一、單項(本題共5小題,每小題4分,共20分)
1.如圖1所示,兩個完全相同的線圈套在一水平光滑絕緣圓柱上,但能自由移動,若兩線圈內(nèi)通以大小不等的同向電流,則它們的運動情況是( )
圖1
A.都繞圓柱轉(zhuǎn)動 B.以不等的加速度相向運動
C.以相等的加速度相向運動 D.以相等的加速度反向運動
解析:同向環(huán)形電流的間相互吸引,雖兩電流大小不等,但據(jù)牛頓第三定律知兩線圈間的相互作用力必大小相等,所以選C.
答案:C
2.如圖2所示,用三條細(xì)線懸掛的水平圓形線圈共有n匝,線圈由粗細(xì)均勻、單位長度的質(zhì)量為2.5 g的導(dǎo)線繞制而成,三條細(xì)線呈對稱分布,穩(wěn)定時線圈平面水平.在線圈正下方放有一個圓柱形條形磁鐵,磁鐵的中軸線OO′垂直于線圈平面且通過其圓心O,測得線圈的導(dǎo)線所在處磁感應(yīng)強度大小為0.5 T,方向與豎直線成30°角,要使三條細(xì)線上的張力為零,線圈中通過的電流至( )
圖2
A.0.1 A B.0.2 A C.0.05 A D.0.01 A
解析:設(shè)線圈半徑為R,通電導(dǎo)線受到的安培力F=nBI?2πR,所受重力為G=n?2πRρg,平衡時有:Fsin30°=G,則有I=2ρgB,代入數(shù)據(jù)得I=0.1 A,故A正確.
答案:A
3.如圖3所示,質(zhì)量為m、電量為q的帶正電粒子,以初速度v0垂直進入正交的勻強電場E和勻強磁場B中,從P點離開該區(qū)域,此時側(cè)向位移為s,則(重力不計)( )
圖3
A.粒子在P所受的磁場力可能比電場力大
B.粒子的加速度為(Eq-Bqv0)/m
C.粒子在P點的速率為v20+2Eqs/m
D.粒子在P點的動能為mv20/2-Eqs
解析:因為帶電粒子向下偏轉(zhuǎn),所以電場力大于洛倫茲力,電場力做正功,速度增大,所以A、B錯;由動能定理可知12mv2=Eqs+12mv20,所以C對,D錯.
答案:C
4.如圖4所示的虛線區(qū)域內(nèi),充滿垂直于紙面向里的勻強磁場和豎直向下的勻強電場.一點電荷a(不計重力)以一定的初速度由左邊界的O點射入磁場、電場區(qū)域,恰好沿直線由區(qū)域右邊界的O′點(圖中未標(biāo)出)穿出.若撤去該區(qū)域內(nèi)的磁場而保留電場不變,另一個同樣的粒子b(不計重力)仍以相同初速度由O點射入,從區(qū)域右邊界穿出,則粒子b( )
圖4
A.穿出位置一定在O′點下方
B.穿出位置一定在O′點上方
C.運動時,在電場中的電勢能一定減小
D在電場中運動時,動能一定減小
解析:點電荷恰好沿直線穿過場區(qū),則粒子所受電場力與洛倫茲力是一對平衡力,即qE=qvB,且OO′垂直于電場方向,但粒子所帶電性未知,因此當(dāng)撤去磁場只有電場時,不能確定粒子穿出場區(qū)的位置是在O′的下方還是上方,A、B錯;由于點電荷垂直于電場方向進入電場,因此偏轉(zhuǎn)時電場力一定對粒子做正功,粒子的電勢能一定減小,動能一定增大,C項正確,D錯.
答案:C
5.回旋加速器是利用較低電壓的高頻電源,使粒子經(jīng)多次加速獲得巨大速度的一種儀器,工作原理如圖5所示.下列說法正確的是( )
圖5
A.粒子在磁場中做勻速圓周運動
B.粒子由A0運動到A1比粒子由A2運動到A3所用時間少
C.粒子的軌道半徑與它被電場加速的次數(shù)成正比
D.粒子的運動周期和運動速率成正比
解析:本題考查對回旋加速器的基本工作原理的理解,由于D形盒的屏蔽作用,帶電粒子在磁場中不受靜電力的作用,僅受洛倫茲力,因此粒子在磁場中做勻速圓周運動,A正確;粒子的周期T=2πmqB與粒子運動速率無關(guān),從A0到A1和從A2到A3的時間相等,均為T2,故B、D選項錯誤;當(dāng)粒子被加速n次后進入磁場,由nqU=12mv2n,rn=mvnqB可得:rn=2nqUmqB,故rn∝n,C選項不正確,因此本題選A.
答案:A
二、雙項(本題共6小題,每小題6分,共36分)
6.如圖6所示,下端封閉、上端開口、內(nèi)壁光滑的細(xì)玻璃管豎直放置,管底有一帶電的小球.整個裝置以水平向右的速度勻速運動.垂直于磁場方向進入方向水平的勻強磁場,由于外力作用,玻璃管在磁場中的速度保持不變,最終小球從上端開口飛出,小球的電荷量始終保持不變,則從玻璃管進入磁場到小球運動到上端開口的過程中( )
圖6
A.洛倫茲力對小球做正功
B.洛倫茲力對小球不做功
C.小球運動軌跡是拋物線
D.小球運動軌跡是直線
解析:由于洛倫茲力與粒子運動方向始終垂直,所以洛倫茲力對小球不做功,故B正確,A錯誤,由于小球水平向右的速度不變,因此小球所受洛倫茲力在豎直向上的分力不變,所以小球豎直向上做初速度為0的勻加速運動,故小球運動軌跡是拋物線,故C正確,D錯誤.
答案:BC
7.如圖7所示,一質(zhì)量為m,電荷量為q的帶正電絕緣體物塊位于高度略大于物塊高的水平寬敞絕緣隧道中,物塊上、下表面與隧道上、下表面的動摩擦因數(shù)均為μ,整個空間中存在垂直紙面向里,磁感應(yīng)強度為B的水平勻強磁場,現(xiàn)給物塊水平向右的初速度v0,空氣阻力忽略不計,物塊電荷量不變,隧道足夠長,則整個運動過程中,物塊克服阻力做功可能是( )
圖7
①0 ②12mv20-m3g22q2B2
③12mv20 ④m3g22q2B2-12mv20
A.①② B.③④ C.①④ D.②③
解析:物塊進入磁場后的受力情況有三種可能情況:第一種,洛倫茲力和重力是一對平衡力,即qv0B=mg,滿足該情況的v0=mgqB,沒有摩擦力,所以克服摩擦力做功為零;第二種情況,v0>mgqB,擠壓上表面,要克服摩擦力做功,當(dāng)速度減小為v=mgqB后,摩擦力消失,故克服摩擦力做功W=12mv20-12mv2=12mv20-m3g22q2B2;第三種情況,v0
8.如圖8所示,臺秤上放一光滑平板,其左邊固定一擋板,一輕質(zhì)彈簧將擋板和一條形磁鐵連接起來,此時臺秤讀數(shù)為T1.現(xiàn)在磁鐵上方中心偏左位置固定一導(dǎo)體棒,當(dāng)導(dǎo)體棒中通以方向如圖所示的電流后,臺秤讀數(shù)為T2,則以下說法正確的是( )
圖8
A.彈簧長度將變長
B.彈簧長度將變短
C.T1>T2
D.T1
答案:BC
9.如圖9所示,一個用細(xì)線懸吊著的帶電小球,在垂直于勻強磁場方向的豎直面內(nèi)擺動,圖中B為小球運動的最低位置,則( )
A.小球向右和向左運動通過B點時,小球的加速度相同
B.小球向右和向左運動通過B點時,懸線對小球的拉力相同
C.小球向右和向左運動通過B點時,具有的動能相同
D.小球向右和向左運動通過B點時,具有的速度相同
圖9
解析:帶電小球在運動過程中,因洛倫茲力不做功,只有重力做功,機械能守恒,擺球不管向何方向運動通過最低點時,速率v必然相等,動能相同.故C正確;向心加速度a=v2R則a相同,故A正確.若小球帶正電,在最低點向右和向左運動時,拉力分別為FT1和FT2,則FT1+qvB-mg=ma,F(xiàn)T2-qvB-mg=ma,則FT1
10.如圖10所示,空間存在相互垂直的勻強電場和勻強磁場,電場的方向豎直向下,磁場的方向垂直紙面向里,一帶電油滴P恰好處于靜止?fàn)顟B(tài),則下列說法正確的是( )
圖10
A.若撤去電場,P可能做勻加速直線運動
B.若撤去磁場,P可能做勻加速直線運動
C.若給P一初速度,P可能做勻速直線運動
D.若給P一初速度,P可能做順時針方向的勻速圓周運動
解析:由P處于靜止?fàn)顟B(tài),則P帶負(fù)電.若撤去電場,只受重力和磁場力作用,由于磁場方向與速度垂直必做曲線運動,故A錯.若撤去磁場,受重力和電場力仍處于平衡狀態(tài),故B錯.若所給初速度的方向與磁場方向平行,油滴只受重力和電場力處于平衡狀態(tài),做勻速直線運動;若所給初速度的方向向上,與磁場方向垂直,合力等于洛倫茲力,則P做順時針的勻速圓周運動,故C、D正確.
答案:CD
11.如圖11所示,平行金屬板M、N之間的距離為d,其中勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,方向垂直于紙面向外,有帶電量相同的正負(fù)離子組成的等離子束,以速度v沿著水平方向由左端連續(xù)射入,電容器的電容為C,當(dāng)S閉合且電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,平行金屬板M、N之間的內(nèi)阻為r,電容器的帶電量為Q,則下列說法正確的是( )
圖11
A.當(dāng)S斷開時,電容器的充電電荷量Q>CBdv
B.當(dāng)S斷開時,電容器的充電電荷量Q=CBdv
C.當(dāng)S閉合時,電容器的充電電荷量Q=CBdvRR+r
D.當(dāng)S閉合時,電容器的充電電荷量Q=CBdvrR+r
解析:當(dāng)S斷開時,電容器兩端電壓等于電源電動勢E=Bdv,所以Q=CE=CBdv;S閉合時,電容器兩端電壓為路端電壓U=RR+rE=RBdvR+r,Q=CU=CBdvRR+r.
答案:BC
三、非選擇題(本題共3小題,共44分)
12.(14分)如圖12所示,厚度為h,寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中,當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時,在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).實驗表明,當(dāng)磁場不太強時,電勢差U、電流I和B的關(guān)系為U=kIBd,式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù).
霍爾效應(yīng)可解釋如下:外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè),在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷,從而形成橫向電場,橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力,當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時,導(dǎo)體板上、下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差.設(shè)電流I是由電子的定向流動形成的,電子的平均定向流動速度為v,電量為e,回答下列問題:
圖12
(1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢________下側(cè)面A′的電勢(填“高于”、“低于”或“等于”).
(2)電子所受的洛倫茲力的大小為________.
(3)當(dāng)導(dǎo)體板上、下兩側(cè)之間的電勢差為U時,電子所受靜電力的大小為________.
(4)由靜電力和洛倫茲力平衡的條件,證明霍爾系數(shù)為k=1ne,其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個數(shù).
解析:(1)電子向左移動,由左手定則知,電子受洛倫茲力向上,故上側(cè)面A聚積電子,下側(cè)面A′聚積正電荷,故上側(cè)面的電勢低于下側(cè)面.(2)洛倫茲力f=evB.(3)電子受靜電力eE=eUh.(4)電子受橫向靜電力與洛倫茲力的作用,兩力平衡,有:eUh=evB,得U=hvB,通過導(dǎo)體的電流密度I=nev?d?h,又由U=kIBd,得hvB=knev?d?hdB,解得k=1ne.
答案:見解析
13.(15分)如圖13甲所示,偏轉(zhuǎn)電場的兩個平行極板水平放置,板長L=0.08 m,板距足夠大,兩板的右側(cè)有水平寬度l=0.06 m、豎直寬度足夠大的有界勻強磁場.一個比荷為qm=5×107 C/kg的帶負(fù)電粒子(其重力不計)以v0=8×105 m/s速度從兩板間中間沿與板平行的方向射入偏轉(zhuǎn)電場,進入偏轉(zhuǎn)電場時,偏轉(zhuǎn)電場的場強恰好按圖乙所示的規(guī)律變化,粒子離開偏轉(zhuǎn)電場后進入勻強磁場,最終垂直磁場右邊界射出.求:
甲 乙
圖13
(1)粒子在磁場中運動的速率v;
(2)粒子在磁場中運動的軌道半徑R;
(3)磁場的磁感應(yīng)強度B.
解析:(1)電子在偏轉(zhuǎn)電場中的運動時間
t=Lv0=0.088×105 s=1×10-7 s①
對比乙圖可知,電子在極板間運動的時間是偏轉(zhuǎn)電壓的一個周期
在第一個t=5×10-8 s時間內(nèi),電子在垂直于極板方向上做初速度為0的勻加速度運動,在第二個t=5×10-8 s時間內(nèi),電子做勻速直線運動.②
在第一個t=5×10-8 s時間內(nèi),
vy=qEmt=5×107×2.4×105×5×10-8 m/s=6×105 m/s③
v=v20+v2y=?8×105?2+?6×105?2 m/s=1×106 m/s④
(2)電子在磁場中的運動軌跡如圖所示.
設(shè)電子在磁場中做勻速圓周運動的半徑為R,由幾何關(guān)系,有
lR=v⊥v⑤
R=vv⊥l=1×1066×105×0.06 m=0.1 m⑥
(3)粒子在磁場中做勻速圓周運動,有qvB=mv2R⑦
B=mvqR=1×1065×107×0.1T=0.2 T⑧
答案:(1)1×106 m/s (2)0.1 m (3)0.2 T
14.(15分)如圖14所示,勻強電場區(qū)域和勻強磁場區(qū)域是緊鄰的,且寬度相等,均為d;電場方向在紙平面內(nèi),而磁場方向垂直紙面向里.一帶正電粒子從O點以速度v0沿垂直電場方向進入電場,在電場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),從A點離開電場進入磁場,離開電場時帶電粒子在電場方向的位移為電場寬度的一半,當(dāng)粒子從C點穿出磁場時速度方向與進入電場O點時的速度方向一致,(帶電粒子重力不計)求:
圖14
(1)粒子從C點穿出磁場時的速度v.
(2)電場強度E和磁感應(yīng)強度B的比值E/B.
(3)粒子在電、磁場中運動的總時間.
解析:(1)粒子在電場中偏轉(zhuǎn),在垂直電場方向v1=v0,平行電場分量為vy,則d=v1?t=v0t,d2=vy2?t,所以vy=vx=v0,得v=2v0,tanθ=vyvx=1.所以θ=45°,即粒子進入磁場時的速度方向與水平方向成45°角斜向右下方.粒子在磁場中做勻速圓周運動,故穿出磁場速度v=2v0,方向水平向右.
(2)在電場中運動時vy=qEm?t=qEm?dv0,得E=mv20qd.在磁場中運動如圖,運動方向改變45°,運動半徑為R,則R=dsin45°=2d,又qvB=mv2R,
則B=mvqR=m?2v0q?2d=mv0qd,所以EB=v0.
(3)粒子在電場中運動時間t=dv0,粒子在磁場中運動時間
t′=π42π?T=T8=πm4qB=πm4qmv0qd=πd4v0,
運動總時間t總=t+t′=dv0+πd4v0.
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