1、计算题 (17分)如图所示,半径为r、圆心为O1的虚线所围的圆形区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场,在磁场右侧有一竖直放置的平行金属板M和N,两板间距离为L,在MN板中央各有一个小孔O2、O3,O1、O2、O3在同一水平直线上,与平行金属板相接的是两条竖直放置间距为L的足够长的光滑金属导轨,导体棒PQ与导轨接触良好,与阻值为R的电阻形成闭合回路(导轨与导体棒的电阻不计),该回路处在磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里的匀强磁场中,整个装置处在真空室中,有一束电荷量为+q、质量为m的粒子流(重力不计),以速率v0从圆形磁场边界上的最低点E沿半径方向射入圆形磁场区域,最后从小孔O3射出.现释放导体棒PQ,其下滑h后开始匀速运动,此后粒子恰好不能从O3射出,而从圆形磁场的最高点F射出.求:
(1)圆形磁场的磁感应强度B′.
(2)导体棒的质量M.
(3)棒下落h的整个过程中,电阻上产生的电热.
(4)粒子从E点到F点所用的时间.
参考答案:(1)
(2)
(3)
(4)
本题解析:(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动:?
(2)导体棒做匀速运动:
粒子恰好不能从Q3射出:?
?
(3)对棒运用动能定理:
棒做匀速运动时:??
(4)电荷在磁场B/中做匀速圆周运动的运动时间为:
电荷在电场中匀变速运动的时间:
???
本题难度:简单
2、计算题 为了降低潜艇噪音,提高其前进速度,可用电磁推进器替代螺旋桨。潜艇下方有左、右两组推进器,每组由6个相同的用绝缘材料制成的直线通道推进器构成,其原理示意图如下。在直线通道内充满电阻率ρ=0.2Ω?m的海水,通道中a×b×c=0.3m×0.4m×0.3m的空间内,存在由超导线圈产生的匀强磁场,其磁感应强度B=6.4T、方向垂直通道侧面向外。磁场区域上、下方各有a×b=0.3mx0.4m的金属板M、N,当其与推进器专用直流电源相连后,在两板之间的海水中产生了从N到M,大小恒为I=1.0×103A的电流,设电流只存在于磁场区域。不计电源内阻及导线电阻,海水密度ρ=1.0×103kg/m3。
(1)求一个直线通道推进器内磁场对通电海水的作用力大小,并判断其方向。
(2)在不改变潜艇结构的前提下,简述潜艇如何转弯?如何倒车?
(3)当潜艇以恒定速度v0=30m/s前进时,海水在出口处相对于推进器的速度v=34m/s,思考专用直流电源所提供的电功率如何分配,求出相应功率的大小。
参考答案:(1)?用左手定则判断磁场对海水作用力方向向右(或与海水出口方向相同)
(2)根据受力情况,通过开启、关闭推进器实现“转弯”,通过改变磁场力的方向实现“倒车”。
(3)4.6104W
本题解析:
【解题思路】(1)海水作为通电直导线,长度为c,根据安培力公式F=BIL求解。
(2)根据受力情况,通过开启、关闭推进器实现“转弯”,通过改变磁场力的方向实现“倒车”。
(3)功率分为三部分:牵引力功率,由题意可得船受到的牵引力,由功率公式可求得牵引力的功率。热功率,电流流过导体必产生焦耳热,根据焦耳热公式,可求热功率。功率的第三部分是单位时间内海水动能的增加量,建立物理模型,设时间内喷出海水的质量为m,求出m质量的海水在时间内的动能增量,根据公式,可求解功率。
(1)将通电海水看成导线,所受磁场力: F=IBL,代入数据得:F=IBc=
用左手定则判断磁场对海水作用力方向向右(或与海水出口方向相同)
(2)考虑到潜艇下方有左、右2组推进器,可以开启或关闭不同个数的左、右两侧的直线通道推进器,实施转弯。改变电流方向,或者磁场方向,可以改变海水所受磁场力的方向,根据牛顿第三定律,使潜艇“倒车”。
(3)电源提供的电功率中的第一部分:牵引功率?,根据牛顿第三定律:=12IBL
当时,代入数据得:
第二部分:海水的焦耳热功率
对单个直线推进器,根据电阻定律:
代入数据得:
由热功率公式,
代入数据得:
第三部分:单位时间内海水动能的增加值
设时间内喷出海水的质量为m,
考虑到海水的初动能为零,
m=
=12=4.6104W
【考点定位】本题考查的是带点粒子在磁场中的运动、电功率、热功率等知识,考查电磁感应及安培力在生产生活中的应用,解题的关键在于明确题意,并要求学生能正确理解立体图形的含义,题目巧设问题情境,用活知识规律,使所学知识鲜活了起来。着眼于科技前沿,立足于高中课本知识的考题,一方 面考查了学生联想、迁移、分析的能力和科学素养、思维、学习习惯,另一方面也使学生感到:高新技术虽然“高”,而且“新”,可是同样是依赖于我们熟悉的传统的基础知识,并非 空中楼阁,高不可攀。本题对学生空间想象能力要求较高.题型新颖,综合性强,难度很大。
本题难度:一般
3、选择题 一个质量为m、带电量为q的粒子,在磁感应强度为B的匀强磁场中作匀速圆周运动.下列说法中正确的是
A.它所受的洛伦兹力是恒定不变的
B.它的动量是恒定不变的
C.它的速度与磁感应强度B成正比
D.它的运动周期与速度的大小无关
参考答案:D
本题解析:洛伦兹力和速度方向总是垂直的,速度方向在变化,所以洛伦兹力方向也在变化,A错误;动量是矢量,速度大小不变,方向在变,所以动量在变化,B错误;洛伦兹力不改变速度的大小,所以C错误;根据公式可得它的运动周期与速度的大小无关,D正确;
故选D
点评:粒子在洛伦兹力作用下,做匀速圆周运动的周期与速度无关,这是一个经常用到的结论
本题难度:简单
4、计算题 如图,平行金属板倾斜放置,AB长度为L,金属板与水平方向的夹角为θ,一电荷量为-q、质量为m的带电小球以水平速度v0进入电场,且做直线运动,到达B点。离开电场后,进入如下图所示的电磁场(图中电场没有画出)区域做匀速圆周运动,并竖直向下穿出电磁场,磁感应强度为B。试求:
小题1:带电小球进入电磁场区域时的速度v。
小题2:带电小球在电磁场区域做匀速圆周运动的时间。
小题3:重力在电磁场区域对小球所做的功。
参考答案:
小题1:
小题2:
小题3:
本题解析:(1)对带电小球进行受力分析,带电小球受重力mg和电场力F,F合=Fsinθ,mg=Fcosθ(1分)
解得F合=mgtanθ(1分)
根据动能定理,
解得(2分)
(2)带电小球进入电磁场区域后做匀速圆周运动,说明电场力和重力平衡,带电小球只在洛伦兹力作用下运动。通过几何知识可以得出,带电粒子在磁场中运动了圆周,运动时间为(2分)
(3)带电小球在竖直方向运动的高度差等于一个半径,h=R=(2分)
重力做的功为(2分)
本题难度:一般
5、计算题 两屏幕荧光屏互相垂直放置,在两屏内分别去垂直于两屏交线的直线为x和y轴,交点O为原点,如图所示。在y>0,0<x<a的区域有垂直于纸面向内的匀强磁场,在y>0,x>a的区域有垂直于纸面向外的匀强磁场,两区域内的磁感应强度大小均为B。在O点出有一小孔,一束质量为m、带电量为q(q>0)的粒子沿x周经小孔射入磁场,最后打在竖直和水平荧光屏上,使荧光屏发亮。入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各种数值。已知速度最大的粒子在0<x<a的区域中运动的时间与在x>a的区域中运动的时间之比为2︰5,在磁场中运动的总时间为7T/12,其中T为该粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中做圆周运动的周期。试求两个荧光屏上亮线的范围(不计重力的影响)。
参考答案:
本题解析:对于y轴上的光屏亮线范围的临界条件如图1所示:带电粒子的轨迹和x=a相切,此时r=a,y轴上的最高点为y="2r=2a?" ;
对于 x轴上光屏亮线范围的临界条件如图2所示:左边界的极限情况还是和x=a相切,此刻,带电粒子在右边的轨迹是个圆,由几何知识得到在x轴上的坐标为x=2a;速度最大的粒子是如图2中的实线,又两段圆弧组成,圆心分别是c和c’?由对称性得到 c’在 x轴上,设在左右两部分磁场中运动时间分别为t1和t2,满足
解得??由数学关系得到:
代入数据得到:
所以在x 轴上的范围是
本题难度:一般
He that fights and runs away may live to fight another day. 会战斗会退却的人,才有可能保存自己,他日再战.