伦兹力,要使二力平衡,则二力方向分别为竖直向上和竖直向下,选项A电子所受静电力竖直向上,由左手定则判断洛伦兹力竖直向下,满足受力平衡.同理,选项D也满足受力平衡.所以选项A,D正确.
6.(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领域.如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下,通入图示方向的电流I,C,D两侧面会形成电势差.下列说法中正确的是( AC )
A.若元件的运动电荷是自由电子,则D侧面电势高于C侧面电势
B.若元件的运动电荷是自由电子,则C侧面电势高于D侧面电势
C.在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持竖直
D.在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持水平
解析:若元件的运动电荷是自由电子,由左手定则可知,电子受到洛伦兹力而向C侧面偏,则D侧面的电势高于C侧面的电势,故选项A正确,B错误.地球赤道上方的地磁场方向水平,在测地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持竖直,故选项C正确,D错误.
7.(多选)如图所示为速度选择器装置,电场强度为E的匀强电场与磁感应强度为B的匀强磁场互相垂直.一带电荷量为+q,质量为m的粒子(不计重力)以速度v水平向右射入,粒子恰沿直线穿过,则下列说法正确的是( BC )
A.若带电粒子带电荷量为+2q,粒子将向下偏转
B.若带电粒子带电荷量为-2q,粒子仍能沿直线穿过
C.若带电粒子速度为2v,粒子不与极板相碰,则从右侧射出时电势能一定增大
D.若带电粒子从右侧水平射入,粒子仍能沿直线穿过
解析:粒子恰沿直线穿过,静电力和洛伦兹力均垂直于速度,故合力为零,粒子做匀速直线运动,根据平衡条件有qvB=qE,解得v=,粒子速度仍为,就能沿直线匀速通过选择器;若带电粒子带电荷量为+2q,速度不变,仍然沿直线匀速通过选择器,故选项A错误;若带电粒子带电荷量为-2q,粒子速度仍为,静电力与洛伦兹力仍然平衡,仍然沿直线匀速通过选择器,故选项B正确;若带电粒子速度为2v,静电力不变,洛伦兹力变为原来的2倍,故会偏转,克服静电力做功,电势能增加,故选项C正确;若带电粒子从右侧水平射入,静电力方向不变,洛伦兹力方向反向,故粒子一定偏转,选项D错误.
带电体在匀强磁场中的运动
8.在学校操场的上空中停着一个热气球,从它底部脱落一个塑料小部件,下落过程中由于和空气的摩擦而带负电,如果没有风,那么它的着地点会落在热气球正下方地面位置的( B )
A.偏东
B.偏西
C.偏南
D.偏北
解析:在北半球,地磁场在水平方向上的分量方向是水平向北,塑料小部件带负电,根据左手定则可得塑料小部件受到向西的洛伦兹力,故向西偏转,选项B正确.
9.(多选)如图所示,一个带正电荷的小球沿光滑水平绝缘的桌面向右运动,飞离桌子边缘A,最后落到地板上.设有磁场时飞行时间为t1,水平射程为s1,着地速度大小为v1;若撤去磁场而其余条件不变时,小球飞行的时间为t2,水平射程为s2,着地速度大小为v2,则( ABD )
A.s1>s2
B.t1>t2
C.v1>v2
D.v1=v2
解析:没有磁场时,小球下落过程为平抛运动.当空间有匀强磁场时,小球下落过程中任一位置受力情况如图所示.由于洛伦兹力对小球竖直分运动的影响,在同样落差下与平抛运动只受重力作用相比,小球落地时间加长,所以t1>t2,故选项B正确.从洛伦兹力对水平分运动的影响可知,小球水平分速度将比平抛时加大,而且又有t1>t2,则必有s1>s2,故选项A正确.由于洛伦兹力做功为零,而两种情况下重力对小球做功相等,所以落地速度大小相等,即v1=v2,但两种情况下小球落地时速度的方向不同,故选项C错误,D正确.
10.(多选)质量为m,电荷量为q的带正电小物块在磁感应强度为B,方向垂直纸面向里的匀强磁场中,沿动摩擦因数为μ的绝缘水平面以初速度v0开始向左运动,如图所示.物块经时间t移动距离s后停了下来,设此过程中,q不变,则( BC )
A.s>
B.s<
C.t>
D.t<
解析:由左手定则可知,小物块向左运动时,所受洛伦兹力方向向下,则对水平面压力增大,其摩擦力大于不带电时的摩擦力,小物块不带电时,则s0=,小物块带电时s
11.质量为m,带电荷量为q的微粒,以速度v与水平方向成45°角进入匀强电场和匀强磁场同时存在的空间,如图所示,微粒在电场、磁场、重力场的共同作用下做匀速直线运动,求(重力加速度为g):
(1)电场强度的大小,该带电微粒带何种电荷;
(2)磁感应强度的大小.
解析:(1)微粒做匀速直线运动,所受合力必为零,微粒受重力mg,静电力qE,洛伦兹力qvB,由此可知,微粒带正电,受力如图所示,
由几何关系知,qE=mg,则电场强度E=.
(2)由于合力为零,则qvB=mg,所以B=.
答案:(1) 带正电荷 (2)
(教师备用)
【补偿题组】
1.(针对第5题)如图所示,在xOy平面内,匀强电场的方向沿x轴正向,匀强磁场的方向垂直于xOy平面向里.一电子在xOy平面内运动时,速度方向保持不变.则电子的运动方向沿( C )
A.x轴正向
B.x轴负向
C.y轴正向
D.y轴负向
解析:电子受静电力方向一定水平向左,所以需要受向右的洛伦兹力才能做匀速运动,根据左手定则判断可得电子应沿y轴正向运动,选项C正确.
2.(针对第6题)(多选)如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a,b是铜板左、右边缘的两点,则下列说法正确的是( BC )
A.电势a>b
B.电势b>a
C.电流增大时,|
a-b|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl水溶液时,电势结果仍然一样
解析:电流向上,则自由电子向下运动,由左手定则可判断出电子向a侧聚集,φb>φa,B正确;电流增大时,电子运动速度v增大,待稳定时q=qvB,其中d为铜板宽度,得Uba=dvB,即|φa-φb|=dvB,C正确;若将铜板改为NaCl水溶液,由于NaCl水溶液中定向移动的是正、负离子,由左手定则可判断出正、负离子均向a侧聚集,结果φa=φb,D错误.
3.(针对第8题)显像管原理的示意图如图所示,当没有磁场时,电子束将打在荧光屏正中央的O点,安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场,使电子束发生偏转.设垂直纸面向里的磁场方向为正方向,若使高速电子流打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点,下列磁场的变化能够使电子发生上述偏转的是( A )
解析:电子偏转到a点时,根据左手定则可知,磁场方向垂直纸面向外,对应的Bt图线就在t轴下方;电子偏转到b点时,根据左手定则可知,磁场方向垂直纸面向里,对应的Bt图线应在t轴上方,选项A正确.
4.(针对第10题)三个完全相同的小球a,b,c带有相同电荷量的正电荷,从同一高度由静止开始下落,当落下h1高度后a球进入水平向左的匀强电场,b球进入垂直纸面向里的匀强磁场,如图所示,它们到达水平面上的速度大小分别用va,vb,vc表示,它们的关系是( A )
A.va>vb=vc
B.va=vb=vc
C.va>vb>vc
D.va=vb>vc
解析:a球下落时,重力和静电力都对a做正功;b球下落时,只有重力做功,c球下落时只有重力做功,重力做功的大小都相同.根据动能定理可知外力对a球所做的功最多,即a球落地时的动能最大,b,c球落地时的动能相等,故选项A正确.