
1. (2023·山東煙臺模擬)有一種磁強(qiáng)計(jì),可用于測定磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其原理如圖所示。將一段橫截面為長方形的N型半導(dǎo)體(主要靠自由電子導(dǎo)電)放在勻強(qiáng)磁場中,兩電極P、Q分別與半導(dǎo)體的前后兩側(cè)接觸。已知磁場方向沿y軸正方向,N型半導(dǎo)體橫截面的長為a,寬為b,單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n,電子電荷量為e,自由電子所做的定向移動(dòng)可視為勻速運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)體中通有沿x軸正方向、大小為I的電流時(shí),兩電極P、Q間的電勢差為U。下列說法正確的是( C )
A.P為正極,Q為負(fù)極
B.磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為eq \f(neaU,I)
C.磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為eq \f(nebU,I)
D.其他條件不變時(shí),n越大,電勢差U越大
【解析】 根據(jù)左手定則,結(jié)合自由電子定向移動(dòng)的方向與電流方向相反,可知,自由電子受到的洛倫茲力方向指向P,則自由電子偏向P,則P為負(fù)極,Q為正極,故A錯(cuò)誤;設(shè)自由電子定向移動(dòng)的速率為v,則單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離為vΔt,則體積為abvΔt,電荷量為neabvΔt,則I=eq \f(Δq,Δt)=neabv,兩電極P、Q間的電勢差為U時(shí),對于自由電子,根據(jù)平衡條件eq \f(Ue,a)=evB,聯(lián)立解得B=eq \f(nebU,T),故B錯(cuò)誤,C正確;根據(jù)U=Bav則其他條件不變時(shí),電勢差U與n無關(guān),故D錯(cuò)誤。故選C。
2. (2023·山東東營二模)筆記本電腦機(jī)身和顯示屏分別裝有霍爾元件和磁體,實(shí)現(xiàn)開屏變亮,合屏熄滅。圖乙為一塊利用自由電子導(dǎo)電,長、寬、高分別為a、b、c的霍爾元件,電流方向向右。當(dāng)合上顯示屏?xí)r,水平放置的元件處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,元件前、后表面間產(chǎn)生電壓,當(dāng)電壓達(dá)到某一臨界值時(shí),屏幕自動(dòng)熄滅。則元件的( D )
A.合屏過程中,前表面的電勢比后表面的低
B.開屏過程中,元件前、后表面間的電壓變大
C.若磁場變強(qiáng),可能出現(xiàn)閉合屏幕時(shí)無法熄屏
D.開、合屏過程中,前、后表面間的電壓U與b無關(guān)
【解析】 電流方向向右,電子向左定向移動(dòng),根據(jù)左手定則,自由電子向后表面偏轉(zhuǎn),后表面積累了電子,前表面的電勢高于后表面的電勢,故A錯(cuò)誤;穩(wěn)定后根據(jù)平衡條件有evB=eeq \f(U,b),根據(jù)電流的微觀表達(dá)式有I=neSv=nebcv解得U=eq \f(BI,nec),所以開屏過程中,磁感應(yīng)強(qiáng)度減小,元件前、后表面間的電壓變小。若磁場變強(qiáng),元件前、后表面間的電壓變大,不可能出現(xiàn)閉合屏幕時(shí)無法熄屏。開、合屏過程中,前、后表面間的電壓U與b無關(guān),故D正確,BC錯(cuò)誤。故選D。
3. (多選)(2023·江南十校聯(lián)考)如圖所示,半徑為R的雙層光滑管道位于豎直平面內(nèi),質(zhì)量為m、帶電量為+q的小球位于管道最低點(diǎn)A,B是最高點(diǎn),空間存在水平向左、場強(qiáng)大小E=eq \f(mg,q)的勻強(qiáng)電場,現(xiàn)在A點(diǎn)給小球一水平初速度v0,小球恰好能夠做完整的圓周運(yùn)動(dòng),重力加速度為g,下列說法正確的是( AC )
A.v0的大小為eq \r(2?\r(2)+1?gR)
B.經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)小球受到管道外壁的壓力大小為(3-2eq \r(2))mg
C.經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)小球受到管道外壁的支持力大小為(3+2eq \r(2))mg
D.若在A點(diǎn)給小球的水平初速度增大一倍,小球經(jīng)過B點(diǎn)的速度也增大一倍
【解析】 如圖所示,
小球在等效最低點(diǎn)P靜止時(shí),受重力、支持力和電場力三力平衡,根據(jù)平衡條件,有mgtan θ=qE,結(jié)合E=eq \f(mg,q)知θ=45°,且重力和電場力的合力F=eq \r(2)mg,小球恰好能夠做完整的圓周運(yùn)動(dòng),說明小球經(jīng)過等效最高點(diǎn)Q時(shí)速度剛好為零,由Q到A根據(jù)動(dòng)能定理,有mg(R+Rcs 45°)+qERsin 45°=eq \f(1,2)mveq \\al(2,0),解得v0=eq \r(2?\r(2)+1?gR),A正確;在A點(diǎn)根據(jù)向心力公式有N-mg=meq \f(v\\al(2,0),R)解得N=(3+2eq \r(2))mg,C正確;由B到A根據(jù)動(dòng)能定理,有mg·2R=eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)-eq \f(1,2)mveq \\al(2,B),解得vB=eq \r(v\\al(2,0)-4gR),在B點(diǎn)有mg-NB=meq \f(v\\al(2,B),R),解得經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)小球受到管道內(nèi)壁的支持力大小為NB=(3-2eq \r(2))mg。BD錯(cuò)誤,故選AC。
4. (多選)(2023·河北九師聯(lián)盟質(zhì)檢)如圖所示,厚度非常薄的鉛板MN的上方、下方分別分布有垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為2B、B的有界勻強(qiáng)磁場,一比荷為k、電量為q的粒子(不計(jì)重力)從a點(diǎn)射入第一個(gè)磁場,經(jīng)過鉛板的b點(diǎn)射入第二個(gè)磁場,從c點(diǎn)射出第二個(gè)磁場,緊接著進(jìn)入虛線PJ(與MN平行)下方的與MN垂直的勻強(qiáng)電場,粒子到達(dá)d點(diǎn)時(shí)速度正好與PJ平行。已知兩個(gè)圓弧軌跡的圓心均在鉛板的O點(diǎn),Oa=R、∠aOb=∠cOb=60°,粒子與鉛板的作用時(shí)間忽略不計(jì),下列說法正確的是( BD )
A.該粒子帶正電
B.粒子從a到c的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為eq \f(π,2Bk)
C.粒子與鉛板的碰撞生熱為3B2R2qk
D.c點(diǎn)與d點(diǎn)的電勢差為eq \f(1,8)kB2R2
【解析】 由左手定則可知該粒子帶負(fù)電,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;粒子從a到c的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為tac=eq \f(π,3)×eq \f(m,2Bq)+eq \f(π,3)×eq \f(m,Bq),結(jié)合k=eq \f(q,m),綜合計(jì)算可得tac=eq \f(π,2Bk),選項(xiàng)B正確;分析可知粒子在兩個(gè)磁場中運(yùn)動(dòng)的圓弧軌跡半徑相等,設(shè)為R,由洛倫茲力充當(dāng)向心力可得2Bqv1=eq \f(mv12,R),Bqv2=eq \f(mv22,R),綜合可得mv1=2BqR,mv2=BqR,由能量守恒,粒子與鉛板的碰撞生熱為Q=eq \f(1,2)mv12-eq \f(1,2)mv22,結(jié)合m=eq \f(q,k),綜合計(jì)算可得Q=eq \f(3,2)B2R2qk,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;分析可知粒子從c點(diǎn)到d點(diǎn)做類斜拋運(yùn)動(dòng),粒子在c點(diǎn)的速度與PJ的夾角為30°,把粒子在c點(diǎn)的速度分別沿著PJ和電場線的方向分解,沿著PJ方向的分速度為vx=v2cs 30°,粒子到達(dá)d點(diǎn)時(shí)沿電場線方向的分速度為0,由動(dòng)能定理Ucdq=eq \f(1,2)mveq \\al(2,2)-eq \f(1,2)mveq \\al(2,x),結(jié)合m=eq \f(q,k),mv2=BqR,綜合解得Ucd=eq \f(1,8)kB2R2,選項(xiàng)D正確。故選BD。
B組·綜合練
5. (2023·遼寧沈陽質(zhì)監(jiān))如圖所示,半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場,方向垂直紙面向外,足夠長的水平熒光屏PQ與圓形磁場區(qū)相切于P點(diǎn)。質(zhì)量為m、電量為q的帶正電的粒子從P點(diǎn)以速率v=eq \f(qBR,m)沿與豎直方向夾角θ=30°的方向射入磁場。粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后沿水平方向離開磁場。離開磁場的瞬間,在熒光屏上方施加豎直向下的勻強(qiáng)電場,電場區(qū)域足夠?qū)挘妶鰪?qiáng)度E=eq \f(qB2R,m),不計(jì)粒子重力,已知R=1.0 m。求:
(1)粒子離開磁場時(shí)距離熒光屏的高度h;
(2)粒子打到熒光屏上的亮點(diǎn)距P點(diǎn)的距離s。(計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
【答案】 (1)1.5 m (2)2.6 m
【解析】 (1)由v=eq \f(qBR,m)可得,粒子在磁場中的軌道半徑為R=eq \f(mv,qB)
即與磁場圓半徑一樣,粒子軌跡圖如下
由幾何關(guān)系得h=R+Rsin θ=1.5 m。
(2)由類平拋規(guī)律得h=eq \f(1,2)at2
x=vt
由牛頓第二定律得Eq=ma
聯(lián)立解得x=eq \r(3)R≈1.7 m
粒子打到熒光屏上的亮點(diǎn)距P點(diǎn)的距離
s=x+Rcs θ
聯(lián)立可得s≈2.6 m。
6. (2023·山東濟(jì)寧一模)如圖所示,在三維坐標(biāo)系O-xyz中存在一長方體ABCD-abOd,yOz平面左側(cè)存在沿z軸負(fù)方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1(未知)的勻強(qiáng)磁場,右側(cè)存在沿BO方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2(未知)的勻強(qiáng)磁場。現(xiàn)有一帶正電粒子以初速度v從A點(diǎn)沿平面ABCD進(jìn)入磁場,經(jīng)C點(diǎn)垂直yOz平面進(jìn)入右側(cè)磁場,此時(shí)撤去yOz平面左側(cè)的磁場B1,換上電場強(qiáng)度為E(未知)的勻強(qiáng)電場,電場強(qiáng)度的方向豎直向上,最終粒子恰好打在Aa棱上。已知AB=2L、Aa=L,B2=5eq \r(2)B1,粒子的電量為q,質(zhì)量為m(重力不計(jì))。求:
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的大小;
(2)粒子第二次經(jīng)過yOz平面的坐標(biāo);
(3)電場強(qiáng)度E的大小。
【答案】 (1)B1=eq \f(2mv,5qL) (2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(L,2),\f(L,2)))
(3)eq \f(mv2,4qL)
【解析】 (1)帶電粒子在yOz平面左側(cè)磁場中做圓周運(yùn)動(dòng),由幾何關(guān)系得R2=(2L)2+(R-L)2
解得R=eq \f(5,2)L
由牛頓第二定律可得qvB1=meq \f(v2,R)
解得B1=eq \f(2mv,5qL)。
(2)在右側(cè)磁場中由牛頓第二定律得qvB2=meq \f(v2,r)
解得r=eq \f(\r(2),4)L
y=2rsin 45°=eq \f(L,2)
z=L-2rcs 45°=eq \f(L,2)
即坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(L,2),\f(L,2)))。
(3)粒子在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng),x軸方向上2L=vt
y軸方向上L-y=eq \f(qE,2m)t2
解得E=eq \f(mv2,4qL)。
7. (2023·山東菏澤二模)如圖所示,在xOy平面內(nèi)半徑為R(未知)的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直于平面向外的勻強(qiáng)磁場,圓形區(qū)域的邊界與y軸在坐標(biāo)原點(diǎn)O相切,區(qū)域內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1??臻g中z軸正方向垂直于xOy平面向外,x軸上過D點(diǎn)(4d,0,0)放置一足夠大且垂直于x軸的粒子收集板PQ,PQ與yOz平面間有一沿x軸正方向的勻強(qiáng)電場,電場強(qiáng)度大小為E。x軸上過C點(diǎn)(d,0,0)垂直于x軸的平面MN與PQ間存在沿x軸負(fù)方向的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2。在xOy平面內(nèi)的-2R≤x≤-R區(qū)域內(nèi),有大量質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子沿y軸正方向以速度v0射入圓形區(qū)域,經(jīng)過磁場偏轉(zhuǎn)后所有粒子均恰好經(jīng)過O點(diǎn),然后進(jìn)入y軸右側(cè)區(qū)域。已知電場強(qiáng)度大小E=eq \f(mv\\al(2,0),6qd),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B2=eq \f(\r(3)πmv0,4qd),不計(jì)帶電粒子的重力及粒子間的相互作用。求:
(1)帶電粒子在圓形區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑;
(2)帶電粒子到達(dá)MN平面上的所有位置中,離x軸最遠(yuǎn)的位置坐標(biāo);
(3)經(jīng)過MN平面時(shí)離x軸最遠(yuǎn)的帶電粒子到達(dá)收集板PQ時(shí)的位置坐標(biāo)。
【答案】(1)R=eq \f(mv0,qB1) (2)(d,-2eq \r(3)d,0)
(3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(4d,\f(4\r(3)d,3π)-2\r(3)d,-\f(4\r(3)d,3π)))
【解析】 (1)只有帶電粒子的軌道半徑等于圓形磁場的半徑,粒子才能全部經(jīng)過O點(diǎn),由洛倫茲力提供向心力可得qv0B1=meq \f(v\\al(2,0),R)
解得R=eq \f(mv0,qB1)。
(2)經(jīng)過A點(diǎn)射入圓形磁場的粒子經(jīng)過O點(diǎn)時(shí),速度方向沿y軸負(fù)方向,在MN上的位置離x軸最遠(yuǎn),在y軸右側(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的帶電粒子,沿x軸正方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng),由牛頓第二定律得qE=ma
解得a=eq \f(v\\al(2,0),6d)
由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得d=eq \f(1,2)at2
解得t=eq \f(2\r(3)d,v0)
又L=v0t
解得離x軸最遠(yuǎn)的距離L=2eq \r(3)d
對應(yīng)坐標(biāo)為(d,-2eq \r(3)d,0)。
(3)經(jīng)過MN時(shí)離x軸最遠(yuǎn)的帶電粒子,沿x軸做勻加速直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)收集板PQ,粒子在到達(dá)MN平面時(shí),沿x軸方向的速度大小veq \\al(2,Cx)=2ad
解得vCx=eq \f(\r(3),3)v0
設(shè)粒子從MN到達(dá)PQ所用的時(shí)間為t2,則3d=vCxt2+eq \f(1,2)ateq \\al(2,2)
解得t2=eq \f(2\r(3)d,v0)
經(jīng)過MN時(shí)離x軸最遠(yuǎn)的帶電粒子,在yOx平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由洛倫茲力提供向心力得qv0B2=meq \f(v\\al(2,0),r)
解得r=eq \f(4d,\r(3)π)
粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=eq \f(2πr,v0)
又eq \f(t2,T)=eq \f(α,2π)
解得α=eq \f(3,2)π
帶電粒子到達(dá)收集板PQ上位置的y坐標(biāo)為-(L-r),則該帶電粒子到達(dá)收集板PQ上位置坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(4d,\f(4\r(3)d,3π)-2\r(3)d,-\f(4\r(3)d,3π)))。
8. (2023·山東臨沂一模)如圖所示,在平面坐標(biāo)系xOy中,在x軸上方空間內(nèi)充滿勻強(qiáng)磁場Ⅰ,磁場方向垂直紙面向外,在第三象限內(nèi)存在沿y軸正方向的勻強(qiáng)電場,一質(zhì)量為m電荷量為q的帶正電離子從x軸上的M(-3d,0)點(diǎn)射入電場,速度方向與x軸正方向夾角為45°,之后該離子從N(-d,0)點(diǎn)射入磁場Ⅰ,速度方向與x軸正方向夾角也為45°,速度大小為v,離子在磁場Ⅰ中的軌跡與y軸交于P點(diǎn),最后從Q(3d,0)點(diǎn)射出第一象限,不計(jì)離子重力。
(1)求第三象限內(nèi)電場強(qiáng)度的大小E;
(2)求出P點(diǎn)的坐標(biāo);
(3)邊長為d的立方體中有垂直于AA′C′C面的勻強(qiáng)磁場Ⅱ,立方體的ABCD面剛好落在坐標(biāo)系xOy平面內(nèi)的第四象限,A點(diǎn)與Q點(diǎn)重合,AD邊沿x軸正方向,離子從Q點(diǎn)射出后在該立方體內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn),且恰好通過C′點(diǎn),設(shè)勻強(qiáng)磁場Ⅰ的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,勻強(qiáng)磁場Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2,求B1與B2的比值。
【答案】 (1)eq \f(mv2,2qd) (2)(0,(eq \r(7)-2)d)
(3)eq \f(3\r(2),8)
【解析】 (1)粒子在M點(diǎn)的速度大小為v′,則v′cs 45°=vcs 45°
則v′=v
粒子在電場中從M點(diǎn)到N點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t,加速度為a,則2d=vtcs 45°
a=eq \f(qE,m),l=eq \f(2vsin 45°,a)
解得場強(qiáng)大小E=eq \f(mv2,2qd)。
(2)由幾何關(guān)系知R=2eq \r(2)d
設(shè)P點(diǎn)的坐標(biāo)為yP,則R2=d2+(yP+2d)2
解得yP=(eq \r(7)-2)d
則P點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,(eq \r(7)-2)d)。
(3)粒子在勻強(qiáng)磁場Ⅰ中qvB1=meq \f(v2,R)
離子在勻強(qiáng)磁場Ⅱ中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R2,
則qvB2=meq \f(v2,R2)
由幾何關(guān)系Req \\al(2,2)=(eq \r(2)d)2+(R2-d)2
解得R2=eq \f(3,2)d
聯(lián)立解得eq \f(B1,B2)=eq \f(R2,R)
代入數(shù)據(jù)eq \f(B1,B2)=eq \f(3\r(2),8)。
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