2017-2018学年高二物理粤教版选修3-1单元测试：第三章 磁场3（含解析）

学力测评
一、本题共7小题，每小题4分，共28分.在每小题给出的四个选项中,有的小题只有一个选项正确,有的小题有多个选项正确.全部选对的得4分,选不全的得2分,有选错或不答的得0分.
1.下列关于磁感应强度的说法中，正确的是（　　）
A.一小段通电直导线放在磁感应强度为零的地方，受到的磁场力可能不为零
B.一小段通电直导线放在磁场中某点不受磁场力的作用，则该点的磁感应强度可能不为零
C.一小段通电直导线放在磁场中某点不受磁场力作用，则该点磁感应强度一定?为零?
D.?一小段通电直导线放在磁场中受到的安培力为F，通电电流为I，导线长为ΔL，则磁感应强度B的大小等于F/(IΔL)解析：没有磁场的地方，通电直导线就不会受到磁场力的作用，?A错.通电直导线如果平行于磁场放置则不受磁场力的作用，所以一小段通电直导线放在磁场中某点不受磁场力的作用，并不说明该点磁感应强度为零，B对、C错.?是这样定义磁感应强度的：当通电导线与磁场方向垂直时，通电导线所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做磁感应强度，所以D错误.??
答案：B??
2.关于磁场和磁感线的描述，正确的说法是（　　）
A.磁感线从磁体的N极出发，终止于S极
B.磁场的方向就是通电导体在磁场中某点受磁场作用力的方向
C.沿磁感线方向，磁场逐渐减弱
D.在磁场强的地方同一通电导体受的安培力可能比在磁场弱的地方受的安培力小
解析：磁感线是为了形象描述磁场而引入的闭合曲线，没有起点和终点，所以?A错.通电直导线在磁场中所受的磁场力的方向与磁场垂直，B错.磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线的方向不表示磁场的强弱，故C错.通电导线在磁场中的受力不仅与磁感应强度有关，还跟导线的位置取向有关，若通电导线与磁场方向平行，则无论怎样安培力均为零，D正确.?
答案：D??
3.如图3-1所示，三根长导线通电电流大小相同，通电方向为b导线和d导线向纸里，c导线向纸外，a点为bd的中点，ac垂直于bd，且ab=ad=ac，磁场在a点处的磁感应强度的方?向为?（　　）
图3-1
A.垂直纸面指向纸外　　　　
B.垂直纸面指向纸里
C.沿纸面由a指向b
D.沿纸面由a指向c
解析：在多个磁体存在的空间里任意一点的磁场是这些磁体在该点产生磁场的合磁场.a点是b、d两根通电直导线的对称点，b、d两通电直导线在a点产生的磁场的磁感应强度大小相等、方向相反，二者的合磁感应强度为零，则a点磁场的磁感应强度就等于c通电直导线在a点产生的磁场的磁感应强度，方向由a指向b，C正确.?
答案：C??
4.如图3-2所示，金属板abcd置于匀强磁场中，通以水平向左的恒定电流，当达到稳定状态后（　　）
图3-2
A.电子向cd边偏转，使ab边电势高于cd边电势
B.电子向cd边偏转，使ab边电势低于cd边电势?
C.电子不再发生偏转，但ab边电势高于cd边电势?
D.电子不再发生偏转，但ab边电势低于cd边电势?
解析：电流水平向左，定向移动的电子向右，金属阳离子是不能移动的，在洛伦兹力作用下电子向ab边偏转使ab边带负电，则cd边带正电，所以ab边电势低于cd边的电势，D正确.?
答案：D??
5.一带电粒子M在相互垂直的匀强电场、匀强磁场中做匀速圆周运动，匀强电场竖直向下，匀强磁场水平且垂直纸面向里，如图3-3
所示.下列说法正确的是（　　）
图3-3
A.沿垂直纸面方向向里看，粒子M的绕行方向为顺时针方向
B.运动过程中外力对粒子做功的代数和为零，故机械能守恒
C.在粒子旋转一周的时间内重力做功为零
D.沿垂直纸面方向向里看，粒子M的绕行方向既可以是顺时针也可以是逆时针方向?
解析：粒子能在竖直面内做匀速圆周运动，则该粒子一定带负电，且电场力和重力大小相等、方向相反，洛伦兹力提供向心力，由左手定则判断知：该粒子沿垂直纸面方向向里看，粒子M的绕行方向为顺时针方向，A正确、D错误.由于电场力参与做功，所以粒子运动过程中机械能不守恒，B错.重力做功与路径无关，只与起点和终点有关，运动一周重力做功为零，C对.?
答案：AC??6.一束混合的离子束，先径直穿过正交匀强电、磁场，再进入一个磁场区域后分裂成几束，如图3-4所示.若粒子的重力不计，此分裂是因为（　　）
图3-4
A.带电性质不同，有正离子又有负离子
B.速度不同
C.质量和电荷量的比值不同
D.以上选项均不正确
解析：能沿直线通过正交匀强电、磁场区域的粒子必须满足电场力与洛伦兹力大小相等，即Eq=Bqv，所以所有沿直线通过该区域的粒子的速度相等，与带电粒子的电性无关.粒子进入偏转磁场后做匀速圆周运动，轨道半径为，粒子束分裂成几束，说明它们的半径不同，这是因为他们的比荷不同所致，C正确.?
答案：C??
7.如图3-5，在半径为R的圆内有一磁感应强度为B的向外的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q的粒子(不计重力)，从A点对着圆心方向垂直射入磁场，从C点飞出，则（　　）
图3-5
A.粒子带正电
B.粒子的轨道半径为R
C.A、C两点相距
D.粒子在磁场中运动的时间为πm/3Bq解析：用左手定则判断可知粒子带正电，A对.由几何关系可得粒子轨道半径大于R，等于，B错.由A、C和粒子圆轨道的圆心构成的三角形是等边三角形，所以A、C两点相距，C对.粒子在磁场中运动圆弧对应的圆心角为，运动时间为，D正确.?
答案：ACD??
二、本题共9小题，共72分.第8~11小题答案填写在题内横线空白处.解答题应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须写出数值和单位.
8.（5分）如图3-6所示，蹄形磁铁两极间的导体棒ab，当通有自b向a的电流时受到向右的安培力的作用，则磁铁的上端是______________极.如果磁铁上端是S极，导体棒中的电流方向自a到b，则导体棒受到的安培力的方向向______________.
图3-6
解析：用左手定则判断，通电直导线处在竖直向下的磁场中，即N极在上端；用左手定则判断，导体棒受到的安培力方向向右.?
答案：N　右?
9.（5分）如图3-7所示，在轻弹簧的下端悬挂一个边长为L的正方形金属线框.金属线框的下边放在磁感应强度为B的匀强磁场中，当线框中的电流为I时，弹簧仍保持原长，线框恰好平衡.现断开电路，使线框中的电流为零，线框开始向下运动.当线框向下运动到最低点时，弹簧的弹性势能增加了E，则线框下降的距离x=_____________.
图3-7
解析：通有电流I时，线框受到的安培力大小等于其重力大小，即mg=BIL，断开电源后，线框下落，只有重力和弹簧弹力做功，线框、弹簧、地球构成的系统机械能守恒，有：E-mgx=0，所以.?
答案：E/ILB?
10.（5分）如图3-8所示，带电液滴从h高处自由落下，进入一个匀强电场与匀强磁场的互相垂直的区域，磁场方向垂直纸面，电场强度为E，磁感应强度为B.已知液滴在此区域中做匀速圆周运动，则圆周运动的半径R=______________.
图3-8
解析：带电液滴进入磁场就做匀速圆周运动，说明电场力与重力平衡，即Eq=mg得
①?
液滴自离磁场边界h高处下落，下落过程中机械能守恒：得：
②?
做匀速圆周运动所需要的向心力为洛伦兹力，满足：，即
③?
联立方程①②③得：.?
答案：?
11.（5分）正方形导线框abcd，匝数为10匝，边长为20
cm，在磁感应强度为0.2
T的匀强磁场中围绕与B方向垂直的转轴匀速转动，转速为120
r/min.当线框从平行于磁场位置开始转过90°时，线圈中磁通量的变化量是_____________Wb.
解析：导线框与B垂直时磁通量最大，当转过90°时磁通量为零，所以此过程磁通量的变化量就等于初始时刻的磁通量的值，即ΔΦ=BS=0.2×(0.2)2
Wb=0.008
Wb.?
答案：0.008?
12.（10分）如图3-9所示是一宽D=8
cm的同时存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域，一束带电粒子(重力不计)以速度v0垂直射入时恰好不改变运动方向.若粒子射入时内有电场，可测得粒子束穿过电场时沿竖直方向向上偏了3.2
cm；若粒子射入时只有磁场，问：
图3-9
(1)粒子在磁场中的运动情况如何？
(2)粒子离开磁场时偏离原方向多大距离？
答案：粒子在复合场中、电场中和磁场中运动情况各有不同?
（1）电场和磁场共存时，带电粒子做匀速直线运动，则有：Eq=qv0B
①?
（2）只有电场时，带电粒子只受电场力，做类平抛运动，则有：水平方向x=v0t
②?
竖直方向y=Eqt2/2m
③?
解①②③联立的方程组代入y=0.032
?m?得qB2/mE=10.?
(3)只有磁场时，带电粒子只受洛伦兹力做匀速圆周运动，则有：
qBv0=mv02/R　得：R=mE/qB2=0.1
m??
带电粒子从进入磁场到出磁场过程，设粒子在磁场中偏离原方向的距离为d，通过几何关系得R2=D2+(R-d)2??
把R=0.1
m、D=0.08
m代入得d=0.04
m.?
13.(8分)在竖直平面内半圆形光滑绝缘管处在如图3-10所示的匀强磁场中，B=1.1
T，管道半径R=0.8
m，其直径AOB在竖直线上.在管口A处以2
m/s的水平速度射入一个小带电球，其电荷量为10-4
C，问：
图3-10
(1)小球滑到B处的速度为多大？
(2)若小球从B处滑出的瞬间，管子对它的压力恰好为零，小球质量为多少？(取g=10
m/s2)
解析：(1)小球从A到B，利用动能定理?mg·2R=mvb2/2-mva2/2得
vb=6
m/s.?
(2)在B点，对小球进行受力分析,由于小球做圆周运动，所以有?
qvBB-mg=mvb2/R，
得m=1.2×10-5kg.?
答案：（1）6
m/s?　(2)1.2×10-5
kg??
14.（12分）正电子发射计算机断层（PET）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段.
图3-11
（1）PET所用回旋加速器示意如图，其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R，两盒间距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示.质子质量为m，电荷量为q.设质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计，质子在加速器中运动的总时间为t（其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，加速电子时的电压大小可视为不变.求此加速器所需的高频电源频率f和加速电压U.
（2）试推证当Rd时，质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的总时间可忽略不计（质子在电场中运动时，不考虑磁场的影响）.
解析：（1）设质子加速后最大速度为v，由牛顿第二定律有?
质子的回旋周期?
高频电源的频率?
质子加速后的最大动能?
设质子在电场中加速的次数为n，则
又?
可解得?
（2）在电场中加速的总时间为?
在D形盒中回旋的总时间为?
故1?
即当Rd时，t1可忽略不计.?
答案：（1）　（2）证明略?
15.(11分)如图3-12所示，在足够长的竖直放置的绝缘真空管中，有一电荷量为?4×10-4
C、质量为0.1
g的带正电的小圆柱体，恰好可在管内部自由滑动.将此管放在相互垂直的水平匀强磁场和水平匀强电场中，已知E=10
N/C，B=5
T，小圆柱体与管壁的动摩擦因数μ=0.2.设圆柱体在管内静止下落，
图3-12
(1)试说明小圆柱体运动的性质；
(2)下落过程中最大和最小的加速度及与此相对应的速度大小为多少？
解析：（1）见解析(2).?
(2)对小圆柱体受力分析，水平方向：N+qvB=Eq，竖直方向：mg-μN=ma?
当N=0时，即mg=ma，a=g=10
m/s2，此时qvB=Eq得v=E/B=10/5
m/s=2
m/s.?
当速度继续增大时，洛伦兹力随之增大，管壁对小圆柱体的弹力要反向增大，经受力分析得
水平方向：Eq+N=qvB?
竖直方向：mg-μN=ma?
当a=0时，速度达到最大值，即?mg=μ(qvB-Eq)?
得vmax=(mg+μEq)/μqB，代入数据得vmax=4.5
m/s.?
16.（11分）如图3-1-3所示，x轴上方有匀强磁场B，下方有匀强电场E.电荷量为q、质量为m的粒子在y轴上，重力不计，x轴上有一点M(L，0)，要使粒子在y轴上由静止释放能达到M点.问：
图3-1-3
(1)带电粒子应带何种电荷？释放位置离O点须满足什么条件？
(2)粒子从出发点运动到M点经历的时间多长？
解析：(1)带电粒子要在电场中向上加速，所以带电粒子应带负电荷.?
设释放点离原点距离为d，负电荷在电场中加速，由动能定理得：Eqd=mv2/2
①
负电荷在磁场中做匀速圆周运动，其运动半径为R，qvB=mv2/R
②
又由题意得：2nR=L
③?
联立①②③式得d=qB2L2/8n2mE，n=1、2、3……
④?
(2)带电粒子实际运动到M点的时间有两部分组成.设粒子从出发点到原点的时间为t1，则在电场中运动的时间为tE=(2n-1)t1，由运动学方程??
d=Eqt12/2m
⑤?
联立④⑤式得t1=BL/2nE?
带电粒子在磁场中运动的时间tB=nπm/qB，所以带电粒子从出发点运动到M点的总时间为t=tE+tB=(2n-1)BL/2nE+nπm/qB，n=1,2,3……?