高三物理二輪高頻考點(diǎn)沖刺突破專題17磁場中的各類儀器原理(原卷版+解析)-試卷下載-教習(xí)網(wǎng)

【典例專練】
高考真題
1．某興趣小組設(shè)計(jì)的測量大電流的裝置如圖所示，通有電流I的螺繞環(huán)在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場，通有待測電流的直導(dǎo)線垂直穿過螺繞環(huán)中心，在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場。調(diào)節(jié)電阻R，當(dāng)電流表示數(shù)為時(shí)，元件輸出霍爾電壓為零，則待測電流的方向和大小分別為（）
A．，B．，
C．，D．，
2．一對(duì)平行金屬板中存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，其中電場的方向與金屬板垂直，磁場的方向與金屬板平行且垂直紙面向里，如圖所示。一質(zhì)子（）以速度自O(shè)點(diǎn)沿中軸線射入，恰沿中軸線做勻速直線運(yùn)動(dòng)。下列粒子分別自O(shè)點(diǎn)沿中軸線射入，能夠做勻速直線運(yùn)動(dòng)的是（）（所有粒子均不考慮重力的影響）
A．以速度的射入的正電子
B．以速度射入的電子
C．以速度射入的核
D．以速度射入的a粒子
3．如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間，相距為L的兩光滑平行金屬導(dǎo)軌固定在與導(dǎo)軌平面垂直的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，導(dǎo)軌平面與水平面夾角為，兩導(dǎo)軌分別與P、Q相連，質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒垂直導(dǎo)軌放置，恰好靜止，重力加速度為g，不計(jì)導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，下列說法正確的是（）
A．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
B．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
C．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
D．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
速度選擇器
4．如圖為某型號(hào)質(zhì)譜儀工作原理示意圖。為兩正對(duì)平行金屬板，為其軸線，兩板間有方向如圖所示的、大小為E的勻強(qiáng)電場及垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場（圖中未畫出）。原子核沿射入兩板間，只有符合要求的原子核才能從點(diǎn)沿半徑方向射入圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場區(qū)域半徑為R，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，方向垂直于紙面向外。顯微鏡P置于與圓形磁場同心的弧形軌道上，可沿圓軌道自由移動(dòng)，C點(diǎn)為延長線與圓軌道的交點(diǎn)，與間夾角為。不計(jì)原子核重力，下列說法正確的是（）
A．不同的原子核從點(diǎn)射出的速度大小不同
B．能夠進(jìn)入磁場區(qū)域的原子核的速度
C．若顯微鏡在角位置觀測到原子核，則該原子核比荷
D．用該質(zhì)譜儀分析氫的同位素時(shí)，若在的位置觀察到的是到氕核，那么在位置觀察到的是氚核
5．有人設(shè)計(jì)了如圖所示的簡易實(shí)驗(yàn)裝置來篩選實(shí)驗(yàn)室所需要的離子。S為離子源，能夠提供大量比荷和速率均不一樣的離子。AB為兩個(gè)板間電壓為U的平行金屬板，相距為d（d很?。Ｉ喜糠殖蓤A弧形，中軸線所在圓弧半徑為R（如虛線所示），該區(qū)域只存在電場；下部分平直，且中間還充滿磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場。不計(jì)離子重力影響，下列說法錯(cuò)誤的是（）
A．所加磁場的方向垂直于紙面向里
B．通過改變U和B，可以選取滿足要求的正離子
C．所有速率等于的離子均能通過該儀器
D．通過該儀器的離子，比荷一定為
6．有人設(shè)想用如圖所示的裝置來選擇密度相同、大小不同的球狀納米粒子。粒子在電離室中電離后帶正電，電量與其表面積成正比。電離后，粒子緩慢通過小孔進(jìn)入極板間電壓為的水平加速電場區(qū)域Ⅰ，再通過小孔射入相互正交的勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅱ，其中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，方向如圖。收集室的小孔與、在同一條水平線上。半徑為的粒子，其質(zhì)量為、電量為，剛好能沿直線射入收集室。不計(jì)納米粒子重力，擊中極板的粒子被板吸收且不影響原來的電場分布（半徑為的球體體積公式，球體表面積公式），則（）
A．電場強(qiáng)度大小為
B．電場強(qiáng)度大小為
C．若粒子半徑為，加速后的速度為
D．若粒子半徑為，加速后的速度為
質(zhì)譜儀
7．如圖所示為質(zhì)譜儀的工作原理圖，在容器A中存在若干種電荷量q相同而質(zhì)量m不同的帶電粒子，它們可從容器A下方經(jīng)過窄縫S1和S2之間的電場加速后射入速度選擇器，速度選擇器中的電場E和磁場B都垂直于離子速度，且E也垂直于B。通過速度選擇器的粒子接著進(jìn)入均勻磁場B0中，沿著半圓周運(yùn)動(dòng)后到達(dá)照相底片上形成譜線。若測出譜線A到入口S0的距離為x，則下列能正確反映x與m之間函數(shù)關(guān)系的是（）
A．B．C．D．
8．質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，其工作原理示意圖如圖所示?，F(xiàn)利用質(zhì)譜儀對(duì)氫元素進(jìn)行分析，讓氫的三種同位素（氕、氘、氚）的離子流從容器A下方的小孔S1無初速度飄入電勢差為U的的加速電場，加速后經(jīng)小孔S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B勻強(qiáng)磁場中，最后打在照相底片D上，形成a，b，c三條“質(zhì)譜線”，不計(jì)離子的重力和離子間的相互作用，下列判斷正確的是（）
A．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次對(duì)應(yīng)的是氕、氘、氚
B．氕、氘、氚進(jìn)入磁場瞬間速率之比為
C．氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為
D．氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間之比為3∶2∶1
9．某種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖如圖所示。此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：粒子源；P、Q間電壓恒為的加速電場；靜電分析器，即中心線半徑為的四分之一圓形通道，通道內(nèi)有均勻輻射電場，方向沿徑向指向圓心，且與圓心等距的各點(diǎn)電場強(qiáng)度大小相等；磁感應(yīng)強(qiáng)度為的有界勻強(qiáng)磁場，方向垂直紙面向外。當(dāng)有粒子打到膠片上時(shí)，可以通過測量粒子打到上的位置來推算粒子的比荷，從而分析粒子的種類及性質(zhì)。由粒子源發(fā)出的不同種類的帶電粒子，經(jīng)加速電場加速后從小孔進(jìn)入靜電分析器，其中粒子和粒子恰能沿圓形通道的中心線通過靜電分析器，并經(jīng)小孔垂直磁場邊界進(jìn)入磁場，最終打到膠片上，其軌跡分別如圖中的和所示。忽略帶電粒子離開粒子源時(shí)的初速度，不計(jì)粒子所受重力以及粒子間的相互作用。下列說法中正確的是（）
A．粒子可能帶負(fù)電
B．若只增大加速電場的電壓，粒子可能沿曲線運(yùn)動(dòng)
C．粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度大于粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度
D．打到膠片上的位置距離點(diǎn)越遠(yuǎn)的粒子，比荷越小
磁流體發(fā)電機(jī)
10．海水中含有大量的正負(fù)離子，并在某些區(qū)域具有固定的流動(dòng)方向，據(jù)此人們?cè)O(shè)計(jì)并研制“海流發(fā)電機(jī)”，可生產(chǎn)無污染的再生能源，對(duì)海洋航標(biāo)燈持續(xù)供電，其工作原理如圖所示，用絕緣防腐材料制成一個(gè)橫截面為矩形的管道，在管道上、下兩個(gè)表面裝有防腐導(dǎo)電板M，N，板長為a、寬為b（未標(biāo)出），兩板間距為d，將管道沿著海水流動(dòng)方向固定于海水中，將航標(biāo)燈L與兩導(dǎo)電板M和N連接，加上垂直于管道前后面的勻強(qiáng)磁場（方向如圖），磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，海水流動(dòng)方向如圖所示，海水流動(dòng)速率為v，已知海水的電阻率為，航標(biāo)燈電阻為R，則下列說法正確的是（）
A．“海流發(fā)電機(jī)”對(duì)航標(biāo)燈L供電的電流方向是
B．“海流發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是
C．通過航標(biāo)燈L電流的大小是
D．“海流發(fā)電機(jī)”發(fā)電的總功率為
11．如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間，將兩板分別與兩根水平放置的光滑金屬導(dǎo)軌M、N連接，電阻為R的金屬棒垂直于導(dǎo)軌放置且接觸良好，棒的中點(diǎn)用細(xì)繩經(jīng)光滑定滑輪與質(zhì)量為m的物體相連，導(dǎo)軌間的距離為L，導(dǎo)軌間存在豎直方向大小為B2的勻強(qiáng)磁場，重力加速度為g，不計(jì)導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，為使物體保持靜止下列說法正確的是（）
A．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
B．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
C．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
D．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
12．如圖所示，磁流體發(fā)電機(jī)的通道是一長度為L的矩形管道，通道的左、右兩側(cè)壁是導(dǎo)電的，其高為h，間隔為a，而通道的上、下壁是絕緣的，所加勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向與通道的上、下壁垂直且向上。等離子體以速度v沿如圖所示的方向射入，已知等離子體的電阻率為ρ，負(fù)載電阻為R，不計(jì)等離子體的重力，不考慮離子間的相互作用力。下列說法不正確的是（）
A．該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢為Bva
B．若增大負(fù)載電阻的阻值，電源的效率一定增大
C．閉合開關(guān)后，流過負(fù)載R的電流為
D．為了保持等離子體恒定的速度v，通道兩端需保持一定的壓強(qiáng)差
電磁流量計(jì)
13．為了測量化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在排污管末端安裝了流量計(jì)（流量Q為單位時(shí)間內(nèi)流過某截面流體的體積）。如圖所示，長方體絕緣管道的長、寬、高分別為a、b、c，左、右兩端開口，所在空間有垂直于前后面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，在上、下兩個(gè)面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板M、N，含有大量的正、負(fù)離子的污水充滿管道，從左向右勻速流動(dòng)，測得M、N間電壓為U。由于污水流過管道時(shí)受到阻力f的作用，左、右兩側(cè)管口需要維持一定的壓強(qiáng)差。已知沿流速方向長度為L、流速為v的污水，受到的阻力（k為比例系數(shù)）。下列說法正確的是（）
A．污水的流量
B．金屬板的電勢低于金屬板的電勢
C．電壓與污水中的離子濃度有關(guān)
D．左、右兩側(cè)管口的壓強(qiáng)差為
14．如圖，一電磁流量計(jì)的橫截面為長方形的一段管道，其中空部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c。圖中流量計(jì)的上、下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料，流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，磁場方向由后表面垂直指向前表面，當(dāng)導(dǎo)電流體從左向右穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的電路連接，I表示測得的電流值，已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，流量指單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積，則可求得（）
A．上表面比下表面的電勢高
B．上、下表面的電勢差為
C．導(dǎo)電流體流經(jīng)流量計(jì)的速度大小為
D．流量為
15．2020年爆發(fā)了新冠肺炎疫情，新冠病毒傳播能力非常強(qiáng)，在醫(yī)院中需要用到呼吸機(jī)和血流計(jì)檢測患者身體情況。血流計(jì)原理可以簡化為如圖所示模型，血液內(nèi)含有少量正、負(fù)離子，從直徑為d的血管右側(cè)流入，左側(cè)流出。流量值Q等于單位時(shí)間通過橫截面的液體的體積?？臻g有垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，M、N兩點(diǎn)之間可以用電極測出電壓U。下列說法正確的是（）
A．負(fù)離子所受洛倫茲力方向由M指向N
B．血液中正離子多時(shí)，M點(diǎn)的電勢高于N點(diǎn)的電勢
C．血液中負(fù)離子多時(shí)，M點(diǎn)的電勢低于N點(diǎn)的電勢
D．血液流量
回旋加速器
16．如圖甲所示是處在勻強(qiáng)磁場中的真空室內(nèi)的兩個(gè)半圓形的金屬扁盒（“D”型盒），若“D”型盒的半徑為，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，現(xiàn)在兩“D”型盒間接入峰值為的交變電壓，電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖乙所示，粒子源S位于“D”型盒的圓心處，產(chǎn)生的帶電粒子初速度可以忽略，現(xiàn)用回旋加速器分別加速氦核和質(zhì)子，不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力作用，下列說法正確的是（）
A．氦核和質(zhì)子所能達(dá)到的最大動(dòng)能之比為
B．氦核和質(zhì)子在下方“D”型盒中第個(gè)半圓的半徑之比為
C．氦核和質(zhì)子在達(dá)到最大動(dòng)能的過程中通狹縫的次數(shù)之比為
D．若變?yōu)樵瓉淼谋?，粒子在“D”型盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?br>17．某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了如圖所示的簡易粒子加速器，兩水平平行虛線上、下兩側(cè)有垂直紙面且范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場，平行板電容器兩極板上有正對(duì)著的小孔，兩極板都恰好處于磁場的水平虛線邊界。平行板電容器接通電源后兩極板間的電壓大小恒為U，將質(zhì)量為m、帶電量為的帶電粒子自靜止開始釋放，釋放位置在電容器的上極板小孔正下方，且緊靠上極板小孔，此后粒子經(jīng)過多次加速，當(dāng)動(dòng)能達(dá)到所需要的后立即將磁場撤去。已知兩虛線間的距離為d，粒子始終沒碰到電容器極板，不計(jì)粒子重力和兩極板的厚度，以下說法正確的是（）
A．平行板電容器必須接交流電源
B．平行虛線兩側(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須相同
C．粒子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)至少為
D．粒子在電容器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為
18．回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?；匦铀倨鞯脑砣鐖D所示，D1和D2是兩個(gè)正對(duì)的中空半圓金屬盒，它們的半徑均為R，且分別接在電壓一定的交流電源兩端，可在兩金屬盒之間的狹縫處形成變化的加速電場，兩金屬盒處于與盒面垂直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，A點(diǎn)處的粒子源能不斷產(chǎn)生帶電粒子，它們?cè)趦珊兄g被電場加速后在金屬盒內(nèi)的磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)交流電源的頻率，使得每當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)到兩金屬盒之間的狹縫邊緣時(shí)恰好改變加速電場的方向，從而保證帶電粒子能在兩金屬盒之間狹縫處總被加速，且最終都能沿位于D2盒邊緣的C口射出。該回旋加速器可將原來靜止的粒子（氨的原子核）加速到最大速率v，使它獲得的最大動(dòng)能為Ek。若帶電粒子在A點(diǎn)的初速度、所受重力、通過狹縫的時(shí)間及C口的口徑大小均可忽略不計(jì)，且不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則用該回旋加速器（）
A．加速質(zhì)子的總次數(shù)與加速粒子總次數(shù)之比為2∶1
B．能使原來靜止的質(zhì)子獲得的動(dòng)能為Ek
C．加速質(zhì)子的交流電源頻率與加速粒子的交流電源頻率之比為1∶1
D．能使原來靜止的質(zhì)子獲得的最大速率為
霍爾元件
19．圖甲是判斷電流大小是否發(fā)生變化的裝置示意圖。電流在鐵芯中產(chǎn)生磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與成正比?，F(xiàn)給某半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件（如圖乙，其長、寬、高分別為a、b、d）通以恒定工作電流I，通過右側(cè)電壓表V的示數(shù)就能判斷的大小是否發(fā)生變化。當(dāng)?shù)淖兓恳欢〞r(shí)，電壓表V的示數(shù)變化量越大，則該裝置判斷的靈敏度就越高。已知霍爾元件的半導(dǎo)體材料載流子為一價(jià)正離子，則下列說法正確的是（）
A．僅適當(dāng)增大工作電流I，可以提高判斷的靈敏度
B．僅將該半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件更換為另一個(gè)金屬材料制成的霍爾元件，則電壓表V的“”“”接線柱連線位置無需改動(dòng)
C．M端應(yīng)與電壓表V的“”接線柱相連
D．當(dāng)電流增大時(shí)，電壓表V的示數(shù)會(huì)減小
20．圖甲為霍爾效應(yīng)的原理示意圖，圖中霍爾電壓，如圖乙所示，在自行車的前叉上固定一霍爾元件，在前輪輻條上安裝一塊磁鐵，這樣，輪子每轉(zhuǎn)一周，磁鐵就靠近霍爾傳感器一次，便可測出某段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，從而得到自行車的平均速度并通過速度計(jì)顯示出來，設(shè)自行車前輪的半徑為，磁鐵到前輪轉(zhuǎn)軸的距離為，則下列說法正確的是（）
A．若霍爾元件的載流子是負(fù)電荷，則圖甲中端電勢高于端電勢
B．如果長時(shí)間不更換傳感器的電池，霍爾電壓會(huì)越來越大
C．如果在時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)為，則自行車騎行的平均速度為
D．若前輪漏氣，則速度計(jì)測得的騎行速度比實(shí)際速度偏小
21．應(yīng)用霍爾效應(yīng)可以測量車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，如圖所示為輪速傳感器的原理示意圖，假設(shè)齒輪為五齒結(jié)構(gòu)，且均勻分布，當(dāng)齒輪凸起部分靠近磁體時(shí)，磁體與齒輪間的磁場增強(qiáng)，凹陷部分靠近磁體時(shí)，磁體與齒輪間的磁場減弱。工作時(shí)，通過霍爾元件上下兩面通入電流，前后兩面連接控制電路。下列說法正確的是（）
A．若霍爾元件內(nèi)部是通過負(fù)電荷導(dǎo)電的，則前表面比后表面的電勢低
B．增大通過霍爾元件的電流，可以使控制電路監(jiān)測到的電壓變大
C．控制電路接收到的電壓升高，說明齒輪的凹陷部分在靠近霍爾元件
D．若控制電路接收到的信號(hào)電壓變化周期為，則車輪的角速度為
電子感應(yīng)加速器
22．電子感應(yīng)加速器的基本原理如圖所示，圖中上部分為側(cè)視圖、下部分為俯視圖，圖中上、下為兩個(gè)電磁鐵，電磁鐵線圈中電流的大小、方向可以調(diào)節(jié)。電磁鐵在兩極間產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1隨時(shí)間t均勻增大，且（k為常量）。變化的磁場在真空室內(nèi)激發(fā)出感生電場，其電場線是在同一平面內(nèi)的一系列同心圓，產(chǎn)生的感生電場使電子加速，另外在兩圓之間有方向垂直紙面、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間變化的“軌道約束”磁場，恰能使電子在兩圓之間貼近內(nèi)圓在“軌道約束”磁場中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。若電子沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，則下列說法正確的是（）
A．通入電磁鐵線圈中的電流方向與圖示方向相反
B．“軌道約束”磁場的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?br>C．電子軌道上感生電場的場強(qiáng)為
D．電子運(yùn)行一周動(dòng)能的增加量為
23．電子感應(yīng)加速器是利用感生電場來加速電子的一種裝置，如圖甲是加速器的結(jié)構(gòu)原理圖，在電磁鐵的兩極間有一環(huán)形向外逐漸減弱、并對(duì)稱分布的交變磁場，這個(gè)交變磁場又在真空室內(nèi)激發(fā)感生電場，其電場線是一系列繞磁感線的同心圓。這時(shí)若用電子槍把電子沿切線方向射入環(huán)形真空室，電子將受到環(huán)形真空室中的感生電場的作用而被加速，同時(shí)，電子還受到洛倫茲力的作用，使電子在半徑為R的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。已知感生電場大小正比于磁通量的變化率，即，電子電荷量為，電子軌道所圍面積內(nèi)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化如圖乙所示（向內(nèi)為的正方向），則下列說法正確的是（）
A．感生電場的大小為
B．電子加速運(yùn)動(dòng)一周增加的動(dòng)能為
C．電子在軌道上運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間與速度大小無關(guān)
D．電子軌道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與滿足
24．現(xiàn)代科學(xué)研究中常要用到高速電子，電子感應(yīng)加速器是利用感生電場使電子加速的設(shè)備，它的基本原理如圖甲所示，上、下為電磁鐵的兩個(gè)磁極，磁極之間有一個(gè)環(huán)形真空室，圖乙為真空室的俯視圖。當(dāng)電磁鐵線圈通入如圖（b）所示的正弦式交變電流時(shí)，可使電子在真空室中做加速圓周運(yùn)動(dòng)。以圖甲中所示電流方向?yàn)檎较?，不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則（）

A．在時(shí)間內(nèi)渦旋電場的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向（俯視）
B．在時(shí)間內(nèi)渦旋電場的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向（俯視）
C．能使電子沿逆時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段為（俯視）
D．能使電子沿逆時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段為（俯視）
專練目標(biāo)
專練內(nèi)容
目標(biāo)1
高考真題（1T—3T）
目標(biāo)2
速度選擇器（4T—6T）
目標(biāo)3
質(zhì)譜儀（7T—9T）
目標(biāo)4
磁流體發(fā)電機(jī)（10T—12T）
目標(biāo)5
電磁流量計(jì)（13T—15T）
目標(biāo)6
回旋加速器（16T—18T）
目標(biāo)7
霍爾元件（19T—21T）
目標(biāo)8
電子感應(yīng)加速器（22T—24T）
2023年高三物理二輪高頻考點(diǎn)沖刺突破
專題17 磁場中的各類儀器原理
【典例專練】
高考真題
1．某興趣小組設(shè)計(jì)的測量大電流的裝置如圖所示，通有電流I的螺繞環(huán)在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場，通有待測電流的直導(dǎo)線垂直穿過螺繞環(huán)中心，在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場。調(diào)節(jié)電阻R，當(dāng)電流表示數(shù)為時(shí)，元件輸出霍爾電壓為零，則待測電流的方向和大小分別為（）
A．，B．，
C．，D．，
【答案】D
【詳解】根據(jù)安培定則可知螺繞環(huán)在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場方向向下，則要使元件輸出霍爾電壓為零，直導(dǎo)線在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場方向應(yīng)向上，根據(jù)安培定則可知待測電流的方向應(yīng)該是；元件輸出霍爾電壓為零，則霍爾元件處合場強(qiáng)為0，所以有解得故選D。
2．一對(duì)平行金屬板中存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，其中電場的方向與金屬板垂直，磁場的方向與金屬板平行且垂直紙面向里，如圖所示。一質(zhì)子（）以速度自O(shè)點(diǎn)沿中軸線射入，恰沿中軸線做勻速直線運(yùn)動(dòng)。下列粒子分別自O(shè)點(diǎn)沿中軸線射入，能夠做勻速直線運(yùn)動(dòng)的是（）（所有粒子均不考慮重力的影響）
A．以速度的射入的正電子
B．以速度射入的電子
C．以速度射入的核
D．以速度射入的a粒子
【答案】B
【詳解】質(zhì)子（）以速度自O(shè)點(diǎn)沿中軸線射入，恰沿中軸線做勻速直線運(yùn)動(dòng)，將受到向上的洛倫茲力和電場力，滿足解得即質(zhì)子的速度滿足速度選擇器的條件；
A．以速度的射入的正電子，所受的洛倫茲力小于電場力，正電子將向下偏轉(zhuǎn)，故A錯(cuò)誤；
B．以速度射入的電子，依然滿足電場力等于洛倫茲力，而做勻速直線運(yùn)動(dòng)，即速度選擇題不選擇電性而只選擇速度，故B正確；
C．以速度射入的核，以速度射入的a粒子，其速度都不滿足速度選器的條件，故都不能做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故CD錯(cuò)誤；故選B。
3．如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間，相距為L的兩光滑平行金屬導(dǎo)軌固定在與導(dǎo)軌平面垂直的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，導(dǎo)軌平面與水平面夾角為，兩導(dǎo)軌分別與P、Q相連，質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒垂直導(dǎo)軌放置，恰好靜止，重力加速度為g，不計(jì)導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，下列說法正確的是（）
A．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
B．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
C．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
D．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
【答案】B
【詳解】等離子體垂直于磁場噴入板間時(shí)，根據(jù)左手定則可得金屬板Q帶正電荷，金屬板P帶負(fù)電荷，則電流方向由金屬棒a端流向b端。等離子體穿過金屬板P、Q時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢滿足
由歐姆定律和安培力公式可得再根據(jù)金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置，恰好靜止，可得則金屬棒ab受到的安培力方向沿斜面向上，由左手定則可判定導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下。故B正確。故選B。
速度選擇器
4．如圖為某型號(hào)質(zhì)譜儀工作原理示意圖。為兩正對(duì)平行金屬板，為其軸線，兩板間有方向如圖所示的、大小為E的勻強(qiáng)電場及垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場（圖中未畫出）。原子核沿射入兩板間，只有符合要求的原子核才能從點(diǎn)沿半徑方向射入圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場區(qū)域半徑為R，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，方向垂直于紙面向外。顯微鏡P置于與圓形磁場同心的弧形軌道上，可沿圓軌道自由移動(dòng)，C點(diǎn)為延長線與圓軌道的交點(diǎn)，與間夾角為。不計(jì)原子核重力，下列說法正確的是（）
A．不同的原子核從點(diǎn)射出的速度大小不同
B．能夠進(jìn)入磁場區(qū)域的原子核的速度
C．若顯微鏡在角位置觀測到原子核，則該原子核比荷
D．用該質(zhì)譜儀分析氫的同位素時(shí)，若在的位置觀察到的是到氕核，那么在位置觀察到的是氚核
【答案】C
【詳解】AB．能夠進(jìn)入磁場區(qū)域的原子核經(jīng)過M、N時(shí)，受力平衡，則有則故AB錯(cuò)誤；
C．若顯微鏡在角位置觀測到原子核，則由幾何關(guān)系可得由洛倫茲力提供向心力可得
聯(lián)立可求得故C正確；
D．若在的位置觀察到的是到氕核，則可得則觀察到的是氚核的位置
故D錯(cuò)誤。故選C。
5．有人設(shè)計(jì)了如圖所示的簡易實(shí)驗(yàn)裝置來篩選實(shí)驗(yàn)室所需要的離子。S為離子源，能夠提供大量比荷和速率均不一樣的離子。AB為兩個(gè)板間電壓為U的平行金屬板，相距為d（d很小）。上部分成圓弧形，中軸線所在圓弧半徑為R（如虛線所示），該區(qū)域只存在電場；下部分平直，且中間還充滿磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場。不計(jì)離子重力影響，下列說法錯(cuò)誤的是（）
A．所加磁場的方向垂直于紙面向里
B．通過改變U和B，可以選取滿足要求的正離子
C．所有速率等于的離子均能通過該儀器
D．通過該儀器的離子，比荷一定為
【答案】C
【詳解】ABC．粒子在彎曲的部分做圓周運(yùn)動(dòng)，電場力提供向心力，故只有正離子才可能通過該儀器。又由于板間距很小，該部分電場強(qiáng)度E=粒子通過下部分時(shí)做直線運(yùn)動(dòng)，則電場力與洛倫茲力平衡
解得故磁場只能垂直于紙面向里，且速率為的正離子才能通過該儀器。AB正確，不符合題意，C錯(cuò)誤，符合題意；
D．由電場力提供圓周運(yùn)動(dòng)的向心力知得即通過該儀器的離子比荷為。D正確，不符合題意。故選C。
6．有人設(shè)想用如圖所示的裝置來選擇密度相同、大小不同的球狀納米粒子。粒子在電離室中電離后帶正電，電量與其表面積成正比。電離后，粒子緩慢通過小孔進(jìn)入極板間電壓為的水平加速電場區(qū)域Ⅰ，再通過小孔射入相互正交的勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅱ，其中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，方向如圖。收集室的小孔與、在同一條水平線上。半徑為的粒子，其質(zhì)量為、電量為，剛好能沿直線射入收集室。不計(jì)納米粒子重力，擊中極板的粒子被板吸收且不影響原來的電場分布（半徑為的球體體積公式，球體表面積公式），則（）
A．電場強(qiáng)度大小為
B．電場強(qiáng)度大小為
C．若粒子半徑為，加速后的速度為
D．若粒子半徑為，加速后的速度為
【答案】AC
【詳解】AB．設(shè)半徑為的粒子加速后的速度為，則解得設(shè)區(qū)域Ⅱ內(nèi)電場強(qiáng)度為，則解得電場強(qiáng)度方向豎直向上，故A正確，B錯(cuò)誤；
CD．設(shè)半徑為的粒子的質(zhì)量為、帶電量為、被加速后的速度為，則；
由得故C正確，D錯(cuò)誤；故選AC。
質(zhì)譜儀
7．如圖所示為質(zhì)譜儀的工作原理圖，在容器A中存在若干種電荷量q相同而質(zhì)量m不同的帶電粒子，它們可從容器A下方經(jīng)過窄縫S1和S2之間的電場加速后射入速度選擇器，速度選擇器中的電場E和磁場B都垂直于離子速度，且E也垂直于B。通過速度選擇器的粒子接著進(jìn)入均勻磁場B0中，沿著半圓周運(yùn)動(dòng)后到達(dá)照相底片上形成譜線。若測出譜線A到入口S0的距離為x，則下列能正確反映x與m之間函數(shù)關(guān)系的是（）
A．B．C．D．
【答案】A
【詳解】粒子進(jìn)入速度選擇器后，受力平衡；進(jìn)入磁場后，由洛倫茲力提供向心力
；聯(lián)立可得由上可知，與成正比。故選A。
8．質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，其工作原理示意圖如圖所示?，F(xiàn)利用質(zhì)譜儀對(duì)氫元素進(jìn)行分析，讓氫的三種同位素（氕、氘、氚）的離子流從容器A下方的小孔S1無初速度飄入電勢差為U的的加速電場，加速后經(jīng)小孔S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B勻強(qiáng)磁場中，最后打在照相底片D上，形成a，b，c三條“質(zhì)譜線”，不計(jì)離子的重力和離子間的相互作用，下列判斷正確的是（）
A．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次對(duì)應(yīng)的是氕、氘、氚
B．氕、氘、氚進(jìn)入磁場瞬間速率之比為
C．氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為
D．氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間之比為3∶2∶1
【答案】BC
【詳解】A．根據(jù)動(dòng)能定理得解得在磁場中，根據(jù)牛頓第二定律得
解得三種離子的電荷量相同，質(zhì)量越大的離子軌道半徑越大，所以a、b、c三條“質(zhì)譜線”依次對(duì)應(yīng)的是氚、氘、氕，A錯(cuò)誤；
B．根據(jù)，氕、氘、氚進(jìn)入磁場瞬間速率之比為，B正確；
C．根據(jù)，氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為，C正確；
D．根據(jù) ，氕、氘、氚在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間之比為1∶2∶3。D錯(cuò)誤。故選BC。
9．某種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖如圖所示。此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：粒子源；P、Q間電壓恒為的加速電場；靜電分析器，即中心線半徑為的四分之一圓形通道，通道內(nèi)有均勻輻射電場，方向沿徑向指向圓心，且與圓心等距的各點(diǎn)電場強(qiáng)度大小相等；磁感應(yīng)強(qiáng)度為的有界勻強(qiáng)磁場，方向垂直紙面向外。當(dāng)有粒子打到膠片上時(shí)，可以通過測量粒子打到上的位置來推算粒子的比荷，從而分析粒子的種類及性質(zhì)。由粒子源發(fā)出的不同種類的帶電粒子，經(jīng)加速電場加速后從小孔進(jìn)入靜電分析器，其中粒子和粒子恰能沿圓形通道的中心線通過靜電分析器，并經(jīng)小孔垂直磁場邊界進(jìn)入磁場，最終打到膠片上，其軌跡分別如圖中的和所示。忽略帶電粒子離開粒子源時(shí)的初速度，不計(jì)粒子所受重力以及粒子間的相互作用。下列說法中正確的是（）
A．粒子可能帶負(fù)電
B．若只增大加速電場的電壓，粒子可能沿曲線運(yùn)動(dòng)
C．粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度大于粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度
D．打到膠片上的位置距離點(diǎn)越遠(yuǎn)的粒子，比荷越小
【答案】BD
【詳解】A．粒子a在靜電分析器中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，電場力提供向心力，即粒子a所受電場力方向與電場強(qiáng)度相同，所以粒子a一定帶正電，故A錯(cuò)誤；
B．若只增大加速電場的電壓，則粒子a進(jìn)入靜電分析器中的速度將增大，所需的向心力增大，而電場力不變，所以電場力將不足以提供向心力，粒子a將做離心運(yùn)動(dòng)，可能沿曲線運(yùn)動(dòng)，故B正確；
C．設(shè)粒子經(jīng)過小孔S1的速度大小為v，根據(jù)動(dòng)能定理有 ①設(shè)粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r，根據(jù)牛頓第二定律有 ②聯(lián)立①②可得 ③由圖可知，所以粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度小于粒子經(jīng)過小孔時(shí)速度，故C錯(cuò)誤；
D．聯(lián)立①②可得 ④所以打到膠片上的位置距離點(diǎn)越遠(yuǎn)的粒子，r越大，比荷越小，故D正確。故選BD。
磁流體發(fā)電機(jī)
10．海水中含有大量的正負(fù)離子，并在某些區(qū)域具有固定的流動(dòng)方向，據(jù)此人們?cè)O(shè)計(jì)并研制“海流發(fā)電機(jī)”，可生產(chǎn)無污染的再生能源，對(duì)海洋航標(biāo)燈持續(xù)供電，其工作原理如圖所示，用絕緣防腐材料制成一個(gè)橫截面為矩形的管道，在管道上、下兩個(gè)表面裝有防腐導(dǎo)電板M，N，板長為a、寬為b（未標(biāo)出），兩板間距為d，將管道沿著海水流動(dòng)方向固定于海水中，將航標(biāo)燈L與兩導(dǎo)電板M和N連接，加上垂直于管道前后面的勻強(qiáng)磁場（方向如圖），磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，海水流動(dòng)方向如圖所示，海水流動(dòng)速率為v，已知海水的電阻率為，航標(biāo)燈電阻為R，則下列說法正確的是（）
A．“海流發(fā)電機(jī)”對(duì)航標(biāo)燈L供電的電流方向是
B．“海流發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是
C．通過航標(biāo)燈L電流的大小是
D．“海流發(fā)電機(jī)”發(fā)電的總功率為
【答案】C
【詳解】A．由左手定則可知，海水中正、負(fù)離子受洛倫茲力作用分別向M板和N板；M板帶正電，N板帶負(fù)電，發(fā)電機(jī)對(duì)航標(biāo)燈提供電流方向是，A錯(cuò)誤；
B．在M、N兩板間形成穩(wěn)定的電場后，其中的正、負(fù)離子受電場力和洛倫茲力作用而平衡，在兩板間形成穩(wěn)定電壓，則解得，B錯(cuò)誤；
C．海水的電阻由閉合電路歐姆定律得通過航標(biāo)燈的電流為，C正確；
D．“海流發(fā)電機(jī)”發(fā)電的總功率為，D錯(cuò)誤。故選C。
11．如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間，將兩板分別與兩根水平放置的光滑金屬導(dǎo)軌M、N連接，電阻為R的金屬棒垂直于導(dǎo)軌放置且接觸良好，棒的中點(diǎn)用細(xì)繩經(jīng)光滑定滑輪與質(zhì)量為m的物體相連，導(dǎo)軌間的距離為L，導(dǎo)軌間存在豎直方向大小為B2的勻強(qiáng)磁場，重力加速度為g，不計(jì)導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，為使物體保持靜止下列說法正確的是（）
A．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
B．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
C．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，
D．導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向下，
【答案】C
【詳解】由左手定則判斷，等離子體中的正離子向金屬板P偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子向金屬板Q偏轉(zhuǎn)，可知金屬板P帶正電荷（電源正極），金屬板Q帶負(fù)電荷（電源負(fù)極），金屬棒在磁場B2 中，根據(jù)平衡，金屬棒受到的安培力方向水平向左，根據(jù)左手定則可知，判斷出導(dǎo)軌處磁場的方向垂直導(dǎo)軌平面向上，金屬恰好靜止，由受力平衡可得由閉合電路歐姆定律可得，平行金屬板P、Q之間的電壓金屬板P、Q之間電場強(qiáng)度等離子體的正負(fù)離子在磁場B1中受到電場力與洛倫茲力，穩(wěn)定后此二力平衡，則
聯(lián)立解得故選C。
12．如圖所示，磁流體發(fā)電機(jī)的通道是一長度為L的矩形管道，通道的左、右兩側(cè)壁是導(dǎo)電的，其高為h，間隔為a，而通道的上、下壁是絕緣的，所加勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向與通道的上、下壁垂直且向上。等離子體以速度v沿如圖所示的方向射入，已知等離子體的電阻率為ρ，負(fù)載電阻為R，不計(jì)等離子體的重力，不考慮離子間的相互作用力。下列說法不正確的是（）
A．該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢為Bva
B．若增大負(fù)載電阻的阻值，電源的效率一定增大
C．閉合開關(guān)后，流過負(fù)載R的電流為
D．為了保持等離子體恒定的速度v，通道兩端需保持一定的壓強(qiáng)差
【答案】D
【詳解】A．等離子體通過管道時(shí)，在洛倫茲力作用下，正負(fù)離子分別偏向右、左兩壁，由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢等效于金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢，其值為E=Bav選項(xiàng)A正確，不符合題意；
B．電源的效率為若增大負(fù)載電阻的阻值，電源的效率一定增大，選項(xiàng)B正確，不符合題意；
C．閉合開關(guān)后，流過負(fù)載R的電流為選項(xiàng)C正確，不符合題意；
D．令氣流進(jìn)出管時(shí)的壓強(qiáng)分別為p1、p2，則氣流進(jìn)出管時(shí)壓力做功的功率分別為p1Sv和p2Sv，其功率損失為p1Sv-p2Sv=△pSv由能量守恒，此損失的功率完全轉(zhuǎn)化為回路的電功率，即將S=ha，代入上式中得選項(xiàng)D錯(cuò)誤，符合題意。故選D。
電磁流量計(jì)
13．為了測量化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在排污管末端安裝了流量計(jì)（流量Q為單位時(shí)間內(nèi)流過某截面流體的體積）。如圖所示，長方體絕緣管道的長、寬、高分別為a、b、c，左、右兩端開口，所在空間有垂直于前后面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，在上、下兩個(gè)面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板M、N，含有大量的正、負(fù)離子的污水充滿管道，從左向右勻速流動(dòng)，測得M、N間電壓為U。由于污水流過管道時(shí)受到阻力f的作用，左、右兩側(cè)管口需要維持一定的壓強(qiáng)差。已知沿流速方向長度為L、流速為v的污水，受到的阻力（k為比例系數(shù)）。下列說法正確的是（）
A．污水的流量
B．金屬板的電勢低于金屬板的電勢
C．電壓與污水中的離子濃度有關(guān)
D．左、右兩側(cè)管口的壓強(qiáng)差為
【答案】D
【詳解】A．污水流速為v，則當(dāng)M、N間電壓為U時(shí)，有解得流量為
解得故A錯(cuò)誤；
B．由左手定則可知，正離子受洛倫茲力向上，負(fù)離子受洛倫茲力向下，使M板帶正電，N板帶負(fù)電，則金屬板M的電勢高于金屬板N的電勢，故B錯(cuò)誤；
C．金屬板M、N間電壓為U，由得電壓U與污水粒子的濃度無關(guān)，故C錯(cuò)誤；
D．設(shè)左右兩側(cè)管口壓強(qiáng)差為，污水勻速流動(dòng)，由平衡關(guān)系得將代入上式得
故D正確。故選D。
14．如圖，一電磁流量計(jì)的橫截面為長方形的一段管道，其中空部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c。圖中流量計(jì)的上、下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料，流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，磁場方向由后表面垂直指向前表面，當(dāng)導(dǎo)電流體從左向右穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的電路連接，I表示測得的電流值，已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，流量指單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積，則可求得（）
A．上表面比下表面的電勢高
B．上、下表面的電勢差為
C．導(dǎo)電流體流經(jīng)流量計(jì)的速度大小為
D．流量為
【答案】C
【詳解】A．由左手定則可知，正電荷向下運(yùn)動(dòng)、負(fù)電荷向上運(yùn)動(dòng)，所以下表面的電勢高，A錯(cuò)誤；
B．最終穩(wěn)定時(shí)有則；，B錯(cuò)誤；
C．根據(jù)電阻定律則總電阻為所以解得
C正確；
D．根據(jù)公式可得，流量為，D錯(cuò)誤。故選C。
15．2020年爆發(fā)了新冠肺炎疫情，新冠病毒傳播能力非常強(qiáng)，在醫(yī)院中需要用到呼吸機(jī)和血流計(jì)檢測患者身體情況。血流計(jì)原理可以簡化為如圖所示模型，血液內(nèi)含有少量正、負(fù)離子，從直徑為d的血管右側(cè)流入，左側(cè)流出。流量值Q等于單位時(shí)間通過橫截面的液體的體積。空間有垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，M、N兩點(diǎn)之間可以用電極測出電壓U。下列說法正確的是（）
A．負(fù)離子所受洛倫茲力方向由M指向N
B．血液中正離子多時(shí)，M點(diǎn)的電勢高于N點(diǎn)的電勢
C．血液中負(fù)離子多時(shí)，M點(diǎn)的電勢低于N點(diǎn)的電勢
D．血液流量
【答案】CD
【詳解】ABC．根據(jù)左手定則可知，正離子受到豎直向下的洛倫茲力，負(fù)離子受到豎直向上的洛倫茲力，則正離子聚集在N點(diǎn)一側(cè)，負(fù)電荷聚集在M點(diǎn)一側(cè)，則M點(diǎn)的電勢低于N點(diǎn)的電勢，故AB錯(cuò)誤，C正確；
D．正負(fù)離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有可得流速則流量為故D正確。
故選CD。
回旋加速器
16．如圖甲所示是處在勻強(qiáng)磁場中的真空室內(nèi)的兩個(gè)半圓形的金屬扁盒（“D”型盒），若“D”型盒的半徑為，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，現(xiàn)在兩“D”型盒間接入峰值為的交變電壓，電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖乙所示，粒子源S位于“D”型盒的圓心處，產(chǎn)生的帶電粒子初速度可以忽略，現(xiàn)用回旋加速器分別加速氦核和質(zhì)子，不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力作用，下列說法正確的是（）
A．氦核和質(zhì)子所能達(dá)到的最大動(dòng)能之比為
B．氦核和質(zhì)子在下方“D”型盒中第個(gè)半圓的半徑之比為
C．氦核和質(zhì)子在達(dá)到最大動(dòng)能的過程中通狹縫的次數(shù)之比為
D．若變?yōu)樵瓉淼谋叮Ｗ釉凇癉”型盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?br>【答案】A
【詳解】A．粒子在磁場中的最大軌道半徑為，根據(jù)洛倫茲力提供向心力可得可知粒子所能達(dá)到的最大動(dòng)能為則氦核和質(zhì)子所能達(dá)到的最大動(dòng)能之比為故A正確；
B．在下方“D”型盒中第個(gè)半圓時(shí)加速的次數(shù)為次，根據(jù)動(dòng)能定理可得粒子在磁場中的軌道半徑為聯(lián)立解得則氦核和質(zhì)子在下方“D”型盒中第個(gè)半圓的半徑之比為故B錯(cuò)誤；
C．設(shè)粒子獲得最大動(dòng)能時(shí)粒子通過狹縫加速的次數(shù)為，根據(jù)動(dòng)能定理可得
解得則氦核和質(zhì)子在達(dá)到最大動(dòng)能的過程中通狹縫的次數(shù)之比為
故C錯(cuò)誤；
D．設(shè)粒子在電場中加速的次數(shù)為，則帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的周期為
粒子在“D”型盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為若變?yōu)樵瓉淼?倍，粒子在“D”型盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?，故D錯(cuò)誤。故選A。
17．某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了如圖所示的簡易粒子加速器，兩水平平行虛線上、下兩側(cè)有垂直紙面且范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場，平行板電容器兩極板上有正對(duì)著的小孔，兩極板都恰好處于磁場的水平虛線邊界。平行板電容器接通電源后兩極板間的電壓大小恒為U，將質(zhì)量為m、帶電量為的帶電粒子自靜止開始釋放，釋放位置在電容器的上極板小孔正下方，且緊靠上極板小孔，此后粒子經(jīng)過多次加速，當(dāng)動(dòng)能達(dá)到所需要的后立即將磁場撤去。已知兩虛線間的距離為d，粒子始終沒碰到電容器極板，不計(jì)粒子重力和兩極板的厚度，以下說法正確的是（）
A．平行板電容器必須接交流電源
B．平行虛線兩側(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須相同
C．粒子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)至少為
D．粒子在電容器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為
【答案】BD
【詳解】A．由題意可知粒子每次都需要進(jìn)入上極板小孔同一位置進(jìn)行加速，在上下兩側(cè)的磁場中進(jìn)行回旋，因而平行板電容器需要接直流電源。故A錯(cuò)誤；
B．由于粒子的回旋每次都需要回到上極板的小孔，因而上下兩側(cè)的磁場中的旋轉(zhuǎn)半徑需相同，即平行虛線兩側(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須相同。故B正確；
C．每轉(zhuǎn)一圈粒子加速一次，則轉(zhuǎn)過的圈數(shù)比加速的次數(shù)少一次，即，解得
故C錯(cuò)誤；
D．粒子在電容器中做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且每次出下極板的末速度都是下一次加速的初速度，則
，，解得故D正確。故選BD。
18．回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?；匦铀倨鞯脑砣鐖D所示，D1和D2是兩個(gè)正對(duì)的中空半圓金屬盒，它們的半徑均為R，且分別接在電壓一定的交流電源兩端，可在兩金屬盒之間的狹縫處形成變化的加速電場，兩金屬盒處于與盒面垂直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，A點(diǎn)處的粒子源能不斷產(chǎn)生帶電粒子，它們?cè)趦珊兄g被電場加速后在金屬盒內(nèi)的磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)交流電源的頻率，使得每當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)到兩金屬盒之間的狹縫邊緣時(shí)恰好改變加速電場的方向，從而保證帶電粒子能在兩金屬盒之間狹縫處總被加速，且最終都能沿位于D2盒邊緣的C口射出。該回旋加速器可將原來靜止的粒子（氨的原子核）加速到最大速率v，使它獲得的最大動(dòng)能為Ek。若帶電粒子在A點(diǎn)的初速度、所受重力、通過狹縫的時(shí)間及C口的口徑大小均可忽略不計(jì)，且不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則用該回旋加速器（）
A．加速質(zhì)子的總次數(shù)與加速粒子總次數(shù)之比為2∶1
B．能使原來靜止的質(zhì)子獲得的動(dòng)能為Ek
C．加速質(zhì)子的交流電源頻率與加速粒子的交流電源頻率之比為1∶1
D．能使原來靜止的質(zhì)子獲得的最大速率為
【答案】AB
【詳解】BD．因?yàn)榛匦铀倨骺蓪⒃瓉盱o止的α粒子（氦的原子核）加速到最大速率v，由可知粒子獲得的最大速度為質(zhì)子的比荷是α粒子的2倍，所以質(zhì)子獲得的最大速率為；最大動(dòng)能為
可知加速兩種粒子的最大動(dòng)能相同，即能使原來靜止的質(zhì)子獲得的動(dòng)能為Ek，選項(xiàng)B正確，D錯(cuò)誤；
A．由于粒子在加速器中獲得的最大能量與加速次數(shù)的關(guān)系為故次數(shù)則加速質(zhì)子的總次數(shù)與加速α粒子總次數(shù)之比為選項(xiàng)A正確；
C．加速α粒子的交流電源頻率與α粒子在磁場中的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相等，質(zhì)子的交流電源頻率與質(zhì)子在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相等，由于兩種粒子的荷質(zhì)比不同，故它們?cè)诖艌鲋械霓D(zhuǎn)動(dòng)頻率不相等，故加速它們的交流電源的頻率也不相等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。故選AB。
霍爾元件
19．圖甲是判斷電流大小是否發(fā)生變化的裝置示意圖。電流在鐵芯中產(chǎn)生磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與成正比?，F(xiàn)給某半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件（如圖乙，其長、寬、高分別為a、b、d）通以恒定工作電流I，通過右側(cè)電壓表V的示數(shù)就能判斷的大小是否發(fā)生變化。當(dāng)?shù)淖兓恳欢〞r(shí)，電壓表V的示數(shù)變化量越大，則該裝置判斷的靈敏度就越高。已知霍爾元件的半導(dǎo)體材料載流子為一價(jià)正離子，則下列說法正確的是（）
A．僅適當(dāng)增大工作電流I，可以提高判斷的靈敏度
B．僅將該半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件更換為另一個(gè)金屬材料制成的霍爾元件，則電壓表V的“”“”接線柱連線位置無需改動(dòng)
C．M端應(yīng)與電壓表V的“”接線柱相連
D．當(dāng)電流增大時(shí)，電壓表V的示數(shù)會(huì)減小
【答案】A
【詳解】A．磁感應(yīng)強(qiáng)度與成正比，當(dāng)霍爾元件內(nèi)部電場穩(wěn)定時(shí)即
僅適當(dāng)增大工作電流I，根據(jù)可知，正離子定向移動(dòng)的速度增大，則電壓表示數(shù)變化越大，可以提高判斷的靈敏度，A正確；
B．僅將該半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件更換為另一個(gè)金屬材料制成的霍爾元件，則自由電子移動(dòng)方向與電流方向相反，根據(jù)左手定則，自由電力在洛倫茲力的作用下與正離子偏轉(zhuǎn)方向相同，則電壓表V的“”“”接線柱連線位置需要改動(dòng)，B錯(cuò)誤；
C．根據(jù)安培定則即左手定則，正離子向外側(cè)偏轉(zhuǎn)，霍爾元件外側(cè)帶正電，則M端應(yīng)與電壓表V的“”接線柱相連，C錯(cuò)誤；
D．當(dāng)電流增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變大，由A選項(xiàng)可知，霍爾元件內(nèi)外兩側(cè)電勢差增大，電壓表V的示數(shù)會(huì)增大，D錯(cuò)誤。故選A。
20．圖甲為霍爾效應(yīng)的原理示意圖，圖中霍爾電壓，如圖乙所示，在自行車的前叉上固定一霍爾元件，在前輪輻條上安裝一塊磁鐵，這樣，輪子每轉(zhuǎn)一周，磁鐵就靠近霍爾傳感器一次，便可測出某段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，從而得到自行車的平均速度并通過速度計(jì)顯示出來，設(shè)自行車前輪的半徑為，磁鐵到前輪轉(zhuǎn)軸的距離為，則下列說法正確的是（）
A．若霍爾元件的載流子是負(fù)電荷，則圖甲中端電勢高于端電勢
B．如果長時(shí)間不更換傳感器的電池，霍爾電壓會(huì)越來越大
C．如果在時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)為，則自行車騎行的平均速度為
D．若前輪漏氣，則速度計(jì)測得的騎行速度比實(shí)際速度偏小
【答案】AC
【詳解】A．若霍爾元件的載流子是負(fù)電荷，根據(jù)左手定則可知，負(fù)電荷向端偏轉(zhuǎn)，使得圖甲中端電勢高于端電勢，故A正確；
B．根據(jù)霍爾電壓為如果長時(shí)間不更換傳感器的電池，則通過霍爾元件的電流將減小，可知霍爾電壓將減小，故B錯(cuò)誤；
C．如果在時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)為，則周期為角速度為則自行車騎行的平均速度為
故C正確；
D．若前輪漏氣，則前輪的半徑變小，使得錄入到速度計(jì)中的半徑參數(shù)比實(shí)際半徑大，根據(jù)
可知速度計(jì)測得的騎行速度比實(shí)際速度偏大，故D錯(cuò)誤。故選AC。
21．應(yīng)用霍爾效應(yīng)可以測量車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，如圖所示為輪速傳感器的原理示意圖，假設(shè)齒輪為五齒結(jié)構(gòu)，且均勻分布，當(dāng)齒輪凸起部分靠近磁體時(shí)，磁體與齒輪間的磁場增強(qiáng)，凹陷部分靠近磁體時(shí)，磁體與齒輪間的磁場減弱。工作時(shí)，通過霍爾元件上下兩面通入電流，前后兩面連接控制電路。下列說法正確的是（）
A．若霍爾元件內(nèi)部是通過負(fù)電荷導(dǎo)電的，則前表面比后表面的電勢低
B．增大通過霍爾元件的電流，可以使控制電路監(jiān)測到的電壓變大
C．控制電路接收到的電壓升高，說明齒輪的凹陷部分在靠近霍爾元件
D．若控制電路接收到的信號(hào)電壓變化周期為，則車輪的角速度為
【答案】ABD
【詳解】A．因?yàn)榛魻栐ㄟ^負(fù)電荷導(dǎo)電，磁場方向由N極指向齒輪，電流豎直向下，由左手定則可知電子移動(dòng)到前表面，所以前表面的電勢低，故A正確；
B．根據(jù)霍爾元件原理，洛侖茲力和電場力平衡，則解得增大電流，則v增大，可知電壓增大，故B正確；
C．當(dāng)電壓升高時(shí)，說明磁場增強(qiáng)，齒輪的凸起部分在靠近霍爾元件，故C錯(cuò)誤；
D．根據(jù)題意可知，轉(zhuǎn)過相鄰齒所用時(shí)間為T，則轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為5T，則故D正確。故選ABD。
電子感應(yīng)加速器
22．電子感應(yīng)加速器的基本原理如圖所示，圖中上部分為側(cè)視圖、下部分為俯視圖，圖中上、下為兩個(gè)電磁鐵，電磁鐵線圈中電流的大小、方向可以調(diào)節(jié)。電磁鐵在兩極間產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1隨時(shí)間t均勻增大，且（k為常量）。變化的磁場在真空室內(nèi)激發(fā)出感生電場，其電場線是在同一平面內(nèi)的一系列同心圓，產(chǎn)生的感生電場使電子加速，另外在兩圓之間有方向垂直紙面、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間變化的“軌道約束”磁場，恰能使電子在兩圓之間貼近內(nèi)圓在“軌道約束”磁場中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。若電子沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，則下列說法正確的是（）
A．通入電磁鐵線圈中的電流方向與圖示方向相反
B．“軌道約束”磁場的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?br>C．電子軌道上感生電場的場強(qiáng)為
D．電子運(yùn)行一周動(dòng)能的增加量為
【答案】ACD
【詳解】A．由題意可知，電子沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，且產(chǎn)生的感生電場使電子加速，則感應(yīng)電流的方向與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反，即沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向向上，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1隨時(shí)間t均勻增大，根據(jù)楞次定律可知原磁場B1方向向下，根據(jù)右手螺旋定則可判斷通入電磁鐵線圈中的電流方向與圖示方向相反，故A正確；
B．由題意可知，在磁場中恰好能使得電子做圓周運(yùn)動(dòng)，則洛倫茲力指向圓心，由左手定則可知“軌道約束”磁場的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，故B錯(cuò)誤；
C．電子軌道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢則感生電場的場強(qiáng)故C正確；
D．電子運(yùn)行一周，由動(dòng)能定理可得聯(lián)立可得故D正確。故選ACD。
23．電子感應(yīng)加速器是利用感生電場來加速電子的一種裝置，如圖甲是加速器的結(jié)構(gòu)原理圖，在電磁鐵的兩極間有一環(huán)形向外逐漸減弱、并對(duì)稱分布的交變磁場，這個(gè)交變磁場又在真空室內(nèi)激發(fā)感生電場，其電場線是一系列繞磁感線的同心圓。這時(shí)若用電子槍把電子沿切線方向射入環(huán)形真空室，電子將受到環(huán)形真空室中的感生電場的作用而被加速，同時(shí)，電子還受到洛倫茲力的作用，使電子在半徑為R的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。已知感生電場大小正比于磁通量的變化率，即，電子電荷量為，電子軌道所圍面積內(nèi)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化如圖乙所示（向內(nèi)為的正方向），則下列說法正確的是（）
A．感生電場的大小為
B．電子加速運(yùn)動(dòng)一周增加的動(dòng)能為
C．電子在軌道上運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間與速度大小無關(guān)
D．電子軌道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與滿足
【答案】BD
【詳解】AB．感生電場加速過程電場力總與速度方向一致，電子運(yùn)動(dòng)一周電場力做的功又因洛倫茲力不做功，所以故A錯(cuò)誤，B正確；
C．由題意粒子做半徑不變的圓周運(yùn)動(dòng)，速率增加，繞一圈所用時(shí)間必然減小，故C錯(cuò)誤；
D．由于電子軌道半徑不變，，，B隨速度的增加而增大又由切線方向
聯(lián)立兩式有說明B與都在改變，但一直保持，故D正確。故選BD。
24．現(xiàn)代科學(xué)研究中常要用到高速電子，電子感應(yīng)加速器是利用感生電場使電子加速的設(shè)備，它的基本原理如圖甲所示，上、下為電磁鐵的兩個(gè)磁極，磁極之間有一個(gè)環(huán)形真空室，圖乙為真空室的俯視圖。當(dāng)電磁鐵線圈通入如圖（b）所示的正弦式交變電流時(shí)，可使電子在真空室中做加速圓周運(yùn)動(dòng)。以圖甲中所示電流方向?yàn)檎较?，不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則（）

A．在時(shí)間內(nèi)渦旋電場的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向（俯視）
B．在時(shí)間內(nèi)渦旋電場的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向（俯視）
C．能使電子沿逆時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段為（俯視）
D．能使電子沿逆時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段為（俯視）
【答案】ABC
【詳解】AC．根據(jù)安培定則，在時(shí)間內(nèi)真空室中的磁場向上增強(qiáng)，根據(jù)楞次定律可知，渦旋電場的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向（俯視），在此時(shí)間內(nèi)能使電子沿逆時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)AC正確；
BD．同理可知，在時(shí)間內(nèi)真空室中的磁場向上減弱，根據(jù)楞次定律可知，渦旋電場的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向（俯視），在此時(shí)間內(nèi)能使電子沿順時(shí)針做加速圓周運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)B正確，D錯(cuò)誤。
故選ABC。
專練目標(biāo)
專練內(nèi)容
目標(biāo)1
高考真題（1T—3T）
目標(biāo)2
速度選擇器（4T—6T）
目標(biāo)3
質(zhì)譜儀（7T—9T）
目標(biāo)4
磁流體發(fā)電機(jī)（10T—12T）
目標(biāo)5
電磁流量計(jì)（13T—15T）
目標(biāo)6
回旋加速器（16T—18T）
目標(biāo)7
霍爾元件（19T—21T）
目標(biāo)8
電子感應(yīng)加速器（22T—24T）

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