2025年高考物理一輪復(fù)習(xí)（新人教版） 第11章　第5課時　洛倫茲力與現(xiàn)代科技

第十一章磁場第5課時洛倫茲力與現(xiàn)代科技目標(biāo)要求1.理解質(zhì)譜儀的工作原理，會計算粒子的比荷。2.理解回旋加速器的工作原理，會計算粒子的最大動能和交流電的頻率。3.理解電場與磁場疊加場的科技應(yīng)用實例的原理。內(nèi)容索引考點一質(zhì)譜儀考點二回旋加速器考點三帶電粒子在科技中的四種應(yīng)用課時精練><考點一質(zhì)譜儀1.作用測量帶電粒子的質(zhì)量和分離同位素。2.原理(如圖所示)(1)加速電場：qU＝_______；(2)偏轉(zhuǎn)磁場：qvB＝______，l＝2r；由以上式子可得r＝___________，m＝______，

＝_______。例1

(多選)(2023·河南開封市三模)質(zhì)譜儀是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具，如圖所示是一種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器A下方的小孔S1飄入電勢差為U1的加速電場，其初速度幾乎為0，接著經(jīng)過小孔S2進(jìn)入速度選擇器中，沿著直線經(jīng)過小孔S3垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強度為B2的勻強磁場中，最后打到照相底片CD上。已知速度選擇器的板間距為d，板間電壓為U2且板間存在磁感應(yīng)強度為B1的勻強磁場，粒子打在底片上的亮點距小孔S3的距離為D。不計粒子重力及粒子間相互作用。則該帶電粒子的比荷可以表示為√√返回回旋加速器><考點二1.構(gòu)造如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒處于勻強磁場中，D形盒的縫隙處接交流電源。2.原理交流電周期和粒子做圓周運動的周期相等，使粒子每經(jīng)過一次D形盒縫隙就被加速一次。3.最大動能磁感應(yīng)強度B盒半徑R無關(guān)4.運動時間的計算(3)粒子運動的總時間t＝t1＋t2＝____________。例2

(多選)(2023·河北石家莊市三模)如圖甲所示為我國建造的第一臺回旋加速器，該加速器存放于中國原子能科學(xué)研究院，其工作原理如圖乙所示：其核心部分是兩個D形盒，粒子源O置于D形盒的圓心附近，能不斷釋放出帶電粒子，忽略粒子在電場中運動的時間，不考慮加速過程中引起的粒子質(zhì)量變化?，F(xiàn)用該回旋加速器對

粒子分別進(jìn)行加速，下列說法正確的是A.兩種粒子在回旋加速器中運動的

時間相等B.兩種粒子在回旋加速器中運動的

時間不相等C.兩種粒子離開出口處的動能相等D.兩種粒子離開出口處的動能不相等√√拓展

(1)加速粒子獲得的動能來自_______(填“電場”或“磁場”)，提高_(dá)____________(填“加速電壓U”或“磁感應(yīng)強度B”)可增加粒子離開出口時的動能。(2)回旋加速器接入的加速

的交流電________(填“可以”或“不可以”)加速

。電場磁感應(yīng)強度B不可以返回帶電粒子在科技中的四種應(yīng)用><考點三1.速度選擇器(1)平行板中電場強度E和磁感應(yīng)強度B互相垂直。(如圖)(2)帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是_____________________，即_________，v＝____。(3)速度選擇器只能選擇粒子的速度，不能選擇粒子的電性、電荷量、質(zhì)量。(4)速度選擇器具有單向性，改變粒子的入射速度方向，不能實現(xiàn)速度選擇功能。洛倫茲力與靜電力平衡qvB＝qE例3

(2024·廣東省模擬)如圖所示，M、N為速度選擇器的上、下兩個帶電極板，兩極板間有勻強電場和勻強磁場。勻強電場的電場強度大小為E、方向由M板指向N板，勻強磁場的方向垂直紙面向里。速度選擇器左右兩側(cè)各有一個小孔P、Q，連線PQ與兩極板平行。某種帶電微粒以速度v從P孔沿PQ連線射入速度選擇器，從Q孔射出。不計微粒重力，下列判斷正確的是A.帶電微粒一定帶正電B.勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小為C.若將該種帶電微粒以速率v從Q孔沿QP連線射入，不能從P孔射出D.若將該帶電微粒以2v的速度從P孔沿PQ連線射入后將做類平拋運動√若帶電微粒帶正電，則受到的洛倫茲力向上，靜電力向下，若帶電微粒帶負(fù)電，則受到的洛倫茲力向下，靜電力向上，微粒沿PQ運動，洛倫茲力等于靜電力，因此微?？梢詭д娨部梢詭ж?fù)電，故A錯誤；若帶電微粒帶負(fù)電，從Q孔沿QP連線射入，受到的洛倫茲力和靜電力均向上，若帶電微粒帶正電，從Q孔沿QP連線射入，受到的洛倫茲力和靜電力均向下，不可能做直線運動，故不能從P孔射出，故C正確；若將該帶電微粒以2v的速度從P孔沿PQ連線射入后，洛倫茲力大于靜電力，微粒做曲線運動，由于洛倫茲力的方向一直在變，微粒不可能做類平拋運動，故D錯誤。2.磁流體發(fā)電機(jī)(1)原理：如圖所示，等離子體噴入磁場，正、負(fù)離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)而聚集在B、A板上，產(chǎn)生電勢差，它可以把離子的_____通過磁場轉(zhuǎn)化為_____。動能電能(2)電源正、負(fù)極判斷：根據(jù)左手定則可判斷出圖中的____板是發(fā)電機(jī)的正極。B(3)發(fā)電機(jī)的電動勢：當(dāng)發(fā)電機(jī)外電路斷路時，正、負(fù)離子所受___________________平衡時，兩極板間達(dá)到的最大電勢差為U，則

＝qvB，得U＝_____，則電動勢E＝U＝_____。(4)內(nèi)阻r：若等離子體的電阻率為ρ，則發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻r＝

。靜電力和洛倫茲力BdvBdv例4

(2023·廣東佛山市模擬)法拉第曾提出一種利用河流發(fā)電的設(shè)想，并進(jìn)行了實驗研究。實驗裝置示意圖如圖所示，兩塊面積均為S的矩形平行金屬板正對且浸在河水中，金屬板間距為d。水流速度處處相同且大小為v，方向水平向左，金屬板面與水流方向平行。地磁場磁感應(yīng)強度豎直向下的分量為B，水的電阻率為ρ，水面上方有一阻值為R的電阻通過絕緣導(dǎo)線和開關(guān)S連接到兩金屬板上。忽略邊緣效應(yīng)，則下列說法正確的是A.電阻R上的電流方向從里向外B.河水流速減小，兩金屬板間的電壓增大C.該發(fā)電裝置的電動勢大小為BdvD.流過電阻R的電流大小為√根據(jù)題意，由左手定則可知，河水中的正離子向外面金屬板偏轉(zhuǎn)，外面金屬板為正極，負(fù)離子向里面金屬板偏轉(zhuǎn)，里面金屬板為負(fù)極，則電阻R上的電流方向從外向里，故A錯誤；3.電磁流量計(1)流量(Q)：單位時間流過導(dǎo)管某一截面的導(dǎo)電液體的體積。(2)導(dǎo)電液體的流速(v)的計算如圖所示，一圓柱形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導(dǎo)電的液體向右流動。導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使a、b間出現(xiàn)電勢差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差(U)達(dá)到最大，(4)電勢高低的判斷：根據(jù)左手定則可得φa____φb。(選填“>”或“<”)>例5

(2023·北京市一模)工業(yè)上常用電磁流量計來測量高黏度及強腐蝕性流體的流量Q(單位時間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積)，原理如圖甲所示，在非磁性材料做成的圓管處加一磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場，當(dāng)導(dǎo)電液體流過此磁場區(qū)域時，測出管壁上下M、N兩點間的電勢差U，就可計算出管中液體的流量。為了測量某工廠的污水排放量，技術(shù)人員在充滿污水的排污管末端安裝了一個電磁流量計，如圖乙所示，已知排污管和電磁流量計處的管道直徑分別為20cm和10cm。當(dāng)流經(jīng)電磁流量計的液體速度為10m/s時，其流量約為280m3/h，若某段時間內(nèi)通過電磁流量計的流量為70m3/h，則在這段時間內(nèi)A.M點的電勢一定低于N點的電勢B.通過排污管的污水流量約為140m3/hC.排污管內(nèi)污水的速度約為2.5m/sD.電勢差U與磁感應(yīng)強度B之比約為0.25m2/s√根據(jù)左手定則可知，進(jìn)入磁場區(qū)域時正電荷會向上偏轉(zhuǎn)，負(fù)電荷向下偏轉(zhuǎn)，所以M點的電勢一定高于N點的電勢，故A錯誤；某段時間內(nèi)通過電磁流量計的流量為70m3/h，通過排污管的污水流量也是70m3/h，流量計半徑為r＝5cm＝0.05m，排污管的半徑R＝10cm＝0.1m，由Q＝πr2v1＝πR2v2可知，流經(jīng)電磁流量計的液體速度為v1＝2.5m/s，排污管內(nèi)污水的速度為v2＝0.625m/s，故B、C錯誤；4.霍爾元件(1)定義：高為h、寬為d的導(dǎo)體(自由電荷是電子或正電荷)置于勻強磁場B中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的_________和_________之間產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，此電壓稱為霍爾電壓。(2)電勢高低的判斷：如圖，導(dǎo)體中的電流I向右時，根據(jù)左手定則可得，若自由電荷是電子，則下表面A′的電勢_____；若自由電荷是正電荷，則下表面A′的電勢____。上表面A下表面A′高低例6

(2023·浙江1月選考·8)某興趣小組設(shè)計的測量大電流的裝置如圖所示，通有電流I的螺繞環(huán)在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場B＝k1I，通有待測電流I′的直導(dǎo)線ab垂直穿過螺繞環(huán)中心，在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場B′＝k2I′。調(diào)節(jié)電阻R，當(dāng)電流表示數(shù)為I0時，元件輸出霍爾電壓UH為零，則待測電流I′的方向和大小分別為√根據(jù)安培定則可知螺繞環(huán)在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場方向向下，則要使元件輸出霍爾電壓UH為零，直導(dǎo)線ab在霍爾元件處產(chǎn)生的磁場方向應(yīng)向上，根據(jù)安培定則可知待測電流I′的方向應(yīng)該是b→a；元件輸出霍爾電壓UH為零，則霍爾元件處合磁感應(yīng)強度為0，所以有k1I0＝k2I′，解得I′＝

故選D。思考想一想這四種科研裝置，在應(yīng)用中有什么共同特點？返回課時精練1.(2023·廣東卷·5)某小型醫(yī)用回旋加速器，最大回旋半徑為0.5m，磁感應(yīng)強度大小為1.12T，質(zhì)子加速后獲得的最大動能為1.5×107eV。根據(jù)給出的數(shù)據(jù)，可計算質(zhì)子經(jīng)該回旋加速器加速后的最大速率約為(忽略相對論效應(yīng)，1eV＝1.6×10－19J)A.3.6×106m/s B.1.2×107

m/sC.5.4×107m/s D.2.4×108

m/s√123456789101234567891012345678910√123456789103.(多選)(2023·天津市期末)調(diào)查組在某化工廠的排污管末端安裝了流量計，其原理可以簡化為如圖所示模型：污水內(nèi)含有大量正、負(fù)離子，從直徑為d的圓柱形容器左側(cè)流入，右側(cè)流出，流量值Q等于單位時間通過橫截面的液體體積?？臻g有垂直紙面向里、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場，下列說法正確的是A.若污水中正離子較多，則a側(cè)電勢比b側(cè)電勢高B.若污水中負(fù)離子較多，則a側(cè)電勢比b側(cè)電勢低C.污水中離子濃度越高，流量顯示儀器的示數(shù)越大D.只需要再測出a、b兩點電壓就能夠推算污水的流量值Q√12345678910√由左手定則可知，污水中正離子受到洛倫茲力作用偏向a側(cè)，負(fù)離子受到洛倫茲力作用偏向b側(cè)，所以a側(cè)電勢比b側(cè)電勢高，與污水中正負(fù)離子的數(shù)量無關(guān)，選項A正確，B錯誤；123456789104.(2023·河北滄州市期末)自行車速度計可以利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車車輪的運動速率。如圖甲所示，一塊磁體安裝在前輪上，輪子每轉(zhuǎn)一圈，磁體就靠近傳感器一次，傳感器就會輸出一個脈沖電壓。如圖乙所示，電源輸出電壓為U1，當(dāng)磁場靠近霍爾元件時，在導(dǎo)體前后表面間出現(xiàn)電勢差U2(前表面的電勢低于后表面的電勢)。下列說法中錯誤的是A.圖乙中霍爾元件的載流子帶負(fù)電B.已知自行車車輪的半徑，再根據(jù)單位時

間內(nèi)的脈沖數(shù)，即獲得車速大小C.若傳感器的電源輸出電壓U1變大，則U2

變大D.若自行車的車速越大，則U2越大√12345678910由題意可知，前表面的電勢低于后表面的電勢，結(jié)合左手定則可知，霍爾元件的電流I是由負(fù)電荷定向移動形成的，故A正確，不符合題意；根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)可求得車輪轉(zhuǎn)動的周期，從而求得車輪運動的角速度，最后由線速度公式v＝rω，結(jié)合車輪半徑，即可求得車速大小，故B正確，不符合題意；1234567891012345678910123456789105.(2023·江蘇常州市模擬)如圖所示，電荷量相等的兩種離子氖20和氖22先后從容器A下方的狹縫S1飄入(初速度為零)電場區(qū)，經(jīng)電場加速后通過狹縫S2、S3垂直于磁場邊界MN射入勻強磁場，磁場方向垂直紙面向里，離子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后軌跡發(fā)生分離，最終到達(dá)照相底片D上。不考慮離子重力及離子間的相互作用，則A.靜電力對每個氖20和氖22做的功不相等B.氖22進(jìn)入磁場時的速度較大C.氖22在磁場中運動的半徑較小D.若加速電壓發(fā)生波動，兩種離子打在照相底片上的位置可能重疊√12345678910根據(jù)靜電力做功公式W＝qU，且氖20和氖22的電荷量相等，加速電場電壓相同，所以做的功相等，故A錯誤；123456789101234567891012345678910位素，加速電壓相同時，質(zhì)量越大做圓周運動的半徑越大；對同種離子，加速電壓越大，其做圓周運動的半徑越大；若加速電壓發(fā)生波動，則氖20和氖22做圓周運動的半徑在一定的范圍內(nèi)變化，所以氖20在電壓較高時的半徑可能和氖22在電壓較低時的半徑相等，兩種離子打在照相底片上的位置就會重疊，故D正確。6.如圖為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場電場強度大小恒定，且被限制在AC板間，虛線中間不需加電場，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中做勻速圓周運動，對這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說法正確的是A.加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸無關(guān)B.帶電粒子每運動一周被加速一次C.帶電粒子每運動一周P1P2等于P2P3D.加速電場方向需要做周期性的變化√12345678910帶電粒子只有經(jīng)過AC板間時被加速，即帶電粒子每運動一周被加速一次，電場的方向沒有改變，則在AC間加速，電場方向不需要做周期性的變化，故B正確，D錯誤；12345678910123456789107.(多選)(2023·廣東梅州市一模)如圖所示為一種質(zhì)譜儀示意圖，由加速電場、靜電分析器和磁分析器組成。若靜電分析器通道中心線的半徑為R，通道內(nèi)均勻輻射電場在中心線處的電場強度大小為E，磁分析器有范圍足夠大的有界勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B、方向垂直紙面向外。一質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子從靜止開始經(jīng)加速電場加速后沿中心線通過靜電分析器，由P點垂直邊界進(jìn)入磁分析器，最終打到膠片上的Q點，12345678910不計粒子重力，下列說法正確的是12345678910√√在靜電分析器中粒子所受靜電力方向與電場方向相同，故粒子帶正電，粒子在加速電場中加速，加速電場方向水平向右，故極板M比極板N電勢高，故B正確；12345678910若一群離子從靜止開始經(jīng)過上述過程都落在膠片上同一點，則該群粒子有相同的比荷，故D錯誤。123456789108.(2021·河北卷·5)如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B1，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間，相距為L的兩光滑平行金屬導(dǎo)軌固定在與導(dǎo)軌平面垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為B2，導(dǎo)軌平面與水平面夾角為θ，兩導(dǎo)軌分別與P、Q相連，質(zhì)量為m、接入電路的電阻為R的金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置，恰好靜止，重力加速度為g，不計導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，下列說法正確的是1234567891012345678910√123456789109.(2023·福建南平市模擬)回旋加速器工作原理如圖所示，置于真空中的兩個半圓