内容正文:
章末综合提升
第一章 磁场对电流的作用
章末检测
内容索引
一、构建思维导图
二、归纳整合提升
1.安培力作用下的力学问题
(1)安培力作用下的平衡或加速问题的分析思路
①选定研究对象。
②变立体图为平面图,如侧视图、剖面图或俯视图等,并画出受力示意图,其中需要注意F安⊥B、F安⊥I,如图所示。
③列平衡方程或根据牛顿第二定律列方程进行求解。
(2)安培力作用下的功能问题分析要点
①安培力做功与路径有关,这一点与电场力不同。
②安培力做功过程的能量转化:安培力做正功时,将电能转化为导体的机械能或其他形式的能;安培力做负功时,将机械能或其他形式的能转化为电能。
③解题时一般要用到动能定理与能量守恒定律。
[典例1] (2022·湖南卷)如图甲所示,直导线MN被两等长且平行的绝缘轻绳悬挂于水平轴OO'上,其所在区域存在方向垂直指向OO'的磁场,与OO'距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化,其截面图如图乙所示。导线通以电流I,静止后,悬线偏离竖直方向的夹角为θ。下列说法正确的是( )
A.当导线静止在图甲右侧位置时,导线中电流方向由N指向M
B.电流I增大,静止后,导线对悬线的拉力不变
C.tan θ与电流I成正比
D.sin θ与电流I成正比
D
当导线静止在题图甲右侧位置时,对导线做受力分析如图所示,可知要让安培力为图示方向,则导线中电流方向应由M指向N,A错误;由于与OO'距离相等位置的磁感应强度大小相等且不随时间变化,有
sin θ=,FT=mgcos θ,则可看出sin θ与电流I成正比,
当I增大时θ增大,则cos θ减小,静止后,导线对悬线的
拉力FT减小,B、C错误,D正确。
[典例2] (多选)如图所示为电磁轨道炮的工作原理图。待发射弹体与轨道保持良好接触,并可在两平行轨道之间无摩擦滑动。电流从一条轨道流入,通过弹体后从另一条轨道流回。轨道电流可形成在弹体处垂直于轨道平面的磁场(可视为匀强磁场),磁感应强度的大小与电流I成正比。通电的弹体在安培力的作用下离开轨道,则下列说法正确的是( )
A.弹体向左高速射出
B.I为原来的2倍,弹体射出的速度也为原来的2倍
C.弹体的质量为原来的2倍,射出的速度也为原来的2倍
D.轨道长度L为原来的4倍,弹体射出的速度为原来的2倍
BD
根据安培定则可知,弹体处的磁场方向垂直于轨道平面向里,再利用左手定则可知,弹体受到的安培力水平向右,所以弹体向右高速射出,选项A错误;设B=kI(其中k为比例系数),设轨道间距为l,弹体的质量为m,射出时的速度为v,则安培力F=IlB=kI2l,根据动能定理有FL=mv2,联立可得v=I ,选项C错误,B、D正确。
2.带电粒子在匀强磁场中的运动
(1)理解洛伦兹力的四点注意
①正确分析带电粒子所在区域的磁场方向。
②判断洛伦兹力方向时,注意区分电荷的正、负,并充分利用F⊥B、F⊥v的特点。
③计算洛伦兹力大小时,公式F=qvB中v是电荷与磁场的相对速度。
④洛伦兹力对运动电荷(或带电体)不做功、不改变速度的大小,但可以改变速度的方向。
(2)分析步骤
[典例3] (多选)如图所示,在平面直角坐标系xOy的第一象限内,存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B。大量质量为m、电荷量为q的相同粒子从y轴上的P(0,L)点以相同的速率在纸面内沿不同方向先后射入磁场,设入射速度方向与y轴正方向的夹角为α(0°≤α≤180°)。当α=150°时,粒子垂直x轴离开磁场。不计粒子的重力,则( )
A.粒子一定带正电
B.当α=45°时,粒子也垂直x轴离开磁场
C.粒子入射速率为
D.粒子离开磁场的位置到O点的最大距离为3L
ACD
由于α=150°时,粒子垂直x轴离开磁场,故粒子向
下偏转,由左手定则可知粒子带正电,A项正确;当
α=45°时,粒子运动轨迹如图中轨迹2所示,粒子
不能垂直x轴射出磁场,B项错误;粒子在磁场中运
动,有qvB=m,由几何关系可知r=2L,所以粒子的速率v=,C项正确;粒子离开磁场的位置到O点的距离最大时,入射点与出射点的距离为2r=4L,所以出射点到O的最大距离为s= =3L,D项正确。
3.磁与现代科技
装置 原理图 规律
速度选
择器 若qv0B=qE,即v0=,粒子做匀速直线运动
霍尔
元件 当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差UH=k
装置 原理图 规律
磁流体
发电机 等离子体射入时,受洛伦兹力偏转,使两极板带正、负电荷,两极间电压为U时稳定,q=qv0B,U=v0BL
电磁流
量计 由qvB=q得v=,所以流量Q=vS=
[典例4] (多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件广泛应用于测量和自动控制等领域。霍尔元件的工作原理示意图如图所示,磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下,通入图示方向的电流I,C、D两侧面会形成电势差UCD,下列说法正确的是( )
A.电势差UCD仅与材料有关
B.若霍尔元件的载流子是自由电子,则电势差UCD<0
C.仅增大磁感应强度时,电势差UCD变大
D.在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持水平
BC
电势差UCD与磁感应强度B及材料有关,选项A错误;若霍尔元件的载流子是自由电子,由左手定则可知,电子向C侧面偏转,则电势差UCD<0,选项B正确;仅增大磁感应强度时,电势差UCD变大,选项C正确;在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,元件的工作面应保持竖直且东西放置,选项D错误。
[典例5] (多选)目前世界上一种新型发电机叫磁流体发电机,它的发电原理如图所示,将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的粒子,从整体来说呈电中性)沿图中所示方向喷射入磁场,磁场中有两块金属板P、Q,这时金属板上就聚集了电荷。下列说法正确的是( )
A.P板带正电
B.有电流从b经用电器流向a
C.金属板P、Q间的电场方向向上
D.等离子体发生偏转的原因是粒子所受洛伦兹力大于所受电场力
AD
根据左手定则知,带正电的粒子向上偏转,带负电的粒子向下偏转,则P板带正电,Q板带负电,金属板间的电场方向向下,电流从a经用电器流向b,故A正确,B、C错误;等离子体发生偏转的原因是粒子所受洛伦兹力大于所受电场力,故D正确。
[典例6] 为了测量某化肥厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口,在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B的匀强磁场,在前后两个内侧面固定有金属板作为电极,污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法正确的是( )
A.若污水中正离子较多,则前内侧面比后内侧面电势高
B.前内侧面的电势一定低于后内侧面的电势,
与哪种离子多无关
C.污水中离子浓度越高,电压表的示数将越大
D.污水流量Q与电压U成正比,与a、b有关
B
污水中含有大量正、负离子,由左手定则可知,正离子受洛伦兹力向后内侧面偏,负离子受洛伦兹力向前内侧面偏,所以前内侧面电势低于后内侧面的电势,污水稳定流动时,对任一离子,有qvB=qE=,所以U=Bbv,则电势差即电压表示数与离子浓度无关,故A、C错误,B正确;流量Q=Sv=bc·=,由此可以看出流量与a、b均无关,故D错误。
章末检测(一) 磁场对电流的作用
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一、选择题(本大题共10个小题。在每小题所给的四个选项中,第1~7题只有一项符合题目要求,第8~10题有多项符合题目要求。)
1.如图所示是我国最早期的指南仪器——司南,静止时它的长柄指向南方,是由于地球表面有地磁场。下列与地磁场有关的说法,正确的是( )
A.地磁场是一种物质,客观上存在
B.地球表面上任意位置的地磁场方向都与地面平行
C.通电导线在地磁场中一定受安培力作用
D.运动电荷在地磁场中一定受到洛伦兹力的作用
A
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地磁场虽然看不见、摸不着,但它是客观存在的一种
物质,故A正确;磁场是闭合的,地球磁场从地球的南极
附近发出,从地球的北极附近进入地球,磁感线组成闭
合曲线,所以地球表面任意位置的地磁场方向并不是都与地面平行,故B错误;当通电导线与地磁场平行放置时,导线将不受安培力的作用,故C错误;当运动电荷的运动方向与地磁场平行时,电荷将不受洛伦兹力的作用,故D错误。
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2.如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B。L形导线通以恒定电流I,放置在磁场中。已知ab边长为2l,与磁场方向垂直,bc边长为l,与磁场方向平行。该导线受到的安培力为( )
A.0 B.BIl
C.2BIl D.BIl
C
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因bc段与磁场方向平行,则不受安培力;ab段与磁场方向垂直,则所受安培力为Fab=BI·2l=2BIl,则该导线受到的安培力为2BIl,故选C。
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3.如图所示,一束β粒子自下而上进入一垂直纸面的匀强磁场后发生偏转,下列关于磁场方向和粒子的动能说法正确的是( )
A.磁场垂直纸面向里
B.磁场垂直纸面向外
C.粒子的动能增大
D.粒子的动能减小
A
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由题图可知β粒子向右偏转,因此粒子刚进入磁场时所受洛伦兹力方向向右,β粒子带负电,根据左手定则可知磁场方向垂直纸面向里,A正确,B错误;洛伦兹力方向始终和粒子运动方向垂直,洛伦兹力不做功,只是改变速度方向,因此粒子的动能不变,C、D错误。
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4.如图所示,用绝缘细线悬挂一个导线框,导线框是由两同心半圆弧导线和直导线ab、cd(ab、cd在同一条水平直线上)连接而成的闭合回路,导线框中通有图示方向的电流,处于静止状态。在半圆弧导线的圆心处沿垂直于导线框平面的方向放置一根长直导线P。当P中通以方向向里的电流时( )
A.导线框将向左摆动
B.导线框将向右摆动
C.从上往下看,导线框将顺时针转动
D.从上往下看,导线框将逆时针转动
C
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ab边受到垂直纸面向里的安培力,cd边受到垂直纸面向外的安培力,从上往下看,导线框将顺时针转动,选项C正确。
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5.如图所示,粒子源P会发出电荷量相等的带电粒子。这些粒子经装置M加速并筛选后,能以相同的速度从A点垂直磁场方向沿AB射入正方形匀强磁场ABCD。粒子1、粒子2分别从AD中点和C点射出磁场。不计粒子重力,则粒子1和粒子2( )
A.均带正电,质量之比为4∶1
B.均带负电,质量之比为1∶4
C.均带正电,质量之比为2∶1
D.均带负电,质量之比为1∶2
B
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由题图可知,粒子刚进入磁场时受到的洛伦兹力方向
水平向左,由左手定则可知,粒子均带负电;设正方形
的边长为L,由题图可知,粒子的轨道半径分别为r1=L,
r2=L,粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向
心力,由牛顿第二定律得qvB=m,则m=∝r,所以==,故B正确。
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6.一对平行金属板中存在匀强电场和匀强磁场,其中电场的方向与金属板垂直,磁场的方向与金属板平行且垂直纸面向里,如图所示。一质子H)以速度v0自O点沿中轴线射入,恰沿中轴线做匀速直线运动。下列粒子分别自O点沿中轴线射入,能够做匀速直线运动的是(所有粒子均不考虑重力的影响)( )
A.以速度射入的正电子e)
B.以速度v0射入的电子e)
C.以速度2v0射入的氘核H)
D.以速度4v0射入的α粒子He)
B
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质子H)以速度v0自O点沿中轴线射入,恰沿中轴线做匀速直线运动,受力满足qv0B=qE,解得v0=,即满足此速度的粒子均能直线通过速度选择器,故B正确。
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7.如图所示,在以O点为圆心、r为半径的圆形区域内,有磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场,a、b、c为圆形磁场区域边界上的三点,其中∠aOb=∠bOc=60°。一束质量为m、电荷量为e而速率不同的电子从a点沿aO方向射入磁场区域,则从b、c两点间的弧形边界穿出磁场区域的电子速率v的取值范围是( )
A.<v<
B.<v<
C.<v<
D.<v<
C
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根据evB=m得v=,根据几何关系可知,从c点射
出时的轨道半径为R1=r,从b点射出时的轨道半
径为R2=r,故从b、c两点间的弧形边界穿出磁场
区域的电子,其速率取值范围是<v<,故C正确。
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8.如图所示,铜棒ab长l0=1 m,质量m=0.06 kg,两端分别由长为l=1 m的轻铜线悬挂起来,铜棒保持水平,静止于竖直平面内,整个装置处在竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度B=0.5 T。现接通电源,使铜棒中保持有恒定电流通过,铜棒发生摆动,铜线与竖直方向的最大偏角为37°(不计空气阻力,g取10 m/s2,sin 37°=0.6 cos 37°=0.8),铜棒向上摆动过程中,下列说法正确的是( )
A.铜棒的机械能增大
B.铜棒的机械能减小
C.铜棒中通电电流大小为0.9 A
D.铜棒中通电电流大小为0.4 A
AD
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铜棒向上摆动过程中,安培力一直做正功,则铜棒的机械能一直增大,故A正确,B错误;根据动能定理有Flsin 37°-mgl(1-cos 37°)=0,解得F=0.2 N,根据F=Il0B,解得I== A=0.4 A,故C错误,D正确。
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9.一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示。D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是( )
A.D形盒之间交变电场的周期为
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大
C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大
D.质子离开加速器时的动能与R成正比
AB
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D形盒之间交变电场的周期等于质子在磁场中回旋的周期,A正确;由r=可知,当r=R时,质子速度最大,vmax=,即B、R越大,vmax越大,vmax与加速电压无关,B正确,C错误;质子离开加速器时的动能Ekmax=m=,D错误。
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10.如图所示,光滑的金属轨道分水平段和圆弧段两部分,O点为外侧圆弧的圆心,N点为水平段与圆弧段的切点。两金属轨道之间的宽度为0.5 m,匀强磁场方向竖直向上,磁感应强度大小为0.5 T。质量为0.05 kg、长为0.5 m的金属细杆置于金属轨道上的M点。当在金属细杆内通以2 A的恒定电流时,金属细杆可以沿轨道向右由静止开始运动。已知MN=OP=
1 m,g取10 m/s2,则( )
A.金属细杆开始运动时的加速度大小为10 m/s2
B.金属细杆运动到P点时的速度大小为5 m/s
C.金属细杆运动到P点时的向心加速度大小为10 m/s2
D.金属细杆运动到P点时对每一条轨道的作用力大小
均为0.75 N
AD
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金属细杆开始运动时的加速度大小a==10 m/s2,故A
正确;金属细杆由M点运动至P点的过程,由动能定理得
ILB·(MN+OP)-mg·ON=m,则vP=2 m/s,故B错误;金
属细杆运动到P点时的向心加速度大小a==20 m/s2,故C错误;在P点,设每一条轨道对金属细杆的作用力大小均为N,由牛顿第二定律得2N-ILB=ma,则N=0.75 N,由牛顿第三定律知,D正确。
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二、非选择题(本题共5个小题。计算题需要写出必要
的文字说明和具体的解题步骤。)
11.音圈电机是一种应用于硬盘、光驱等系统的特殊
电动机。如图所示是某音圈电机的原理示意图,它由
一对正对的磁极和一个正方形刚性线圈构成,线圈边
长为L,匝数为n,磁极正对区域内的磁感应强度方向垂直于线圈平面竖直向下,大小为B,区域外的磁场忽略不计。线圈左边始终在磁场外,右边始终在磁场内,前后两边在磁场内的长度始终相等。某时刻线圈中电流从P流向Q,大小为I。
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(1)求此时线圈所受安培力的大小和方向;
答案:(1)nBIL 方向水平向右
(1)由安培力的计算公式F=BIL及左手定则可知,线圈前后两边受到的安培力等大反向,合力为零,左边不受安培力,右边所受安培力大小为F=nBIL,方向水平向右。
故线圈所受安培力F=nBIL,方向水平向右。
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(2)若此时线圈水平向右运动的速度大小为v,求安培力的功率。
答案: (2)nBILv
(2)由P=Fv得安培力的功率P=nBILv。
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12.质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成为零),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。
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(1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B,求x的大小。
答案:(1)
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(1)离子在电场中被加速时,由动能定理得
qU=mv2
进入磁场时洛伦兹力提供向心力,则qvB=
又x=2r
由以上三式得x= 。
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(2)氢的三种同位素HHH从离子源S出发,到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少?
答案: (2)1∶∶
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3,由(1)结果知xH∶xD∶xT=∶∶=1∶∶。
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13.如图所示,在一个圆形区域内,两个方向都垂直于纸面向
外的匀强磁场分布在以直径A2A4为边界的两个半圆形区域
Ⅰ、Ⅱ中,直径A2A4与A1A3的夹角为60°。一质量为m、带
电荷量为+q的粒子以某一速度从Ⅰ区的边缘A1处沿与A1A3
成30°角的方向射入磁场,再以垂直A2A4的方向经过圆心O进入Ⅱ区,最后再从A2处射出磁场。已知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t,求Ⅰ区和Ⅱ区中磁感应强度B1和B2的大小。(忽略粒子重力)
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由几何知识和题意可知,粒子在Ⅰ区运动轨迹的圆心在A2处,
轨道半径R1=R,则R= ①
轨迹所对应的圆心角θ1=
则运动时间t1=== ②
由几何关系和题意可知,粒子在Ⅱ区运动轨迹的圆心在OA2的中点,
轨迹半径R2=,则R= ③
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轨迹对应的圆心角θ2=π
则运动时间t2== ④
由题意知t=t1+t2=+ ⑤
由①③⑤式联立解得B2=2B1,B1=,B2=。
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14.如图,区域Ⅰ内有与水平方向成45°角的匀强电场E1,区域宽度为d1,区域Ⅱ内有正交的有界匀强磁场B和匀强电场E2,区域宽度为d2,磁场方向垂直纸面向里,电场方向竖直向下。一质量为m、带电荷量为q的微粒在区域Ⅰ左边界的P点,由静止释放后水平向右做直线运动,进入区域Ⅱ后做匀速圆周运动,从区域Ⅱ右边界上的Q点穿出,其速度方向改变了30°,重力加速度为g,求:
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(1)区域Ⅰ和区域Ⅱ内匀强电场的电场强度E1、E2的大小;
答案:(1)
(1)微粒在区域Ⅰ内水平向右做直线运动,则在竖直方向上有qE1sin 45°=mg
求得E1=
微粒在区域Ⅱ内做匀速圆周运动,则重力和电场力平衡,有mg=qE2
求得E2=。
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(2)区域Ⅱ内匀强磁场的磁感应强度B的大小。
答案: (2)
(2)粒子做直线运动过程,由动能定理得 qE1d1cos 45°=mv2
进入磁场区域后,有qvB=m
根据几何关系可知R==2d2
整理得B=。
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15.如图所示,直角三角形OAC(α=30°)区域内有B=0.5 T的匀强磁场,方向垂直纸面向外。两平行极板M、N接在电压为U的直流电源上,M板为高电势。一带正电的粒子从靠近M板由静止开始加速,从N板的小孔射出电场后,以垂直OA的方向从P点进入磁场中,带电粒子的比荷为=1.0×104 C/kg,O、P间距离为l=1.2 m。全过程不计粒子所受的重力。
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(1)粒子从OA边离开磁场时,粒子在磁场中运动的时间为多少?
答案:(1)2π×10-4 s
(1)带电粒子在磁场中做圆周运动的周期为T==×10-4 s=4π×10-4 s
当粒子从OA边离开磁场时,粒子在磁场中恰好运动了半个周期
t1==2π×10-4 s。
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(2)粒子从OC边离开磁场时,粒子在磁场中运动的最长时间为多少?
答案: (2)×10-4 s
(2)如图所示,当带电粒子的轨迹与OC边相切时为
临界状态,其运动时间即为从OC边射出的最大值,
由几何关系可知,粒子在磁场中运动的圆心角为120°,
所以粒子从OC边离开磁场时,在磁场中运动的最长时间
为t2==×10-4 s。
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(3)若加速电压U=220 V,通过计算说明粒子从三角形OAC的哪一边离开磁场。
答案: (3)见解析
(3)粒子在加速电场被加速,则有qU=mv2
粒子在磁场中做匀速圆周运动,则有qvB=m
因U=220 V,解得r=0.4 m
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如(2)中图所示,设当带电粒子的轨迹与OC边相切时,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R,由几何关系得R+=l
解得R=0.4 m
由于粒子在磁场中运动的半径
r=0.4 m>0.4 m
所以粒子从OC边射出。
$$