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题型: 单选题
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单选题 · 6 分

法拉第曾提出一种利用河流发电的设想,并进行了实验研究。实验装置的示意图如图所示,两块面积均为S的矩形金属板,平行、正对、竖直地全部浸在河水中,间距为d。水流速度处处相同,大小为v,方向水平,金属板与水流方向平行。地磁场磁感应强度的竖直分量为B,水的电阻率为ρ,水面上方有一阻值为R的电阻通过绝缘导线和电键K连接到两个金属板上,忽略边缘效应。则电阻R消耗的电功率(   )

AP=

BP=

CP=

DP=

正确答案

C

解析

知识点

带电粒子在混合场中的运动
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题型:简答题
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简答题 · 22 分

如图所示,在坐标系xoy的第一、第三象限内存在相同的匀强磁场,磁场方向垂直于xoy面向里;第四象限内有沿y轴正方向的匀强电场,电场强度大小为E,一质量为、带电量为的粒子自y轴的P点沿x轴正方向射入第四象限,经x轴上的Q点进入第一象限,随即撤去电场,以后仅保留磁场。已知OP=d,OQ=2d,不计粒子重力。

(1)求粒子过Q点时速度的大小和方向。

(2)若磁感应强度的大小为一定值B0,粒子将以垂直y轴的方向进入第二象限,求B0

(3)若磁感应强度的大小为另一确定值,经过一段时间后粒子将再次经过Q点,且速度与第一次过Q点时相同,求该粒子相邻两次经过Q点所用的时间。

正确答案

(1)

(2)

(3)

解析

(1)设粒子在电场中运动的时间为,加速度的大小为a,粒子的初速度为,过Q点时速度的大小为v,沿y轴方向分速度的大小为,速度与x轴正方向间的夹角为,由牛顿第二定律得

                              

由运动学公式得                 

                             

                              

                           

                             

联立得                            

                                

(2)设粒子做圆周运动的半径为,粒子在第一象限的运动轨迹如图所示,为圆心,由几何关系可知△O1OQ为等腰直角三角形,得

                             

由牛顿第二定律得

                           

联立得              

(3)设粒子做圆周运动的半径为,由几何分析(粒子运动的轨迹如图所示,是粒子做圆周运动的圆心,Q、F、G、H是轨迹与两坐标轴的交点,连接,由几何关系知,均为矩形,进而知FQ、GH均为直径,QFGH也是矩形,又FH⊥GQ,可知QFGH是正方形,△QOG为等腰直角三角形)可知,粒子在第一、第三象限的轨迹均为半圆,得

                    

粒子在第二、第四象限的轨迹为长度相等的线段,得

                 

设粒子相邻两次经过Q点所用的时间为t,则有

               

联立以上得

             

     

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 20 分

电子扩束装置由电子加速器、偏转电场和偏转磁场组成。偏转电场的极板由相距为d的两块水平平行放置的导体板组成,如图甲所示。大量电子由静止开始,经加速电场加速后,连续不断地沿平行板的方向从两板正中间OO'射入偏转电场。当两板不带电时,这些电子通过两板之间的时间为2t0;当在两板间加最大值为U0、周期为2t0的电压(如图乙所示)时,所有电子均能从两板间通过,然后进入竖直宽度足够大的匀强磁场中,最后打在竖直放置的荧光屏上。已知磁场的磁感应强度为B,电子的质量为m、电荷量为e,其重力不计。

(1)求电子离开偏转电场时的位置到OO'的最小距离和最大距离;

(2)要使所有电子都能垂直打在荧光屏上,

①求匀强磁场的水平宽度L;

②求垂直打在荧光屏上的电子束的宽度

正确答案

见解析。

解析

(1)由题意可知,从0、2t0、4t0……等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO'的距离最大,在这种情况下,电子的最大距离为

从t0、3t0……等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO'的距离最小,在这种情况下,电子的最小距离为

 

(2)①设电子从偏转电场中射出时的偏向角为 ,由于电子要垂直打在荧光屏上,所以电子在磁场中运动半径应为:

设电子离开偏转电场时的速度为vt,垂直偏转极板的速度为vy,则电子离开偏转电场时的偏向角为:

,  式中

又          

解得:       

②由于各个时刻从偏转电场中射出的电子的速度大小相等,方向相同,因此电子进入磁场后做圆周运动的半径也相同,都能垂直打在荧光屏上。

由第(1)问知电子离开偏转电场时的位置到OO'的最大距离和最小距离的差值为:

 

所以垂直打在荧光屏上的电子束的宽度为:

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 18 分

如图所示,是一种电子扩束装置的原理示意图。直角坐标系原点O处有一电子发生器,朝xOy平面内x≥0区域任意方向发射电子,电子的速率均为v0,已知电子的电荷量为e、质量为m。在0≤x≤d的区域内分布着沿x轴负方向的匀强电场,场强大小,在x≥d区域内分布着足够大且垂直于xOy平面向外的匀强磁场,匀强磁场的磁感应强度。ab为一块很大的平面感光板,在磁场内平行于y轴放置,电子打到板上时会在板上形成一条亮线。 不计电子的重力和电子之间的相互作用。

(1)求电子进入磁场时速度的大小。

(2)当感光板ab沿x轴方向平移到某一位置时,恰好没有电子打到板上,求感光板到y轴的距离x1

(3)保持 (2)中感光板位置不动,若使所有电子恰好都能打到感光板上,求磁感应强度的大小以及电子打到板上形成亮线的长度。

正确答案

(1)

(2)

(3)L=

解析

(1)根据动能定理:

(2)由v0=知,对于沿y轴负方向射出的电子进入磁场时与边界线夹角θ=60°

若此电子不能打到ab板上,则所有电子均不能打到ab板上。

当此电子轨迹与ab板相切时,根据洛伦兹力提供向心力有

又   

由几何知识 

解得

(3)易知沿y轴正方向射出的电子若能打到ab板上,则所有电子均能打到板上。其临界情况就是此电子轨迹恰好与ab板相切

此时

解得

此时,所有粒子恰好都能打到板上

电子在电场中运动过程

沿y轴方向的位移

电子在磁场中运动过程,沿y轴负方向的偏转量

沿y轴正方向的偏转量

电子打到板上形成亮线的长度

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 18 分

如图所示,直线MN上方存在着垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,质量为m、电荷量为-q(q>0)的粒子1在纸面内以速度从O点射入磁场,其方向与MN的夹角α=30°;质量为m、电荷量为+q的粒子2在纸面内以速度也从O点射入磁场,其方向与MN的夹角β=60°角。已知粒子1、2同时到达磁场边界的A、B两点(图中未画出),不计粒子的重力及粒子间的相互作用。

(1)求两粒子在磁场边界上的穿出点A、B之间的距离d;

(2)求两粒子进入磁场的时间间隔

(3)若MN下方有平行于纸面的匀强电场,且两粒子在电场中相遇,其中的粒子1做直线运动。求电场强度E的大小和方向。

正确答案

(1)粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动

                                                    2分

粒子1圆周运动的圆心角                  1分

粒子2圆周运动的圆心角,                  1分

故                   2分

 

(2)粒子圆周运动的周期                                2分

粒子1在匀强磁场中运动的时间                          1分

粒子2在匀强磁场中运动的时间                          1分

所以                                           2分

(3)由题意,电场强度的方向应与粒子1穿出磁场的方向平行。

a.若电场强度的方向与MN成30°角斜向右上,则粒子1做匀加速直线运动,粒子2做类平抛运动。

 

                                                   1分

    1分

                                            1分

解得                                            1分

b.若电场强度的方向与MN成30°角斜向左下,则粒子1做匀减速直线运动,粒子2做类平抛运动。

解得,假设不成立。                            1分

综上所述,电场强度的大小,方向与MN成30°角斜向右上。    1分

解析


知识点

带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 16 分

如图所示,在xoy直角坐标系中,第Ⅰ象限内分布着方向垂直纸面向里的匀强磁场,第Ⅱ象限内分布着方向沿y轴负方向的匀强电场。初速度为零、带电荷量为q、质量为m的离子(不计重力)经过电压为U的电场加速后,从x上的A点垂直x轴进入磁场区域,经磁场偏转后过y轴上的P点且垂直y轴进入电场区域,在电场偏转并击中x轴上的C点。已知OA=OC=d。

求:

(1)离子进入磁场时的速度大小;

(2)电场强度E和磁感应强度B的大小。

正确答案

见解析。

解析

(1)设离子经电压为U的电场加速后获得速度为v,由

                                                                                 

                                                                                         

(2)离子进入磁场后,洛仑兹力提供向心力,由牛顿第二定律:

                                                                                     

依题意可知:r=d                                                                               

解得:                                                                     

离子在电场中偏转,做类平抛运动,设经时间t从P点到达C点,由

                                                                                                 

                                                                                   

解得:

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 22 分

如图所示,匀强电场区域和匀强磁场区域是紧邻的且宽度相等均为d,电场方向在纸面内竖直向下,而磁场方向垂直纸面向里。一质量为m,电量为q的正电粒子 (重力不计) ,从O点以速度ν0沿垂直电场方向进入电场,从A点射出电场进入磁场,离开电场时带电粒子在电场方向的偏转位移为电场宽度的一半,粒子从磁场右边界上C点水平穿出,求:

(1)粒子进入磁场时的速度ν为多少?

(2)电场强度E和磁感应强度B的大小。

正确答案

见解析。

解析

(1)粒子在电场偏转

垂直电场方向

平行电场方向

解得Vy=V0

到达A点的速度为

进入磁场时速度方向与水平方向成θ

(2)在电场中Vy=at  F=Qe

解得

在磁场中粒子做匀速圆周运动,如图所示,由图得圆周运动半径

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 20 分

在如图所示的直角坐标系中,对于第I象限和第IV象限,其中一个象限有垂直纸面向外的匀强磁场B,另一象限有平行纸面的匀强电场E,一个比荷为= 2×10C/kg的电荷,从坐标原点处以速度v0=4×106 m/s进入第IV象限,v0与x轴成45°,已知电荷通过P(,0)点第一次经x轴进入第I象限,并且经过时间t =2×10–4 s,以大小相同、方向相反的速度回到P(,0)点。

(1)问电荷带正电还是带负电,匀强电场存在哪个象限,方向如何?

(2)求磁感应强度和电场强度的大小;

(3)求电荷第三次经过x轴的位置。

(4)若电荷第三次经过x轴时突然改变匀强电场的大小,使电荷第四次回到x轴时恰好是P点,求改变后的电场强度大小。

正确答案

(1)负电,匀强电场在第I象限,方向与X轴成450

(2)

(3)x=

(4)

解析

(1)负电,匀强电场在第I象限,方向与X轴成450

(2)在第四象限中,由向心力公式得:  而 解得

  

在电场中,             

解得:

(3)由图可知: 

(4)第三次经过x轴后,电荷做类平抛运动,如图所示,

       

由牛顿第二定律:

解得:

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 20 分

 如图所示,质量为m、电荷量为+q的粒子从坐标原点O以初速度v0射出,粒子恰好经过A点,O、A两点长度为l ,连线与坐标轴+y方向的夹角为= 370,不计粒子的重力。

(1)若在平行于x轴正方向的匀强电场E中,粒子沿+y方向从O点射出,恰好经过A点;若在平行于y轴正方向的匀强电场E中,粒子沿+x方向从O点射出,也恰好能经过A点,求这两种情况电场强度的比值

(2)若在y轴左侧空间(第Ⅱ、Ⅲ象限)存在垂直纸面的匀强磁场,粒子从坐标原点O,沿与+y轴成300 的方向射入第二象限,恰好经过A点,求磁感应强度B。

正确答案

(1)

(2),方向垂直纸面向外。

解析

(1)在电场E

在电场E2中

联立①②③④得

(2)设轨迹半径为R,轨迹如图所示,

由几何知识可得

解得

又由

由③⑤得⑥,方向垂直纸面向外。

知识点

带电粒子在混合场中的运动
1
题型:简答题
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简答题 · 18 分

如图所示,在y轴的右侧存在磁感应强度为B的方向垂直纸面向外的匀强磁场,在x轴的上方有一平行板式加速电场。有一薄绝缘板放置在y轴处,且与纸面垂直。现有一质量为m、电荷量为q的粒子由静止经过加速电压为U的电场加速,然后以垂直于板的方向沿直线从A处穿过绝缘板,而后从x轴上的D处以与x轴负向夹角为30°的方向进入第四象限,若在此时再施加一个电场可以使粒子沿直线到达y轴上的C点(C点在图上未标出)。已知OD长为l,不计粒子的重力.

求:

(1)粒子射入绝缘板之前的速度

(2)粒子经过绝缘板时损失了多少动能

(3)所加电场的电场强度和带电粒子在y周的右侧运行的总时间.

正确答案

见解析。

解析

(1)粒子在电场中加速由动能定理可知

解得:  

(2)粒子在磁场中作圆周运动轨迹如图

由几何关系可得轨道半径为2l 

解得=

由动能定理得

代入数据解得

所以损失动能为

或者   带入结果得

(3)粒子若作直线运动则=Eq

代入数据解得E=  

方向与x轴正向斜向下成60°角

粒子在第一象限作匀速圆周运动的时间t1=

粒子在第四象限做匀速直线运动时间t2==

粒子x轴右侧运行的总时间t==

知识点

带电粒子在混合场中的运动
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