2016年高考物理真题专题汇编专题K磁场(含解析)

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1 K 磁场 K1 磁场 安培力 1.J10 K1[2016²全国卷Ⅲ] 某同学用图1­中所给器材进行与安培力有关的实验.两根金属导轨ab和a1b1固定在同一水平面内且相互平行,足够大的电磁铁(未画出)的N极位于两导轨的正上方,S极位于两导轨的正下方,一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直.

图1­ (1)在图中画出连线,完成实验电路.要求滑动变阻器以限流方式接入电路,且在开关闭合后,金属棒沿箭头所示的方向移动. (2)为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度,有人提出以下建议: A.适当增加两导轨间的距离 B.换一根更长的金属棒 C.适当增大金属棒中的电流 其中正确的是________(填入正确选项前的标号). [答案] (1)连线如图所示

(2)AC [解析] (1)限流式接法要求滑动变阻器接线时只能连接“一上一下”两个接线柱;磁铁N极位于上方,说明磁感线向下;开关闭合后,金属棒往右运动,说明棒受到向右的安培力;由左手定则可知,电流应垂直纸面向外(ab指向a1b1);所以应按“电源正极→开关→滑动变阻器下接线柱→滑动变阻器上接线柱→电流表→ab→a1b1→电源负极”的顺序连接回路.

(2)由动能定理BIL²s=12mv2-0可知,要增大金属棒离开导轨时的速度v,可以增大磁感应强度B、增大电流I、增大两导轨间的距离L或增大导轨的长度s;但两导轨间的距离不变而只是换一根更长的金属棒后,等效长度L并不会发生改变,但金属棒的质量增大,故金属棒离开导轨时的速度v减小. 2.K1 K2[2016²北京卷] 中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角:“以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也.”进一步研究表明,地球周围地磁场的磁感线分布示意如图.结合上述材料,下列说法不正确的是( ) 2

图1­ A.地理南、北极与地磁场的南、北极不重合 B.地球内部也存在磁场,地磁南极在地理北极附近 C.地球表面任意位置的地磁场方向都与地面平行 D.地磁场对射向地球赤道的带电宇宙射线粒子有力的作用 C [解析] 根据“则能指南,然常微偏东,不全南也”知,选项A正确.由图可知地磁场的南极在地理北极附近,选项B正确.由图可知在两极附近地磁场与地面不平行,选项C不正确.由图可知赤道附近的地磁场与地面平行,射向地面的带电宇宙粒子运动方向与磁场方向垂直,会受到磁场力的作用,选项D正确. 3.B7 J2 K1[2016²天津卷] 电磁缓速器是应用于车辆上以提高运行安全性的辅助制动装置,其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速度.电磁阻尼作用可以借助如下模型讨论:如图1­所示,将形状相同的两根平行且足够长的铝条固定在光滑斜面上,斜面与水平方向夹角为θ.一质量为m的条形磁铁滑入两铝条间,恰好匀速穿过,穿过时磁铁两端面与两铝条的间距始终保持恒定,其引起电磁感应的效果与磁铁不动、铝条相对磁铁运动相同.磁铁端面是边长为d的正方形,由于磁铁距离铝条很近,磁铁端面正对两铝条区域的磁场均可视为匀强磁场,磁感应强度为B,铝条的高度大于d,电阻率为ρ.为研究问题方便,铝条中只考虑与磁铁正对部分的电阻和磁场,其他部分电阻和磁场可忽略不计,假设磁铁进入铝条间以后,减少的机械能完全转化为铝条的内能,重力加速度为g.

图1­ (1)求铝条中与磁铁正对部分的电流I; (2)若两铝条的宽度均为b,推导磁铁匀速穿过铝条间时速度v的表达式; (3)在其他条件不变的情况下,仅将两铝条更换为宽度b′>b的铝条,磁铁仍以速度v进入铝条间,试简要分析说明磁铁在铝条间运动时的加速度和速度如何变化.

[答案] (1)mgsin θ2Bd (2)ρmgsin θ2B2d2b (3)略 [解析] (1)磁铁在铝条间运动时,两根铝条受到的安培力大小相等,均为F安,有 F安=IdB ①

磁铁受到沿斜面向上的作用力为F,其大小 F=2F安 ②

磁铁匀速运动时受力平衡,则有 F-mgsin θ=0 ③

联立①②③式可得I=mgsin θ2Bd ④ (2)磁铁穿过铝条时,在铝条中产生的感应电动势为E,有 E=Bdv ⑤

铝条与磁铁正对部分的电阻为R,由电阻定律有

R=ρddb ⑥

由欧姆定律有 I=ER ⑦ 3

联立④⑤⑥⑦式可得v=ρmgsin θ2B2d2b ⑧ (3)磁铁以速度v进入铝条间,恰好做匀速运动时,磁铁受到沿斜面向上的作用力F,联立①②⑤⑥⑦式可得F=2B2d2bvρ ⑨ 当铝条的宽度b′>b时,磁铁以速度v进入铝条间时,磁铁受到的作用力变为F′,有 F′=2B2d2b′vρ ⑩

可见F′>F=mgsin θ,磁铁所受到的合力方向沿斜面向上,获得与运动方向相反的加速度,磁铁将减速下滑,此时加速度最大.之后,随着运动速度减小,F′也随着减小,磁铁所受的合力也减小,由于磁铁加速度与所受到的合力成正比,磁铁的加速度逐渐减小.综上所述,磁铁做加速度逐渐减小的减速运动,直到F′=mgsin θ时,磁铁重新达到平衡状态,将再次以较小的速度匀速下滑.

K2 磁场对运动电荷的作用 4.K2[2016²全国卷Ⅱ] 一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中,磁场方向与筒的轴平行,筒的横截面如图所示.图中直径MN的两端分别开有小孔,筒绕其中心轴以角速度ω顺时针转动.在该截面内,一带电粒子从小孔M射入筒内,射入时的运动方向与MN成30°角.当筒转过90°时,该粒子恰好从小孔N飞出圆筒.不计重力.若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞,则带电粒子的比荷为( )

图1­ A.ω3B B.ω2B

C.ωB D.2ωB A [解析] 作出粒子的运动轨迹如图所示,其中O′为粒子运动轨迹的圆心,由几何关系可知∠MO′N′=30°.

由粒子在磁场中做匀速圆周运动的规律可知qvB=mv2r,T=2πrv,得T=2πmBq,即比荷qm=2πBT,由题意

知t粒子=t筒,即30°360°²T=90°360°²T筒,则T=3T筒,又T筒=2πω,故qm=ω3B,选项A正确.

5.K2[2016²全国卷Ⅲ] 平面OM和平面ON之间的夹角为30°,其横截面(纸面)如图1­所示,平面OM上方存在匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向外.一带电粒子的质量为m,电荷量为

q(q>0).粒子沿纸面以大小为v的速度从OM的某点向左上方射入磁场,速度与OM成30°角.已知该粒子

在磁场中的运动轨迹与ON只有一个交点,并从OM上另一点射出磁场.不计重力.粒子离开磁场的出射点到两平面交线O的距离为( ) 4

图1­ A.mv2qB B.3mvqB

C.2mvqB D.4mvqB D [解析] 设射入磁场的入射点为A,延长入射速度v所在直线交ON于一点C,则轨迹圆与AC相切;由于轨迹圆只与ON有一个交点,所以轨迹圆与ON相切,所以轨迹圆的圆心必在∠ACD的角平分线上,作出轨迹圆如图所示,其中O′为圆心,B为出射点.

由几何关系可知∠O′CD=30°,Rt△O′DC中,CD=O′D²cot 30°=3R;由对称性知,AC=CD=3R;等腰△ACO中,OA=2AC²cos 30°=3R;等边△O′AB中,AB=R,所以OB=OA+AB=4R.由qvB=

mv2R得R=mvqB,所以OB=4mvqB,D正确.

6.K2[2016²北京卷] 如图1­所示,质量为m、电荷量为q的带电粒子,以初速度v沿垂直磁场方向射入磁感应强度为B的匀强磁场,在磁场中做匀速圆周运动.不计带电粒子所受重力. (1)求粒子做匀速圆周运动的半径R和周期T; (2)为使该粒子做匀速直线运动,还需要同时存在一个与磁场方向垂直的匀强电场,求电场强度E的大小.

图1­ [答案] (1)mvqB 2πmqB (2)vB [解析] (1)洛伦兹力提供向心力,有f=qvB=mv2R

带电粒子做匀速圆周运动的半径R=mvqB 匀速圆周运动的周期T=2πRv=2πmqB. (2)粒子受电场力F=qE,洛伦兹力f=qvB.粒子做匀速直线运动,则 qE=qvB 场强E的大小E=vB. 5

7.K2[2016²四川卷] 如图1­所示,正六边形abcdef区域内有垂直于纸面的匀强磁场.一带正电的粒子从f点沿fd方向射入磁场区域,当速度大小为vb时,从b点离开磁场,在磁场中运动的时间为tb,当速度大小为vc时,从c点离开磁场,在磁场中运动的时间为tc,不计粒子重力.则( )

图1­ A.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=2∶1 B.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=1∶2 C.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=2∶1 D.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=1∶2 A [解析] 由题可得带正电粒子在匀强磁场中受洛伦兹力作用做匀速圆周运动,且洛伦兹力提供做圆周运动的向心力,作出粒子两次运动的轨迹如图所示

由qvB=mv2r=mr4π2T2可以得出vb∶vc=rb∶rc=1∶2, 又由t=θ2πT可以得出时间之比等于偏转角之比.由图看出偏转角之比为2∶1,则tb∶tc=2∶1,选项A正确. K3 带电粒子在组合场及复合场中运动 8.I3 K3[2016²全国卷Ⅰ] 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1­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1­ A.11 B.12 C.121 D.144

[解析] D 粒子在电场中加速,设离开加速电场的速度为v,则qU=12mv2,粒子进入磁场做圆周运动,

半径r=mvqB=1B2mUq,因两粒子轨道半径相同,故离子和质子的质量比为144,选项D正确. 9.K3[2016²江苏卷] 回旋加速器的工作原理如图1­甲所示,置于真空中的D形金属盒半径为R,两盒间狭缝的间距为d,磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直,被加速粒子的质量为m,电荷量为+q,加

在狭缝间的交变电压如图乙所示,电压值的大小为U0.周期T=2πmqB.一束该种粒子在t=0~T2时间内从A