1、三、电场与磁场的叠加应用实例速度选择器若qv0BEq，即v0，带电粒子做匀速运动电磁流量计qqvB，所以v，所以QvS（）2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命题点一质谱仪的原理和分析1.作用测量带电粒子质量和分离同位素的仪器.2.原理（如图1所示）图1（1）加速电场：qUmv2；（2）偏转磁场：qvB，l2r；由以上两式可得r，m，.例1一台质谱仪的工作原理如图2所示.大量的带电荷量为q，质量为2m的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为0，经加速后，通过宽为L的狭缝MN沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片
2、上.图中虚线为经过狭缝左、右边界M、N时离子的运动轨迹.不考虑离子间的相互作用.图2（1）求离子打在底片上的位置到N点的最小距离x；（2）在图中用斜线标出磁场中离子经过的区域，并求该区域最窄处的宽度d.答案（1）L（2）见解析图解析（1）设离子在磁场中的运动半径为r1，在电场中加速时，有qU02mv2又qvB2m解得 r1根据几何关系x2r1L，解得xL.（2）如图所示，最窄处位于过两虚线交点的垂线上dr1解得d变式1（2016全国卷15）现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图3所示，其中加速电压恒定.质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场.若某种
3、一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍.此离子和质子的质量比约为（）图3A.11 B.12C.121 D.144答案D解析由qUmv2得带电粒子进入磁场的速度为v，结合带电粒子在磁场中运动的轨迹半径R，综合得到R，由题意可知，该离子与质子在磁场中具有相同的轨道半径和电荷量，故144，故选D.命题点二回旋加速器的原理和分析1.构造：如图4所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源.图42.原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次.
4、3.粒子获得的最大动能：由qvmB、Ekmmv得Ekm，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关.4.粒子在磁场中运动的总时间：粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n，粒子在磁场中运动的总时间tT.例2（多选）劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图5所示.置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说法正确的是（）图5A
5、.质子被加速后的最大速度不可能超过2RfB.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C.质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1D.不改变磁感应强度B和交流电频率f，经该回旋加速器加速的各种粒子的最大动能不变答案AC解析质子被加速后的最大速度受到D形盒半径R的制约，因vm2Rf，故A正确；质子离开回旋加速器的最大动能Ekmmvm42R2f22m2R2f2，与加速电压U无关，B错误；根据qvB，Uqmv，2Uqmv，得质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1，C正确；因经回旋加速器加速的粒子最大动能Ekm2m2R2f2与m、R、f均有关，故D错误.变式2如图6
6、甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连.带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示.忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是（）图6A.在Ekt图象中应有t4t3t3t2B.粒子射入的速度可能是vb.例5（多选）为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图13所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a1 m、b0.2 m、c0.2 m，左、右两端开口，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B1.25 T的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固
7、定有金属板M、N作为电极，污水充满装置以某一速度从左向右匀速流经该装置时，用电压表测得两个电极间的电压U1 V.且污水流过该装置时受到阻力作用，阻力FfkLv，其中比例系数k15 Ns/m2，L为污水沿流速方向的长度，v为污水的流速.下列说法中正确的是（）图13A.金属板M电势不一定高于金属板N的电势，因为污水中负离子较多B.污水中离子浓度的高低对电压表的示数也有一定影响C.污水的流量（单位时间内流出的污水体积）Q0.16 m3/sD.为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压强差为p1 500 Pa答案CD解析根据左手定则，知负离子所受的洛伦兹力方向向下，则负离子向下偏转，N板带负电，
8、M板带正电，则N板的电势比M板电势低，故A错误；最终离子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，有qvBq，解得UvBc，与离子浓度无关，故B错误；污水的流速v，则流量Qvbc m3/s0.16 m3/s，故C正确；污水的流速v m/s4 m/s; 污水流过该装置时受到的阻力FfkLvkav1514 N60 N，为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压力差是60 N，则压强差为p Pa1 500 Pa，故D正确.4.霍尔效应的原理和分析（1）定义：高为h、宽为d的导体（自由电荷是电子或正电荷）置于匀强磁场B中，当电流通过导体时，在导体的上表面A和下表面A之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电
9、压称为霍尔电压.图14（2）电势高低的判断：如图14，导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，若自由电荷是电子，则下表面A的电势高.若自由电荷是正电荷，则下表面A的电势低.（3）霍尔电压的计算：导体中的自由电荷（电子）在洛伦兹力作用下偏转，A、A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、A间的电势差（U）就保持稳定，由qvBq，InqvS，Shd；联立得Uk，k称为霍尔系数.例6中国科学家发现了量子反常霍尔效应，杨振宁称这一发现是诺贝尔奖级的成果.如图15所示，厚度为h、宽度为d的金属导体，当磁场方向与电流方向垂直时，在导体上、下表面会产生电势差，这种现象称为霍尔效应.下列说法正
10、确的是（）图15A.上表面的电势高于下表面的电势B.仅增大h时，上、下表面的电势差增大C.仅增大d时，上、下表面的电势差减小D.仅增大电流I时，上、下表面的电势差减小答案C解析因电流方向向右，则金属导体中的自由电子是向左运动的，根据左手定则可知上表面带负电，则上表面的电势低于下表面的电势，A错误；当电子达到平衡时，电场力等于洛伦兹力，即qqvB，又Inqvhd（n为导体单位体积内的自由电子数），得U，则仅增大h时，上、下表面的电势差不变；仅增大d时，上、下表面的电势差减小；仅增大I时，上、下表面的电势差增大，故C正确，B、D错误.1.在如图1所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直
11、.一带电粒子（重力不计）从左端以速度v沿虚线射入后做直线运动，则该粒子（）A.一定带正电B.速度vC.若速度v，粒子一定不能从板间射出D.若此粒子从右端沿虚线方向进入，仍做直线运动解析粒子带正电和负电均可，选项A错误；由洛伦兹力等于电场力，qvBqE，解得速度v，选项B正确；若速度v，粒子可能从板间射出，选项C错误；若此粒子从右端沿虚线方向进入，所受电场力和洛伦兹力方向相同，不能做直线运动，选项D错误.2.（多选）如图2所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源的两极上，使a、b两板间产生匀强电场E，右边有一块挡板，正中间开有一小孔d，在较大空间范围内存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方
12、向垂直纸面向里.从两板左侧中点c处射入一束正离子（不计重力），这些正离子都沿直线运动到右侧，从d孔射出后分成三束，则下列判断正确的是（）A.这三束正离子的速度一定不相同B.这三束正离子的比荷一定不相同C.a、b两板间的匀强电场方向一定由a指向bD.若这三束离子改为带负电而其他条件不变，则仍能从d孔射出答案BCD解析因为三束正离子在两极板间都是沿直线运动的，电场力等于洛伦兹力，可以判断三束正离子的速度一定相同，且电场方向一定由a指向b，A错误，C正确；在右侧磁场中三束正离子运动轨迹半径不同，可知这三束正离子的比荷一定不相同，B项正确；若将这三束离子改为带负电，而其他条件不变的情况下分析受力可知，
13、三束离子在两板间仍做匀速直线运动，仍能从d孔射出，D项正确.3.（2018山东济宁模拟）为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图3所示.在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M、N与内阻为R的电流表相连.污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况.下列说法中错误的是（）A.M板比N板电势低B.污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小C.污水流量越大，则电流表的示数越大D.若只增大
14、所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大解析污水从左向右流动时，正、负离子在洛伦兹力作用下分别向N板和M板偏转，故N板带正电，M板带负电，A正确.稳定时带电离子在两板间受力平衡，qvBq，此时UBbv，式中Q是流量，可见当污水流量越大、磁感应强度越强时，M、N间的电压越大，电流表的示数越大，而与污水中离子浓度无关，B错误，C、D正确.4.（多选）如图4是质谱仪的工作原理示意图.带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器.速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有强度为B0的匀强磁场.下列表述正确的是（）A
15、.质谱仪是分析同位素的重要工具B.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小答案ABC解析质谱仪是分析同位素的重要工具，A正确.在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向，结合左手定则可知B正确.由qEqvB可得v，C正确.粒子在平板S下方的匀强磁场中做匀速圆周运动，由qvB得R，所以，D错误.5.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度.电磁血流计由一对电极a和b以及磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的.使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向
16、和血流速度方向两两垂直，如图5所示.由于血液中的正负离子随血液一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差.在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零.在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 V，磁感应强度的大小为0.040 T.则血流速度的近似值和电极a、b的正负为（）A.1.3 m/s，a正、 b负B.2.7 m/s，a正、b负C.1.3 m/s，a负、b正D.2.7 m/s，a负、b正答案A6.利用霍尔效应制作的元件，广泛应用于测量和自动控制等领域.如图6是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强
17、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两侧就会形成电势差UCD，下列说法中正确的是（）A.电势差UCD仅与材料有关B.仅增大磁感应强度时，C、D两面的电势差变大C.若霍尔元件中定向移动的是自由电子，则电势差UCDD.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方向解析设霍尔元件的厚度为d，长为a，宽为b，稳定时有Bqvq，又因为InqSv，其中n为单位体积内自由电荷的个数，q为自由电荷所带的电荷量，Sbd，联立解得：UCD，可知选项A错误；若仅增大磁感应强度B，则C、D两面的电势差增大，选项B正确；若霍尔元件中定向移动的是自由电子，由左手定则可知，电子将向C侧
18、偏转，则电势差UCD0，选项C错误；地球赤道上方的地磁场方向为水平方向，元件的工作面要与磁场方向垂直，故元件的工作面应保持竖直方向，选项D错误.7.（多选）（2018四川成都调研）如图7，为探讨霍尔效应，取一块长度为a、宽度为b、厚度为d的金属导体，给金属导体加与前后侧面垂直的匀强磁场B，且通以图示方向的电流I时，用电压表测得导体上、下表面M、N间电压为U.已知自由电子的电荷量为e.下列说法中正确的是（）A.M板比N板电势高B.导体单位体积内自由电子数越多，电压表的示数越大C.导体中自由电子定向移动的速度为vD.导体单位体积内的自由电子数为解析电流方向向右，电子定向移动方向向左，根据左手定则判
19、断可知，电子所受的洛伦兹力方向向上，则M板积累了电子，M、N之间产生向上的电场，所以M板比N板电势低，选项A错误.电子定向移动相当于长度为d的导体垂直切割磁感线产生感应电动势，电压表的读数U等于感应电动势E，则有UEBdv，可见，电压表的示数与导体单位体积内自由电子数无关，选项B错误；由UEBdv得，自由电子定向移动的速度为v，选项C正确；电流的微观表达式是InevS，则导体单位体积内的自由电子数n，Sdb，v，代入得n，选项D正确.8.（多选）（2014新课标全国20）图8为某磁谱仪部分构件的示意图.图中，永磁铁提供匀强磁场.硅微条径迹探测器可以探测粒子在其中运动的轨迹.宇宙射线中有大量的电
20、子、正电子和质子.当这些粒子从上部垂直磁场方向进入磁场时，下列说法正确的是（）A.电子与正电子的偏转方向一定不同B.电子与正电子在磁场中运动轨迹的半径一定相同C.仅依据粒子运动轨迹无法判断该粒子是质子还是正电子D.粒子的动能越大，它在磁场中运动轨迹的半径越小解析根据左手定则，电子、正电子进入磁场后所受洛伦兹力的方向相反，故两者的偏转方向不同，选项A正确；根据qvB，得r，若电子与正电子在磁场中的运动速度不相等，则轨迹半径不相同，选项B错误；对于质子、正电子，它们在磁场中运动时不能确定mv的大小，故选项C正确；粒子的mv越大，轨道半径越大，而mv，粒子的动能大，其mv不一定大，选项D错误.9.如
21、图9所示是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连.现分别加速氘核（H）和氦核（He）.下列说法中正确的是（）A.它们的最大速度相同B.它们的最大动能相同C.两次所接高频电源的频率不相同D.仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能解析根据qvBm，得v.两粒子的比荷相等，所以最大速度相等.故A正确.最大动能Ekmv2，两粒子的比荷相等，但质量不相等，所以最大动能不相等.故B错.带电粒子在磁场中运动的周期T，两粒子的比荷相等，所以周期相等.做圆周运动的频率相等，因为所接高频电源的频率等于粒子做圆周运动的频率，故两次所接高频电源的频率相同，故C错误.由Ek可知，粒子的最大动能与加速电压的频率无关，故仅增大高频电源的频率不能增大粒子的最大动能.故D错.10.速度相同的一束粒子（不计重力）由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图10所示，则下列相关说法中正确的是（）A.该束粒子带负电B.速度选择器的P1极板带负电C.能通过狭缝S0的粒子的速度等于D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝S0，则粒子的比荷越小解析根据该束粒子进入匀强磁场B2时向下偏转，由左手定则判断出该束粒子带正电，选项A错误；粒子在速度选择器中做匀速直线运动，受到电场力和洛伦兹力作用，由左手定则知洛伦兹力方向竖直向上，则电场力方向竖直向下，
