内容正文:
第3节 洛伦兹力的应用
【核心素养目标】
物理观念
能用洛伦兹力解释生活现象,说明磁偏转技术的应用。
科学思维
能对已有结论提出质疑,能解决相关物理问题。
科学探究
探究显像管、质谱仪和回旋加速器的工作原理。
科学态度与责任
能认识到回旋加速器和质谱仪等对人类探索未知领域的重要性,知道科学发展对实验器材的依赖性。
一、显像管
1.主要构造:电子枪、加速电场、偏转线圈和荧光屏。
2.原理图(如图所示)
3.工作原理:由电子枪发出的电子,经电场加速形成电子束,在水平偏转线圈和竖直偏转线圈产生的不断变化的磁场作用下,运动方向发生偏转,从而实现扫描,在荧光屏上显示图像。
二、质谱仪
1.功能:分离和检测同位素并测定其质量、含量的仪器。
2.原理图(如图所示)
3.工作原理:带电粒子在电场中加速:qU=mv2,带电粒子在磁场中偏转:=r,带电粒子的比荷:=。由此可知,带电粒子的比荷与偏转距离x的平方成反比,凡是比荷不相等的都被分开,并按比荷的大小顺序排列,故称之为“质谱”。
4.其他应用:可以准确地测定每种粒子的质量和分析某种元素的同位素。
三、回旋加速器
1.主要构造:两个半圆形的中空铜盒D1、D2。
2.原理图(如图所示)
3.工作原理
(1)磁场作用:带电粒子垂直磁场方向射入磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期与轨道半径和运动速率无关。
(2)交变电压的作用:在两D形盒狭缝间产生周期性变化的交变电场,使带电粒子每经过一次狭缝加速一次。
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(3)交变电压的周期(或频率):与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)相同。
1.判断正误
(1)显像管中偏转线圈匝数越多,荧光屏上显示的画面面积越大。(×)
(2)射入质谱仪的带电粒子的质量越大,在偏转磁场中做匀速圆周运动的轨道半径一定越大。(×)
(3)回旋加速器中,两D形盒狭缝间所加交变电压越高,被加速粒子获得的最大动能越大。(×)
(4)利用回旋加速器加速带电粒子,要提高加速粒子的最终速度,应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(√)
(5)回旋加速器中带电粒子的动能来自于磁场。(×)
2.链接实景
劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器,为进行人工可控核反应提供了强有力的工具,大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。
(1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自于电场,还是磁场?
(2)带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关?
提示:(1)带电粒子的动能来自于电场。
(2)由动能Ek=可知带电粒子的最大动能与带电粒子的质量、电荷量,回旋加速器的半径和磁场磁感应强度有关。
知识点一 认识显像管
如图为电视机显像管的工作原理图。电子经电子枪加速后进入偏转磁场然后打在荧光屏上产生亮点。
结合原理分析:
(1)电子在加速电场和偏转磁场中的运动情况;
(2)增大偏转磁场,亮点偏离O点的距离如何变化。
提示: (1)电子在加速电场中做加速直线运动;在偏转磁场中做匀速圆周运动。
(2)增大偏转磁场,由r=知r减小,亮点离O点越远。
1.带电粒子在加速电场中的加速
qU=mv2⇒v= 。
2.带电粒子在磁场中的偏转
(1)运动性质:匀速圆周运动。
(2)运动规律:r=;T=。
(3)求解方法:偏转量y和偏转角θ要结合圆的几何关系,通过对圆周运动的讨论求解。
特别提醒
显像管中的偏转线圈有两组,一组使电子束上、下偏转,一组使电子束左、右偏转。荧光屏正中心出现一个亮点,说明电子束未发生偏转,一定是偏转线圈出现了故障。
如图所示是电视机显像管及其偏转线圈的示意图。一电子束(初速度不计)经过电压为U的加速电场后,进入一圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直于圆面,磁场区域的中心为O,半径为r。当不加磁场时,电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。为了让
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电子束射到屏幕边缘P点需要加磁场,使电子束偏转一已知角度θ;已知电子的质量为m,电量为e,不计电子的重力。求:
(1)电子进入磁场时的速度;
(2)圆形磁场区域的磁感应强度B的大小及方向。
答案:(1) (2) tan 垂直于纸面向外
解析:(1)设电子射出电场时的速度为v,根据动能定理有:
eU=mv2
解得:v= 。
(2)电子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,由于电子向上偏转,由左手定则判断磁感应强度的方向为垂直于纸面向外。如图所示,电子在磁场中沿圆弧ab运动,圆心为c,半径为R,v表示电子进入磁场时的速度。
则由牛顿第二定律得:
Bev=m
tan =
解以上各式可得:
B= tan 。
针对练1.在【例1】情境中,如果发现电视画面的幅度比正常的偏小,可能的原因是( )
A.电子枪发射能力减弱,电子数减少
B.加速电场的电压过低,电子速率偏小
C.偏转线圈局部短路,线圈匝数减少
D.偏转线圈电流过大,偏转磁场增强
答案:C
解析:如果发现电视画面幅度比正常时偏小,是由于电子束的偏转角减小,即轨道半径增大所致。而电子在磁场中偏转时的半径:r=。电子枪发射能力
减弱,电子数减少,而运动的电子速率及磁场不变,不会影响电视画面幅度偏大或小,故A错误;当加速电场电压过低,电子速率偏小时,会导致电子运动半径减小,从而使偏转角度增大,导致画面幅度比正常偏大,故B错误;当偏转线圈局部短路,线圈匝数减小时,偏转磁场减小,从而使电子运动半径增大,所以导致画面幅度比正常偏小,故C正确;当偏转线圈电流过大,偏转磁场增强时,电子运动半径变小,所以导致画面幅度比正常偏大,故D错误。
针对练2.在【例1】情境中,设垂直纸面向里的磁场方向为正方向,如果要使电子束打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点,下列变化中的磁场能够使电子发生上述偏转的是( )
答案:A
解析:根据左手定则可知,电子开始上偏,磁场方向垂直纸面向外,方向为负,且逐渐减小,后来电子又下偏,磁场方向垂直纸面向里,方向为正,且逐渐增加,故A正确,B、C、D错误。
知识点二 认识质谱仪
(1)一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域,结果发现有些离子保持原来的运动方向,未发生任何偏转,它们速度有什么特点?
(2)如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分裂成几束,对这些进入另一磁场的离子,它们的比荷是否相同?
提示:(1)相等 (2)不同
粒子的比荷
电荷量与质量的比值称为比荷,即。由r= 可知,如果带电粒子的电荷量相同,质量有微小差别,就会打在照相底片上的不同位置,可以测出圆周的半径,进而可以算出粒子的比荷。
质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理如图所示,带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( )
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A.此粒子带负电
B.下极板S2比上极板S1电势高
C.若只减小加速电压U,则半径r变大
D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小
答案:D
解析:由图可知,磁场方向向外,带电粒子向左偏转,根据左手定则可判断,该电荷带正电,故A错误;粒子经过电场要加速,粒子带正电,所以下极板S2比上极板S1电势低,故B错误;根据动能定理得,qU=mv2,由qvB=m得:r=,若只减小加速电压U,由上式可知,半径r减小,故C错误;若只减小入射粒子的质量,q不变,由上式可知,半径也减小,故D正确。
针对练1.芯片制造过程中的重要工序之一是离子注入,速度选择器是离子注入机的重要组成部分。现将速度选择器简化为如图所示模型,两平行金属板P、Q水平放置,其间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。将一质子(重力不计)从M点沿水平方向射入到两金属板之间,质子恰好沿直线运动到N点。则( )
A.若撤掉磁场,质子将向P极板偏转
B.若撤掉电场,质子将向Q极板偏转
C.若增大入射速度,质子运动轨迹仍为直线
D.若将电子以相同速度从M点射入,其运动轨迹仍为直线
答案:D
解析:若撤掉磁场,质子带正电,所受电场力与电场方向相同,即电场力方向向下,所以质子将向Q极板偏转,故A错误;若撤掉电场,根据左手定则可知,质子受到向上的洛伦兹力,所以质子将向P极板偏转,故B错误;质子原来做匀速直线运动,即电场力与洛伦兹力大小相等,有qvB=qE,得v=,所以质子做
匀速直线运动时的速度为,若增大入射速度,则洛伦兹力变大,电场力不变,所以质子将向P极板偏转,故C错误;若将电子以相同速度从M点射入,则电场力向上,洛伦兹力向下,且evB=eE,电场力大小仍等于洛伦兹力大小,即电子受力平衡,做匀速直线运动,故D正确。故选D。
针对练2.某质谱仪示意图如图所示,大量的氘H)、氚H)从容器A下方的小孔,S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为0,然后经过小孔S3进入方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场中,粒子在照相底板D上形成感光点。实际上通过小孔S3的是一束与其孔宽相同的平行粒子束,它使照相底板D上形成感光线,已知氘H)、氚H)所带的电荷量均为e,质量分别为2m0,3m0要区分出氘H)、氚H),小孔S3的宽度不能超过( )
A. B.
C. D.
答案:D
解析:氘H)经电场加速有eU=·2m0,在磁场中偏转有ev21B=2m0,联立可得R21=,同理可得氚H)在磁场中的半径R31=,当氚H)从小孔S3右侧射入磁场、氘H)从小孔S3左侧射入磁场,它们恰好到达同一位置,两核在照相底板上形成的感光线恰好合为一体,此时小孔S3的宽度d=2R31-2R21,解得d=,故要区分出氘H)、氚H),小孔S3的宽度不能超过。故选D。
知识点三 认识回旋加速器
(1)带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大是否发生变化?
(2)为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速,使之能量不断提高,所加交变电压的周期与粒子做圆周运动的周期有何关系?
提示:(1)不变 (2)相同
1.交变电压的周期
带电粒子做匀速圆周运动的周期T=,与速率、半径均无关。运动相等的时间(半个周期)后进入电场,为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,所以交变电压的周期也与粒子的速率、半径无关,由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。
2.带电粒子的最终能量
由r=知,当带电粒子的运动半径最大时,其速度也最大,若D形盒半径为R,则带电粒子的最终动能Ekm=。可见,要提高加速粒子的最终能量,应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R。
3.粒子被加速的次数
粒子在回旋加速器盒中被加速的次数n=(U是加速电压的大小),一个周期加速两次。加速电压小,每一次获得的能量小,加速次数就多。
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4.粒子在回旋加速器中运动的时间
在电场中运动的时间为t1,在磁场中运动的时间为t2=T=(n是粒子被加速次数),总时间为t=t1+t2,因为t1≪t2,一般认为在盒内的时间近似等于t2。
回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,如图所示。它的核心部分是两个D形金属盒,两盒相距很近(缝隙的宽度远小于盒半径),分别和高频交流电源相连接,使带电粒子每次通过缝隙时恰好在最大电压下被加速。两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒面,带电粒子在磁场中做圆周运动,粒子通过两盒的缝隙时反复被加速,直到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。若D形盒半径为R,所加磁场的磁感应强度为B。设两D形盒之间所加的交流电压的最大值为U,被加速的粒子为α粒子,其质量为m、电量为q。α粒子从D形盒中央开始被加速(初动能可以忽略),经若干次加速后,α粒子从D形盒边缘被引出。两盒间的狭缝很小,带电粒子穿过的时间可以忽略不计,求:
(1)粒子被加速后获得的最大动能Ek;
(2)粒子在回旋加速器中运动的时间。
答案:(1) (2)
解析:(1)α粒子在D形盒内做圆周运动,轨道半径达到最大时被引出,具有最大动能,设此时的速度为v,有qvB=
可得v=
α粒子的最大动能Ek=mv2=。
(2)设α粒子被电场加速的总次数为N,则
Ek=NqU=
可得N=
α粒子在加速器中运动的时间是α粒子在D形盒中旋转N个半圆周的总时间t
t=N
T=
解得t=。
规律方法
若已知D形盒狭缝间距d,也可以求出带电粒子在电场中加速运动的时间:因粒子在磁场中偏转过程中速度大小不变,粒子只有通过狭缝时才被加速。若把粒子在狭缝中的加速过程对接起来,粒子在电场中的加速过程就是一个匀加速过程,其加速度a=,所以在电场中运动的时间tE==。
针对练1.1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( )
A.离子从磁场中获得能量
B.电场的周期随离子速度增大而增大
C.离子由加速器的中心附近进入加速器
D.当磁场和电场确定时,这台加速器仅能加速电荷量q相同的离子
答案:C
解析:离子在电场力作用下,从电场中获得能量,而洛伦兹力始终与速度的方向垂直,所以洛伦兹力不做功,离子不能从磁场中获得能量,A错误;离子最终的速度与回旋半径成正比,要使半径最大,应使离子从中心附近射入加速器,C正确;加速离子时,交变电场的周期与离子在磁场中运动的周期相等,离子在磁场中运动的周期T=,与离子速度无关,与离子的比荷有关,当磁场和电场确定时,这台加速器仅能加速比荷相同的离子,B、D错误。
针对练2.在【例3】所述情境中,求以下问题:
(1)α粒子第一次被加速后的速度大小;
(2)α粒子在第n次加速后回旋半径与第n+1次加速后回旋半径的比值。
答案:(1) (2)
解析:(1)设α粒子第一次被加速后速度大小为v1,
根据动能定理有:qU=m
解得:v1= 。
(2)从开始进入到第n次加速后列动能定理方程:
nqU=m ①
α粒子在磁场中做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律:
qvnB=m ②
联立①②可得,rn=;
同理:rn+1=。
所以= 。
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知识点四 洛伦兹力与现代科技
装置
原理图
规律
速度选
择器
若qv0B=Eq,即v0=,粒子做匀速直线运动
磁流体
发电机
等离子体射入,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=Bdv0
续表
装置
原理图
规律
电磁流
量计
q=qvB,所以v=,所以
Q=vS=
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
如图所示,两极板间存在正交的电磁场,匀强电场和匀强磁场的方向如图,一带正电的粒子(重力忽略不计)以速度v0沿水平向左由N点射入两极板,粒子刚好能沿直线穿过两极板。电场强度大小为E,磁感应强度大小为B。下列说法正确的是( )
A.v0=
B.若粒子的速度大于v0,粒子向上偏转
C.仅将正粒子改为负粒子,粒子仍沿直线穿过极板
D.仅将正粒子由M水平向右射入,粒子仍沿直线穿过极板
答案:C
解析:粒子在极板间受电场力和洛伦兹力做匀速直线运动,有qE=qv0B,可得v0=,A错误;粒子受向上的电场力和向下的洛伦兹力,若粒子的速度大于v0,则洛伦兹力大于电场力,粒子向下偏转,B错误;仅将正粒子改为负粒子,则电场力方向向下,洛伦兹力方向向上,仍有qE=qv0B,粒子仍沿直线穿过极板,C正确;仅将正粒子由M水平向右射入,则粒子所受电场力方向向上,洛伦兹力方向也向上,粒子向上偏转,D错误。故选C。
如图是磁流体发电机的示意图,在间距为d的平行金属板M、N间,存在磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场,两金属板通过导线与滑动变阻器相连,滑动变阻器接入电路的电阻为R。等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电粒子)连续以速度v平行于两金属板垂直射入磁场,理想电流表A的读数为I,不计重力,下列说法正确的是( )
A.发电机的上极板M为正极
B.带正电的粒子在两极板间受到的洛伦兹力方向向上
C.发电机的效率η=
D.只增大M、N两板的面积,发电机的电动势增大
答案:C
解析:根据左手定则可知,正粒子所受洛伦兹力向下,负粒子受洛伦兹力向上,所以发电机的上极板M为负极,故A、B错误;当达到稳定状态时,有q=qvB,所以U=Bdv,所以发电机的效率为η==,故C正确;由于U=Bdv,若增大M、N两板的面积,发电机的电动势不变,故D错误。故选C。
(多选)如图所示为电磁流量计(即计算单位时间内流过某一横截面的液体体积)的原理图。一圆形导管直径为d,用非磁性材料制成,其中有可以导电的液体向左流动。图中磁场方向垂直于纸面向里,大小为B,导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下偏转,a、b间出现电势差。当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时,a、b间的电势差就稳定为U,则( )
A.电势a高b低 B.电势b高a低
C.流量Q= D.流量Q=
答案:BC
解析:根据左手定则可知,导电液体中的正离子在洛伦兹力作用下向下偏转,负离子在洛伦兹力作用下向上偏转,则a点电势低,b点电势高,故A错误,B正确;对离子有:qvB=q,解得v=,流量等于单位时间内流过某一横截面的液体的体积,有Q=vS=π=,故C正确,D错误。
(多选)如图是磁流体发电机的装置。a、b组成一对平行电极,两板间距为d,板平面的面积为S,内有磁感应强度为B的匀强磁场。现持续将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的微粒,而整体呈中性)垂直磁场喷入,每个离子的速度为v,负载电阻阻值为R,当发电机稳定发电时,负载中电流为I,则( )
A.a板电势比b板电势低
B.磁流体发电机的电动势E=Bdv
C.负载电阻两端的电压大小为Bdv
D.两板间等离子体的电阻率ρ=
答案:BD
解析:根据磁流体发电机的装置图,利用左手定则可知,正、负微粒通过发电机内部时,带正电微粒向上偏,带负电微粒向下偏,则知a板电势比b板电势高,故A错误;当发电机稳定发电时,对微粒有qvB=q,得电动势E=Bdv,故B正确;由闭合电路欧姆定律有UR+Ur=E,又E=Bdv,则负载电阻两端的电压UR<Bdv,故C错误;由闭合电路欧姆定律有I=,其中r为极间电离气体的电阻且r=ρ,得ρ=,故D正确。
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1.电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理,如图所示,电子束经电子枪加速后进入偏转磁场,然后打在荧光屏上产生亮点。没有磁场时,亮点在O点;加上磁场后,亮点的位置偏离O点。以下说法正确的是( )
A.仅增大加速电压,亮点将远离O点
B.仅减小磁感应强度,亮点将远离O点
C.增大加速电压同时增大磁感应强度,亮点可能远离O点
D.增大加速电压同时减小磁感应强度,亮点可能远离O点
答案:C
解析:电子在电场中加速的过程,根据动能定理得eU=mv2,得v= ,电子进入偏转磁场后做圆周运动,由洛伦兹力提供向心力得evB=m ,电子的轨迹半径为r==,r越大,亮点越靠近O点,r越小,亮点越远离O点,仅增大加速电压、仅减小磁感应强度或增大加速电压同时减小磁感应强度,亮点均靠近O点,增大加速电压同时增大磁感应强度,r可能增大,可能不变,可能减小,则亮点可能远离O点。故选项C正确。
2.(多选)速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束,其运动轨迹如图所示,其中S0A=S0C,不计重力,则下列说法正确的是( )
A.甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷
B.甲束粒子带正电,乙束粒子带负电
C.能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于
D.若甲、乙两束粒子的电荷量相等,则甲、乙两束粒子的质量之比为5∶2
答案:AC
解析:根据粒子在速度选择器中受力平衡,可知qvB1=qE,解得通过狭缝S0的粒子的速率为v=,故C正确。由左手定则,可知正电荷受洛伦兹力向下偏移,故乙束粒子带正电,甲束粒子带负电,故B错误。由洛伦兹力提供向心力得qvB2=m,可得粒子的比荷为=,由题图可知==,比荷之比为∶=r乙∶r甲=3∶2,即甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷;若两束粒子电荷量相等,则甲、乙两束粒子的质量之比为m甲∶m乙=2∶3,故A正确,D错误。故选AC。
3.(多选)如图甲所示,回旋加速器利用高频交流电源使粒子每隔一定的时间加速一次,经过多次加速粒子可以达到很大的速度。如图乙所示,在D形盒D1的圆心S处有一正离子源,它发出的正离子经狭缝电压加速后,进入D形盒D2中,在磁场力的作用下运动半周,再经狭缝电压加速,如此周而复始,最后到达D形盒的边缘,获得最大速度,由导出装置导出,已知正离子的电荷量为q,质量为m,加速时电极间电压大小为U,磁场的磁感应强度为B,D形盒的半径为R。每次加速的时间很短,可以忽略不计,若正离子从离子源出发时的初速度为零,则( )
A.正离子在磁场中运动的周期为
B.加速电场的周期在不断改变
C.正离子能够获得的最大动能为
D.整个过程中正离子被加速的次数为
答案:ACD
解析:要使正离子每次经过狭缝都被加速,加速电场的周期应等于正离子做圆周运动的周期,正离子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,有Bqv=m,又T=,解得T=,A正确;加速电场的周期与正离子在磁场中运动的周期是相等的,不变化,B错误;当正离子从D形盒边缘离开时速度最大,此时正离子做圆周运动的半径等于D形盒的半径,有qvmB=m,解得vm=,正离子获得的最大动能为Ekm=m=,C正确;设正离子能被加速n次,根据动能定理可得nqU=m,解得n=,D正确。
4.磁流体发电机工作原理如图所示,a、b是正对的两个电阻可忽略的导体电极,面积均为S,间距为d,分别与阻值为R的负载电阻相连。a、b之间存在匀强磁场,当一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电粒子)以速度v0向右进入a、b之间时,运动的带电粒子受到洛伦兹力的作用,使a、b之间产生了电势差。已知a、b之间等离子体的等效电阻为,通过负载电阻的电流方向由2指向1,负载电阻两端的电压为U,电压表为理想电表,则关于a、b之间磁感应强度B的大小和方向,下列说法正确的是( )
A.B=,垂直纸面向里
B.B=,垂直纸面向外
C.B=,垂直纸面向外
D.B=,垂直纸面向里
答案:A
解析:通过负载电阻R的电流由2指向1,可知上极板带正电,根据左手定则可知,磁感应强度垂直纸面向里,负载电阻两端的电压为U,则U=·R,qv0B=q,联立解得B=。故选A。
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