高中物理教科版选修3-1练习题 3.5 洛伦兹力的应用 Word版含解析

一、单项选择题
1．有电子、质子、氘核和氚核，以同样的速度垂直射入同一匀强磁场中，它们在磁场中做匀速圆周运动，则轨道半径最大的是(　B　)
A．氘核 B．氚核
C．电子 D．质子
解析：因为Bqv＝，故r＝，因为v、B相同，所以r∝，而氚核的最大，故选B.
2.在图中，水平导线中有电流I通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流I的方向相同，则电子将(　B　)
A．沿路径a运动，轨迹是圆
B．沿路径a运动，轨迹半径越来越大
C．沿路径a运动，轨迹半径越来越小
D．沿路径b运动，轨迹半径越来越小
解析：由左手定则可判断电子运动轨迹向下弯曲．又由r＝知，B减小，r越来越大，故电子的径迹是a.故B对， A、C、D都错．
3.如图所示，在x轴上方的空间存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B.许多相同的离子，以相同的速率v，由O点沿纸面向各个方向(y>0)射入磁场区域．不计离子所受重力，不计离子间的相互影响．图中曲线表示离子在磁场中运动的区域边界，其中边界与y轴交点为M，边界与x轴交点为N，且OM＝ON＝L.由此可判断(　D　)
A．这些离子是带负电的
B．这些离子运动的半径为L
C．这些离子的比荷＝
D．当离子沿y轴正方向射入磁场时会经过N点
解析：图中曲线表示离子运动的区域边界，当离子沿x轴正方向射入时，轨迹是半圆，这些离子是带正电的，这些离子运动的轨道半径为L/2，选项A、B错误；由qvB＝，R＝，可得＝，这些离子的比荷不等于，选项C错误；当离子沿y轴正方向射入磁场时会经过N点，选项D正确．
4．如图所示，矩形MNPQ区域内有方向垂直于纸面的匀强磁场，有5个带电粒子从图中箭头所示位置垂直于磁场边界进入磁场，在纸面内做匀速圆周运动，运动轨迹为相应的圆弧．这些粒子的质量、电荷量以及速度大小如下表所示，
粒子编号 质量 电荷量(q＞0) 速度大小
1 m 2q v
2 2m 2q 2v
3 3m －3q 3v
4 2m 2q 3v
5 2m －q v
由以上信息可知，从图中a、b、c处进入的粒子对应表中的编号分别为(　D　)
A．3、5、4 B．4、2、5
C．5、3、2 D．2、4、5
解析：根据qvB＝m，得R＝，将5个电荷的电量和质量、速度大小分别代入得R1＝，R2＝，R3＝，R4＝，R5＝.令图中一个小格的长度l＝，则Ra＝2l，Rb＝3l，Rc＝2l.如果磁场方向垂直纸面向里，则从a、b进入磁场的粒子为正电荷，从c进入磁场的粒子为负电荷，则a对应2，c对应5，b对应4，D选项正确．磁场必须垂直纸面向里，若磁场方向垂直纸面向外，则编号1粒子的运动不满足图中所示．
5.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是(　C　)
A．减小磁场的磁感应强度
B．增大匀强电场间的加速电压
C．增大D形金属盒的半径
D．减小狭缝间的距离
解析：回旋加速器工作时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由qvB＝，得v＝；带电粒子射出时的动能Ek＝mv2＝.因此增加磁场的磁感应强度或者增加D形金属盒的半径，都能增大带电粒子射出时的动能．
6.如图所示，MN为两个匀强磁场的分界面，两磁场的磁感应强度大小的关系为B1＝2B2，一带电荷量为＋q(q>0)、质量为m的粒子从O点垂直MN进入B1磁场，则经过多长时间它将向下再一次通过O点(　B　)
A. B.
C. D.
解析：带电粒子在B1区的径迹的半径r1＝，运动周期T1＝；在B2区的径迹的半径r2＝，运动周期T2＝.由于B1＝2B2，所以r2＝2r1，粒子运动径迹如图所示，到向下再一次通过O点的时间t＝T1＋＝＋＝＝，故选B项．
7．如图所示，从S处发出的热电子经加速电压U加速后垂直进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，发现电子流向上极板偏转，设两极板间电场强度为E，磁感应强度为B，欲使电子沿直线从电场和磁场区域通过，只采取下列措施，其中可行的是(　A　)
A．适当减小电场强度E
B．适当减小磁感应强度B
C．适当增大加速电场极板之间的距离
D．适当减小加速电压
解析：电子受电场力方向与场强方向相反，即电子受到电场力方向竖直向上，由左手定则知电子受洛伦兹力竖直向下．电子打在上极板，说明电场力大于洛伦兹力，欲使电子沿直线运动，可行方法是减小电场力或增大洛伦兹力．减小电场强度E，电场力减小，则A可行；减小磁感应强度B，洛伦兹力减小，B不可行；适当增大加速电场极板间的距离，对电子无影响，C不可行；减小加速电压，进入电场和磁场区域的速度减小，洛伦兹力减小，D不可行．
二、多项选择题
8．1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱仪的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是(　BD　)
A．该束带电粒子带负电
B．速度选择器的P1极板带正电
C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小
解析：根据带电粒子在磁场中偏转情况，由左手定则可知，该束带电粒子带正电，选项A错误；速度选择器的P1极板带正电，选项B正确；粒子进入B2磁场，洛伦兹力提供向心力，由R＝可知，在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小，选项C错误，D正确．
9．如图所示为磁流体发电机的原理图：将一束等离子体垂直于磁场方向射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，这时金属板上就会聚集电荷，两板间就会产生电压，如果射入的等离子体速度均为v，两金属板间距离为d，板平面的面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于速度方向，负载电阻为R，等离子体充满两板间的空间．当发电机稳定发电时，电流表示数为I，下列说法正确的是(　ACD　)
A．上极板A带负电
B．两极板间的电动势为IR
C．板间等离子体的内阻为－R
D．板间等离子体的电阻率为(－R)
解析：由左手定则可以判断正电荷受到的洛伦兹力向下，所以正电荷会聚集到B板上，负电荷受到的洛伦兹力向上，负电荷聚集到A板上，故B板相当于电源的正极，A板相当于电源的负极，故A正确．最终稳定时，电荷所受洛伦兹力和电场力平衡，有qvB＝q，解得E＝vBd，故B错误．根据闭合电路欧姆定律得等离子体的内阻R′＝－R＝－R.由电阻定律得R′＝ρ.将上式综合，解得ρ＝(－R)，故C、D正确．
10．长为L的水平极板间，有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，板间距离也为L，极板不带电．现有质量为m，电荷量为q的带正电粒子(重力不计)，从左边极板间中点处垂直磁场以速度v水平射入，如图所示．欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是(　AB　)
A．使粒子速度v<
B．使粒子速度v>
C．使粒子速度v>
D．使粒子速度解析：当粒子恰好从上极板右边缘飞出时(如图所示)，半径为R，则
L2＋(R－)2＝R2，R＝L.
由R＝得v＝＝，即
当粒子的速度v>时，粒子就打不到极板上．
当粒子恰好从上极板左边缘飞出时(如图所示)
R＝，由R＝得v＝＝，
即当粒子的速度v<时，粒子也不能打到极板上．
故欲使粒子不打到极板上，
则v<或v>.
三、非选择题
11.带电粒子的质量m＝1.7×10－27 kg，电荷量q＝1.6×10－19 C，以速度v＝3.2×106 m/s沿垂直于磁场同时又垂直于磁场边界的方向进入匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B＝0.17 T，磁场的宽度L＝10 cm，如图所示．求：
(1)带电粒子离开磁场时的速度多大？偏转角多大？
(2)带电粒子在磁场中运动多长时间？射出磁场时偏离入射方向的距离多大？
答案：(1)3.2×106 m/s　30°
(2)3.3×10－8 s　2.7×10－2 m
解析：(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，速度大小不变，故离开磁场时v＝3.2×106 m/s，由题意得R＝＝ m＝0.2 m.
由几何关系得sinθ＝＝，可得θ＝30°.
(2)t＝T，且T＝，
可得：t＝＝s≈3.3×10－8 s，由几何关系可得：
d＝R－＝0.2 m－ m≈2.7×10－2 m.
12．电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的，电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示，磁场方向垂直于圆面，磁场区的中心为O，半径为r.当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕的中心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，此时磁场的磁感应强度B应为多少？
答案：tan
解析：如图所示，电子在磁场中沿圆弧ab运动，圆心为c，半径为R，以v表示电子进入磁场时的速度，m、e分别表示电子质量和电荷量，则：eU＝mv2，evB＝，又有tan＝，由以上各式解得B＝tan.
13．如图所示的平行板器件中，存在相互垂直的匀强磁场和匀强电场，磁场的磁感应强度B1＝0.4 T，方向垂直纸面向里，电场强度E＝2.0×105 V/m，方向向下，PQ为板间中线．紧靠平行板右侧边缘的xOy坐标系的第一象限内，有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度B2＝0.25 T，磁场边界AO和y轴的夹角∠AOy＝45°.一束带电荷量q＝8.0×10－19 C的正离子从P点射入平行板间，沿中线PQ做直线运动，穿出平行板后从y轴上坐标为(0,0.2 m)的Q点垂直于y轴射入磁场区域，离子通过x轴时的速度方向与x轴正方向的夹角为45°～90°之间．离子所受重力不计，则：
(1)离子运动的速度为多大？
(2)离子的质量应在什么范围内？
答案：(1)5×105 m/s　(2)4×10－26 kg～8×10－26 kg
解析：(1)因离子沿直线PQ运动，则有：qE＝qvB1，所以v＝＝5×105 m/s.
(2)离子进入磁场B2后，垂直于OA射出时，速度方向与x轴成45°角，由r1＝＝0.2 m，所以m1＝＝8×10－26 kg.
离子垂直于x轴射出时，如图所示，则有：
r2＝r1＝0.1 m；
由r2＝，所以m2＝＝4×10－26 kg.
所以离子质量范围是4×10－26 kg～8×10－26 kg.