2022年新教材高考物理一轮复习 章末目标检测卷11 磁场 安培力与洛伦兹力（含解析）新人教版.docx

1、章末目标检测卷十一磁场安培力与洛伦兹力(时间:90分钟满分:100分)一、单项选择题(本题共7小题,每小题4分,共28分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.在一根南北方向放置的直导线的正下方10 cm处放一个罗盘。导线没有通电时小磁针的N极指向北方;当给导线通入电流时,发现罗盘的指针偏转一定角度。现已测出此地的地磁场水平分量B1=5.010-5 T,通电后罗盘指针停在北偏东60的位置,如图所示。由此测出该通电直导线在该处产生磁场的磁感应强度大小为()A.5.010-5 TB.1.010-4 TC.8.6610-5 TD.7.0710-5 T2.电流天平是一种测量磁场力的装置,如图所示,两相距

2、很近的通电平行线圈和,线圈固定,线圈置于天平托盘上。当两线圈均无电流通过时,天平示数恰好为零。下列说法正确的是()A.当天平示数为负时,两线圈电流方向相同B.当天平示数为正时,两线圈电流方向相同C.线圈对线圈的作用力大于线圈对线圈的作用力D.线圈对线圈的作用力与托盘对线圈的作用力是一对相互作用力3.如图所示,一个不计重力的带电粒子以v0沿各图的虚线射入场中。A中I是两条垂直纸面的长直导线中等大反向的电流,虚线是两条导线连线的中垂线;B中+Q是两个位置固定的等量同种点电荷的电荷量,虚线是两点电荷连线的中垂线;C中I是圆环线圈中的电流,虚线过圆心且垂直圆环平面;D中是正交的匀强电场和匀强磁场,虚线

3、垂直于电场和磁场方向,磁场方向垂直纸面向外。其中,带电粒子不可能做匀速直线运动的是()4.(2020全国卷)真空中有一匀强磁场,磁场边界为两个半径分别为a和3a的同轴圆柱面,磁场的方向与圆柱轴线平行,其横截面如图所示。一速率为v的电子从圆心沿半径方向进入磁场。已知电子质量为m,电荷量为e,忽略重力。为使该电子的运动被限制在图中实线圆围成的区域内,磁场的磁感应强度最小为()A.3mv2aeB.mvaeC.3mv4aeD.3mv5ae5.(2020山东日照三校联考)如图所示,匀强磁场垂直于纸面向里,匀强电场平行于斜面向下,斜面是粗糙的。一带正电物块以某一初速度沿斜面向上滑动,经a点后到b点时速度减

4、为零,接着又滑了下来。设物块电荷量保持不变,则从a到b和从b回到a两过程相比较()A.加速度大小相等B.摩擦产生热量不相同C.电势能变化量的绝对值不相同D.动能变化量的绝对值相同6.如图所示,三根长为l的通电直导线在空间构成等边三角形,电流的方向垂直纸面向里。电流大小均为I,其中A、B两处导线中的电流在C处产生的磁感应强度的大小分别为B0,C处导线位于水平面且处于静止状态,则C处导线受到的静摩擦力是()A.3B0Il,水平向左B.3B0Il,水平向右C.32B0Il,水平向左D.32B0Il,水平向右7.(2020浙江杭州二中学业考试)右图为一种获得高能粒子的装置环形加速器,环形区域内存在垂直

5、纸面向外的可变匀强磁场,质量为m、电荷量为+q的粒子在环中做半径为R的圆周运动,A、B为两块中心开有小孔的极板,原来电势都为零,每当粒子飞经A板时,A板电势升高为+U,B板电势仍保持为零。设粒子的初速度为零,在两极板间的电场中加速,每当粒子离开电场区域时,A板电势又降为零,粒子在电场多次加速下动能不断增大,而在环形区域内绕中心运动的半径不变(设极板间距远小于R),粒子重力不计。下列关于环形加速器的说法正确的是()A.加速器对带正电粒子顺时针加速,对带负电粒子加速需要升高B板电势B.电势U越高,粒子最终的速度就越大C.粒子第n次绕行一圈所需的时间tn与下一次所需时间tn+1的关系为tntn+1=

6、nn+1D.第n次绕行的磁感应强度大小Bn与下一次磁感应强度大小Bn+1之比为BnBn+1=nn+1二、多项选择题(本题共3小题,每小题5分,共15分。每小题有多个选项符合题目要求。全部选对得5分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)8.如图所示,ABC为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB为倾斜直轨道,BC为与AB相切的圆形轨道,并且圆形轨道处在匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里。质量相同的甲、乙、丙三个小球中,甲球带正电、乙球带负电、丙球不带电。现将三个小球在轨道AB上分别从不同高度处由静止释放,都恰好通过圆形轨道的最高点,则()A.经过最高点时,三个小球的速度相等B.经过最高点时,甲球的速度

7、最小C.甲球的释放位置比乙球的高D.运动过程中三个小球的机械能均保持不变9.(2020广东深圳一模)如图所示,一磁感应强度为B的匀强磁场垂直纸面向里,且范围足够大。纸面上M、N两点之间的距离为d,一质量为m的带电粒子(不计重力)以水平速度v0从M点垂直进入磁场后会经过N点,已知M、N两点连线与速度v0的方向成30角。以下说法正确的是()A.粒子可能带负电B.粒子一定带正电,电荷量为mv0dBC.粒子从M点运动到N点的时间可能是d3v0D.粒子从M点运动到N点的时间可能是13d3v010.右图为一种质谱仪的示意图,由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R,通道内均匀

8、辐射电场,在中心线处的电场强度大小为E,磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场,磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器,由P点垂直边界进入磁分析器,最终打到胶片上的Q点。不计粒子重力,下列说法正确的是()A.极板M比极板N的电势高B.加速电场的电压U=ERC.PQ的长度为2BqmERD.若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点,则该群粒子具有相同的比荷三、非选择题(本题共5小题,共57分)11.(8分)利用霍尔效应可以测量磁感应强度。如图甲所示,将导体置于磁场中,沿垂直磁场方向通入电流,在导体中垂直于电流和磁

9、场的方向上会产生一个纵向电势差UH,这种现象叫霍尔效应。导体材料中单位体积内的自由电荷数目为n,自由电荷所带电荷量为q,将k=1nq定义为霍尔系数。利用霍尔系数k已知的材料制成探头,其工作面(相当于图甲中垂直磁场的abba面)的面积可以做到很小,因此可用来较精确测量空间某一位置的磁感应强度。甲乙图乙为一种利用霍尔效应测磁感应强度的仪器,其中的探头固定在探杆的前端,且使探头的工作面与探杆垂直。这种仪器既可以控制通过探头的电流I的大小,又可以测出探头所产生的霍尔电势差UH,并自动计算出探头所测位置磁场的磁感应强度大小。(1)在利用上述仪器测量磁感应强度的过程中,对探杆的放置方位有何要求?(2)计算

10、所测位置的磁感应强度,除了k、I、UH外,还需要知道哪个物理量。(请填写下面选项前的字母)A.探头沿磁场方向的厚度lB.探头产生电势差两面间的距离hC.探头沿电流方向的长度l0用上述物理量表示所测磁感应强度大小B=。12.(10分)(2020江苏泰州模拟)如图所示,在倾角为37的光滑斜面上有一根长l=0.4 m、质量m=610-2 kg的通电直导线,电流大小I=1 A、方向垂直于纸面向外,导线用平行于斜面的轻绳拴住不动,整个装置放在磁感应强度每秒增加0.4 T、方向竖直向上的磁场中。设t=0时,B=0,则需要多长时间,斜面对导线的支持力为零?(g取10 m/s2)13.(12分)(2020湖北

11、华中师大一附中模拟)如图甲所示,M、N为竖直放置彼此平行的两块平板,板间距离为d,两板中央各有一个小孔O、O正对,在两板间有垂直于纸面方向的磁场,磁感应强度随时间的变化如图乙所示。有一群正离子在t=0时垂直于M板从小孔O射入磁场。已知正离子质量为m、电荷量为q,正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0,不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响,不计离子所受重力。甲乙(1)求磁感应强度B0的大小。(2)要使正离子从O垂直于N板射出磁场,求正离子射入磁场时的速度v0的可能值。14.(12分)(2020安徽合肥庐江县期末)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具。图中的

12、铅盒A中的放射源释放出大量的带正电粒子,其中部分粒子能沿竖直方向通过离子速度选择器,从小孔G垂直于MN射入偏转磁场。已知速度选择器中匀强磁场的磁感应强度大小为B1,匀强电场的电场强度为E;偏转磁场是以直线MN为切线、半径为R的圆形边界匀强磁场,磁感应强度大小为B2,方向垂直于纸面向外。现在MN上的F点(图中未画出)接收到粒子,且lGF=3R。粒子的重力忽略不计,求:(1)该粒子的比荷qm;(2)该粒子从小孔G到达F点所用的时间t。15.(15分)如图所示,区域中一部分有匀强磁场,另一部分有匀强电场,磁场方向垂直于纸面向里,电场方向与电、磁场分界线平行且向右。一带正电粒子从A点以速度v射入匀强磁

13、场,方向未知,经过一段时间运动到磁场与电场交界处P点,此时速度方向垂直于两个场的分界线,此后粒子在静电力的作用下,又经过一段时间从C点离开电场,A点和C点在同一竖直直线上。已知磁场宽度与电场宽度分别为l1和l2,A点与P点的水平距离为d,不计粒子重力。求:(1)整个运动过程中粒子的最大速度;(2)磁感应强度与电场强度的比值BE。章末目标检测卷十一磁场安培力与洛伦兹力1.C解析:电流在罗盘处产生的磁场方向水平向东,合磁场方向东偏北30,由图可知B2=B1tan30=8.6610-5T,故C正确。2.A解析:装置的构造模型为两个线圈和一个杠杆,当线圈中通有同向电流时互相吸引,通有异向电流时互相排斥

14、,故当天平示数为负时表示两线圈互相吸引,所以为同向电流,A正确,B错误。根据牛顿第三定律可知线圈对线圈的作用力等于线圈对线圈的作用力,C错误。由相互作用力的特点知,线圈对线圈的作用力与托盘对线圈的作用力不是一对相互作用力,D错误。3.B解析:题图A中两条垂直纸平面的长直导线中通有等大反向的电流,在中垂线上产生的合磁场方向水平向右,带电粒子将沿中垂线做匀速直线运动;题图B中等量同种正点电荷在中垂线上的合电场强度在连线中点左侧水平向左,在连线中点右侧水平向右,带电粒子受力不为零,不可能做匀速直线运动;题图C中粒子运动方向与所处位置磁感线平行,粒子做匀速直线运动;题图D是速度选择器的原理图,只要v0

15、=EB,粒子做匀速直线运动。故选项B正确。4.C解析:根据题意,电子的运动被限制在实线圆区域内的条件是轨迹圆与实线圆相切,画出临界状态电子的运动轨迹如图所示,根据图中几何关系可得r2+a2+r=3a,解得r=43a;电子在匀强磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力,evB=mv2r,解得B=3mv4ae,选项C正确。5.B解析:两过程中,重力、静电力恒定,支持力方向不变,洛伦兹力、摩擦力方向相反,物块所受合外力不同,由牛顿第二定律知,加速度必定不同,A错误。上滑过程中,洛伦兹力垂直斜面向上,物块所受滑动摩擦力Ff=(mgcos-qvB);下滑过程中,洛伦兹力垂直斜面向下,物块所受滑动摩擦力Ff=

16、(mgcos+qvB),两过程位移大小相等,摩擦力大小不同,故产生热量不同,B正确。a、b两点电势确定,由Ep=q可知,两过程中电势能变化量的绝对值相等,C错误。整个过程中,重力做功为零,静电力做功为零,摩擦力做功不为零且一直在做负功,故物块动能一定变化,所以上滑和下滑两过程中动能变化量绝对值一定不同,D错误。6.B解析:根据安培定则,A电流在C处产生的磁场方向垂直于AC,B电流在C处产生的磁场方向垂直于BC,如图所示。根据平行四边形定则及几何知识可知,合磁场的方向竖直向下,与AB边平行,合磁感应强度B的大小为B=2B0cos30=3B0,由公式F=BIl得,导线C所受安培力大小为F=3B0I

17、l,根据左手定则,导线C所受安培力方向水平向左,因导线C位于水平面处于静止状态,由平衡条件知,导线C受到的静摩擦力方向为水平向右,故选项B正确,A、C、D错误。7.D解析:磁场方向垂直纸面向外,要使带正电的粒子能在环形区域做圆周运动,则由左手定则判断可知,带正电粒子顺时针运动,带负电粒子需逆时针运动,所以对带负电粒子加速需要升高A板电势,A错误。粒子最终的速度与带电粒子被加速的次数有关,即使电势U比较低,但如果加速次数多,速度也可以更大,B错误。粒子绕行n圈获得的动能等于静电力对粒子做的功,设粒子绕行n圈获得的速度为vn,由动能定理nqU=12mvn2,解得vn=2nqUm,粒子绕行第n圈所需

18、时间Tn=2Rvn=2Rm2qU1n,所以tntn+1=n+1n,C错误。粒子在环形区域磁场中,受洛伦兹力作用做半径为R的匀速圆周运动qvnBn=mvn2R,解得Bn=mvnqR=1R2nmUq,所以BnBn+1=nn+1,D正确。8.CD解析:三个小球在运动过程中机械能守恒,有mgh=12mv2,在圆形轨道的最高点时,对甲有qv1B+mg=mv12r,对乙有mg-qv2B=mv22r,对丙有mg=mv32r,可判断v1v3v2,选项A、B错误,C、D正确。9.BCD解析:由左手定则可知,粒子带正电,选项A错误。由几何关系可知r=d,由qvB=mv2r,可知电荷量为q=mv0dB,选项B正确。

19、粒子运动的周期T=2dv0,第一次到达N点的时间为t1=16T=d3v0,粒子第三次经过N点的时间为t5=2T+t1=4dv0+d3v0=13d3v0,选项C、D正确。10.AD解析:粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转,说明粒子带正电,极板M比极板N的电势高,A正确。由Uq=12mv2和Eq=mv2R可得U=ER2,B错误。在磁场中,由牛顿第二定律得qvB=mv2r,即r=mvqB,粒子在磁场中的轨迹直径lPQ=2r=2mvBq=2ERmB2q,可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点,C错误,D正确。11.解析:(1)由题给信息易知,应使探杆与磁场方向平行(或调整探杆的放置方位使霍尔电势

20、差达到最大);(2)自由电荷在运动过程中受到的静电力和洛伦兹力是一对平衡力,即qvB=qUHh,I=nqvhl,k=1nq,联立可得B=UHlkI。所以还需要知道l。答案:(1)使探杆与磁场方向平行(或调整探杆的放置方位使霍尔电势差达到最大)。(2)AUHlkI12.解析:斜面对导线的支持力为零时导线的受力如图所示由平衡条件得FTcos37=FFTsin37=mg两式联立解得F=mgtan37=0.8N由F=BIl得B=FIl=2T由题意知,B与t的变化关系为B=0.4t(T)代入数据得t=5s。答案:5 s13.解析:(1)正离子射入磁场,洛伦兹力提供向心力,B0qv0=mv02R做匀速圆周

21、运动的周期T0=2Rv0由以上两式得磁感应强度B0=2mqT0。(2)设垂直于纸面向里的磁场方向为正方向。要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场,v0的方向应如图所示,两板之间正离子只运动一个周期即T0时,有R=d4;当两板之间正离子运动n个周期即nT0时,有R=d4n(n=1,2,3,)。联立求解,得正离子的速度的可能值为v0=B0qRm=d2nT0(n=1,2,3,)。答案:(1)2mqT0(2)d2nT0(n=1,2,3,)14.解析:(1)设带电粒子的电荷量为q、质量为m,进入偏转磁场的速度为v,则有qE=qvB1粒子在磁场中的运动轨迹如图所示设GOF=,则tan=3,故粒子在偏转磁场中做

22、圆周运动的半径r=Rtan2=33R再由qvB2=mv2r解得qm=3EB1B2R。(2)在偏转磁场中周期T=2mqB偏转磁场中运动时间t1=13T=23RB19E出磁场到F点的时间t2=Rv=RB1E则t=t1+t2=(23+9)RB19E。答案:(1)3EB1B2R(2)(23+9)RB19E15.解析:(1)在整个运动过程中只有静电力对粒子做功,所以当粒子在C点射出电场时速度最大。粒子进入电场后做类平抛运动,其初速度为v,方向垂直于电场由运动学公式有l2=vt,d=12at2加速度为a=qEm,由动能定理得qEd=12mvC2-12mv2联立解得vC=l22+4d2l2v。(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动,如图所示由于粒子在分界线处的速度与分界线垂直,圆心O应在分界线上,OA长度即为粒子运动的圆弧的半径R。由几何关系得R2=(R-d)2+l12由洛伦兹力提供向心力得qvB=mv2R由第(1)问可得,粒子在磁场中运动时电场强度E=2mdv2ql22,由以上各式得BE=l22(l12+d2)v。答案:(1)l22+4d2l2v(2)l22(l12+d2)v