物理課件（新教材粵教版）第十一章專題強(qiáng)化十九洛倫茲力與現(xiàn)代科技

專題強(qiáng)化十九目標(biāo)要求1.理解質(zhì)譜儀和回旋加速器的原理，并能解決相關(guān)問題.2.會(huì)分析電場(chǎng)和磁場(chǎng)疊加的幾種實(shí)例.洛倫茲力與現(xiàn)代科技題型一質(zhì)譜儀題型二回旋加速器題型三疊加場(chǎng)在科技中的四種應(yīng)用課時(shí)精練

內(nèi)容索引題型一質(zhì)譜儀1.作用測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素.2.原理(如圖所示)(3)粒子進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，√√題型二回旋加速器1.構(gòu)造如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)能4.總時(shí)間√例3

回旋加速器被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)設(shè)備中.如圖甲所示為回旋加速器的工作原理示意圖，D1盒中心A處有離子源，它不斷發(fā)出質(zhì)子.加在狹縫間的交變電壓如圖乙所示，電壓值的大小為U0、周期為T.已知質(zhì)子電荷量為q，質(zhì)量為m，D形盒的半徑為R.設(shè)狹縫很窄，粒子通過狹縫的時(shí)間可以忽略不計(jì).設(shè)質(zhì)子從離子源發(fā)出時(shí)的初速度為零，不計(jì)質(zhì)子重力.求：(1)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；質(zhì)子在D形盒內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑達(dá)到D形盒半徑R時(shí)被導(dǎo)出，此時(shí)具有最大動(dòng)能.(2)質(zhì)子在回旋加速器中獲得的最大動(dòng)能及加速次數(shù)；質(zhì)子每加速一次獲得的能量為E0＝qU0(3)質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(假設(shè)質(zhì)子經(jīng)加速后在磁場(chǎng)中又轉(zhuǎn)過半周后射出).題型三疊加場(chǎng)在科技中的四種應(yīng)用考向1速度選擇器(1)平行板間電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)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洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡(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.例4

(2023·廣東省模擬)如圖所示，M、N為速度選擇器的上、下兩個(gè)帶電極板，兩極板間有勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng).勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E、方向由M板指向N板，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直紙面向里.速度選擇器左右兩側(cè)各有一個(gè)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(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)√若帶電微粒帶正電，則受到的洛倫茲力向上，電場(chǎng)力向下，若帶電微粒帶負(fù)電，則受到的洛倫茲力向下，電場(chǎng)力向上，微粒沿PQ運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力等于電場(chǎng)力，因此微粒可以帶正電也可以帶負(fù)電，故A錯(cuò)誤；若帶電微粒帶負(fù)電，從Q孔沿QP連線射入，受到的洛倫茲力和電場(chǎng)力均向上，若帶電微粒帶正電，從Q孔沿QP連線射入，受到的洛倫茲力和電場(chǎng)力均向下，不可能做直線運(yùn)動(dòng)，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，洛倫茲力大于電場(chǎng)力，微粒做曲線運(yùn)動(dòng)，由于洛倫茲力是變力，不可能做類平拋運(yùn)動(dòng)，故D錯(cuò)誤.(1)原理：如圖所示，等離子體噴入磁場(chǎng)，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(shì)差，它可以把離子的動(dòng)能通過磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電能.考向2磁流體發(fā)電機(jī)(2)電源正、負(fù)極判斷：根據(jù)左手定則可判斷出正離子偏向B板，圖中的B板是發(fā)電機(jī)的正極.(3)發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)：當(dāng)發(fā)電機(jī)外電路斷路時(shí)，正、負(fù)離子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，兩極板間達(dá)到的最大電勢(shì)差為U，則

＝qvB，得U＝Bdv，則E＝U＝Bdv.當(dāng)發(fā)電機(jī)接入電路時(shí)，遵從閉合電路歐姆定律.√√根據(jù)左手定則可知，正電荷向上偏轉(zhuǎn)，P板的電勢(shì)高于Q板的電勢(shì)，流過R的電流由a到b方向，A錯(cuò)誤，B正確；考向3電磁流量計(jì)(1)流量(Q)：?jiǎn)挝粫r(shí)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(jì)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(dòng).導(dǎo)電液體中的正、負(fù)離子在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，a處積累正電荷，b處積累負(fù)電荷，使a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差，φa>φb.當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電例6

某化工廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計(jì)，測(cè)量管由絕緣材料制成，其長(zhǎng)為L(zhǎng)、直徑為D，左右兩端開口，在前后兩個(gè)內(nèi)側(cè)面a、c固定有金屬板作為電極，勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向豎直向下.污水(含有大量的正、負(fù)離子)充滿管口從左向右流經(jīng)該測(cè)量管時(shí)，a、c兩端的電壓為U，顯示儀器顯示污水流量Q(單位時(shí)間內(nèi)排出的污水體積).則A.a側(cè)電勢(shì)比c側(cè)電勢(shì)低B.污水中離子濃度越高，顯示儀器的示數(shù)越大C.污水流量Q與U成正比，與L、D無(wú)關(guān)D.勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝√污水中正、負(fù)離子從左向右移動(dòng)，受到洛倫茲力，根據(jù)左手定則，正離子向后表面偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子向前表面偏轉(zhuǎn)，所以a側(cè)電勢(shì)比c側(cè)電勢(shì)高，故A錯(cuò)誤；考向4霍爾效應(yīng)的原理和分析(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(qiáng)磁場(chǎng)B中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的上表面A和下表面A′之間產(chǎn)生電勢(shì)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(shì)高低的判斷：如圖，導(dǎo)體中的電流I向右時(shí)，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(shì)高.若自由電荷是正電荷，則下表面A′的電勢(shì)低.例7

生活中可以通過霍爾元件來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速.如圖甲，在一個(gè)圓盤邊緣處沿半徑方向等間隔地放置四個(gè)小磁體，其中兩個(gè)N極向外，兩個(gè)S極向外.在圓盤邊緣附近放置一個(gè)霍爾元件，其尺寸如圖乙所示.當(dāng)電路接通后，會(huì)在a、b兩端產(chǎn)生電勢(shì)差(霍爾電壓)，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電壓經(jīng)電路放大后得到脈沖信號(hào).已知脈沖信號(hào)的周期為T，若忽略感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，則A.圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為n＝B.改變乙圖中的電源正負(fù)極，不影響ab間電勢(shì)

差的正負(fù)號(hào)C.脈沖信號(hào)的最大值與霍爾元件的左右寬度L無(wú)關(guān)D.圓盤轉(zhuǎn)到圖示位置時(shí)，如果a點(diǎn)電勢(shì)高，說明霍

爾元件中定向移動(dòng)的電荷帶負(fù)電√改變題圖乙中的電源正負(fù)極，ab間電勢(shì)差的正負(fù)號(hào)相反，故B錯(cuò)誤；圓盤轉(zhuǎn)到題圖所示位置時(shí)，由左手定則可知，定向移動(dòng)的電荷向下偏轉(zhuǎn)，若a點(diǎn)電勢(shì)高，則定向移動(dòng)的電荷為負(fù)電荷，故D正確.四課時(shí)精練1.關(guān)于洛倫茲力的應(yīng)用，下列說法正確的是基礎(chǔ)落實(shí)練1234567891011A.圖a速度選擇器中篩選出的粒子沿著PQ做勻加速直線運(yùn)動(dòng)B.圖b回旋加速器接入的工作電源是直流電C.圖c是質(zhì)譜儀的主要原理圖，其中

在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑最大

的是D.圖d是磁流體發(fā)電機(jī)，將一束等離子體噴入磁場(chǎng)，A、B兩板間會(huì)產(chǎn)生

電壓，且A板電勢(shì)高1234567891011√1234567891011題圖a速度選擇器中篩選出的粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力，二力平衡，粒子沿著PQ做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故A錯(cuò)誤；回旋加速器接入的工作電源是交流電，故B錯(cuò)誤；1234567891011將一束等離子體噴入磁場(chǎng)，根據(jù)左手定則可知，正離子向下偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子向上偏轉(zhuǎn)，所以B板電勢(shì)高，故D錯(cuò)誤.1234567891011√12345678910113.(多選)(2023·廣東廣州市模擬)如圖甲是霍爾效應(yīng)的模型圖，導(dǎo)體的寬度、長(zhǎng)度、厚度分別為a、b、c，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直導(dǎo)體的前、后表面向里，與磁場(chǎng)垂直向右的電流I是正電荷的運(yùn)動(dòng)形成的，已知霍爾電壓為UH＝

，UH與通過導(dǎo)體的電流I成正比，與沿著磁場(chǎng)方向?qū)w的厚度H成反比，K是常數(shù)；如圖乙是電磁流量計(jì)的模型圖，長(zhǎng)方形管道的寬度、長(zhǎng)度、厚度分別為a、b、c，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直管道的上表面向下，帶負(fù)離子的液體向右運(yùn)動(dòng)的速度v與磁場(chǎng)垂直.液體的流量指單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積，則下列說法正確的是1234567891011A.對(duì)甲圖，導(dǎo)體下端面的電勢(shì)低于上端面的電勢(shì)B.對(duì)甲圖，霍爾電壓與c成正比C.對(duì)乙圖，管道后端面與前端面的電勢(shì)差為BavD.對(duì)乙圖，液體的流量為abv√1234567891011√由左手定則可知，正電荷向右運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的洛倫茲力方向向上，所以導(dǎo)體下端面的電勢(shì)低于上端面的電勢(shì)，故A正確；1234567891011由題意可得，液體的流量為Q＝Sv＝acv，故D錯(cuò)誤.4.勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器(如圖甲所示)，其原理如圖乙所示，加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，現(xiàn)對(duì)氚核()加速，所需的高頻電源的頻率為f，已知元電荷為e，下列說法正確的是A.被加速的帶電粒子在回旋加速器中做圓周

運(yùn)動(dòng)的周期隨半徑的增大而增大B.高頻電源的電壓越大，氚核最終射出回旋

加速器的速度越大1234567891011√12345678910111234567891011√1234567891011離子進(jìn)入磁場(chǎng)后受到洛倫茲力作用，根據(jù)左手定則可知，正離子受到的洛倫茲力向下，負(fù)離子受到洛倫茲力向上，故A錯(cuò)誤；不帶電的液體在磁場(chǎng)中不受力的作用，M、N兩點(diǎn)沒有電勢(shì)差，無(wú)法計(jì)算流速，故C錯(cuò)誤；12345678910116.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(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小恒定，且被限制在AC板間，虛線中間不需加電場(chǎng)，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場(chǎng)線方向射入加速電場(chǎng)，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(wú)關(guān)B.帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速一次C.帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周P1P2等于P2P3D.加速電場(chǎng)方向需要做周期性的變化能力綜合練√1234567891011帶電粒子只有經(jīng)過AC板間時(shí)被加速，即帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速一次，電場(chǎng)的方向沒有改變，則在AC間加速，電場(chǎng)方向不需要做周期性的變化，故B正確，D錯(cuò)誤；123456789101112345678910117.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定.質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場(chǎng).若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來的12倍.此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為A.11 B.12 √12345678910118.磁流體發(fā)電機(jī)的原理如圖所示.將一束等離子體連續(xù)以速度v垂直于磁場(chǎng)方向噴入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，可在相距為d、正對(duì)面積為S的兩平行金屬板間產(chǎn)生電壓.現(xiàn)把上、下板和電阻R連接，上、下板等效為直流電源的兩極.等離子體穩(wěn)定時(shí)在兩金屬板間均勻分布，電阻率為ρ.忽略邊緣效應(yīng)，不計(jì)離子的重力及離子間相互作用，下列說法正確的是A.上板為正極，a、b兩端電壓U＝Bdv1234567891011√1234567891011根據(jù)左手定則可知，等離子體射入兩金屬板之間時(shí)，正離子偏向a板，負(fù)離子偏向b板，即上板為正極；12345678910119.(多選)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入火星俘獲階段后，環(huán)繞火星飛行三個(gè)月，反復(fù)對(duì)首選著陸區(qū)進(jìn)行預(yù)先探測(cè).“天問一號(hào)”環(huán)繞器攜帶磁強(qiáng)計(jì)等探測(cè)儀器.目前有一種磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)定磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，原理如圖所示.電路有一段金屬導(dǎo)體，它的橫截面是寬為a、高為b的長(zhǎng)方形，放在沿y軸正方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)體中通有沿x軸正方向、大小為I的電流.已知金屬導(dǎo)體單位長(zhǎng)度中的自由電子數(shù)為n，電子電荷量為e，金屬導(dǎo)電過程中，自由電子的定向移動(dòng)可視為勻速運(yùn)動(dòng).兩電極M、N分別與金屬導(dǎo)體的前后兩側(cè)接1234567891011觸，用電壓表測(cè)出金屬導(dǎo)體前后兩個(gè)側(cè)面間的電勢(shì)差為U.則關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和電極M、N的正負(fù)說法正確的是A.M為正、N為負(fù)B.M為負(fù)、N為正√√由左手定則可知，金屬中的自由電子所受洛倫茲力方向指向M，則電子偏向M，即M為負(fù)、N為正，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；1234567891011123456789101110.(2023·廣東潮州市模擬)在芯片制造過程中，離子注入是芯片制造的重要工序.甲圖是我國(guó)自主研發(fā)的離子注入機(jī)，乙圖是離子注入機(jī)的部分工作原理示意圖.從離子源發(fā)出的離子經(jīng)電場(chǎng)加速后沿水平方向先通過速度選擇器，再進(jìn)入磁分析器，磁分析器是中心線半徑為R的四分之一圓環(huán)，其兩端中心位置M和N處各有一個(gè)小孔，利用磁分析器選擇出特定比荷的離子后經(jīng)N點(diǎn)打在硅片(未畫出)上，完成離子注入.已知速度選擇器和磁分析器中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向均垂直紙面向外；速度選擇器中勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E.整個(gè)系統(tǒng)置于真空中，不計(jì)離子重力.求：1234567891011(1)能從速度選擇器中心線通