第52講洛倫茲力與現(xiàn)代科技（講義）（原卷版）

第52講洛倫茲力與現(xiàn)代科技目錄復習目標網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建考點一電磁組合場中的各類儀器【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點1質(zhì)譜儀知識點2回旋加速器【提升·必考題型歸納】考向1質(zhì)譜儀考向2回旋加速器考點二電磁疊加場中的各類儀器【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點電磁疊加場中的各類儀器、規(guī)律和共性【提升·必考題型歸納】考向1速度選擇器考向2磁流體發(fā)電機考向3電磁流量計考向4霍爾元件真題感悟理解和掌握電磁場中各類儀器的原理。能夠利用電磁場中各類儀器的工作原理處理有關(guān)問題。考點要求考題統(tǒng)計考情分析質(zhì)譜儀、回旋加速器、速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計、霍爾元件2023年廣東卷第5題2023年1月浙江卷第8題2021年河北卷第5題高考對洛倫茲力與現(xiàn)代科技的考查除了幾個省份有考查以外，其他省份考查頻度不是太高，題目多以選擇題或計算題的形式出現(xiàn)，選擇題大多較為簡單，計算題難度較大?？键c一電磁組合場中的各類儀器知識點1質(zhì)譜儀（1）作用測量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。（2）原理(如圖所示)①加速電場：qU＝eq\f(1,2)mv2。②偏轉(zhuǎn)磁場：qvB＝eq\f(mv2,r)，l＝2r，由以上兩式可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，m＝eq\f(qr2B2,2U)，eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2r2)。知識點2回旋加速器（1）構(gòu)造如圖所示，D1、D2是半圓形金屬盒，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，粒子被加速一次。（3）最大動能由qvmB＝eq\f(mvm2,R)、Ekm＝eq\f(1,2)mvm2得Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度B和盒半徑R決定，與加速電壓無關(guān)。（4）總時間粒子在磁場中運動一個周期，被電場加速兩次，每次增加動能qU，加速次數(shù)n＝eq\f(Ekm,qU)，粒子在磁場中運動的總時間t＝eq\f(n,2)T＝eq\f(Ekm,2qU)·eq\f(2πm,qB)＝eq\f(πBR2,2U)?？枷?質(zhì)譜儀1．質(zhì)譜儀是測帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的一種儀器，如圖所示，原子核（不計重力）經(jīng)電場加速后，垂直進入勻強磁場做圓周運動，最終打到D點。虛線為該粒子運動軌跡，由圖可知（）

A．下極板S2比上極板S1電勢高B．若改為原子核，則最終打在D點左側(cè)C．若只增大加速電場電壓，則該粒子最終打在D點右側(cè)D．若只增大磁感應(yīng)強度B，則該粒子最終打在D點左側(cè)2．質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用質(zhì)譜儀對氫元素進行測量。讓氫的三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無初速度飄入電勢差為U的加速電場，加速后垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中、氫的三種同位素分別為氕（即為質(zhì)子）、氘（質(zhì)量約為質(zhì)子的2倍，電荷量與質(zhì)子相同）、氚（質(zhì)量約為質(zhì)子的3倍，電荷量與質(zhì)子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。則下列判斷正確的是（）A．進入磁場時動量從大到小排列的順序是氕、氘、氚B．進入磁場時動能從大到小排列的順序是氕、氘、氚C．在磁場中運動時間由大到小排列的順序是氕、氘、氚D．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氚、氘、氕考向2回旋加速器3．如圖甲所示回旋加速器的兩個“D”型盒的半徑為R，勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，現(xiàn)在兩“D”型盒間接入峰值為U0的交變電壓，電壓隨時間的變化規(guī)律如圖乙所示，將粒子源置于盒的圓心處，粒子源產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為q的氘核（），在t=0時刻進入“D”型盒的間隙，已知粒子的初速度不計，穿過電場的時間忽略不計，不考慮相對論效應(yīng)和重力作用，下列說法正確的是（）A．若交變電壓U0變?yōu)樵瓉淼?倍，則氘核出D型盒的速度也變成2倍B．若交變電壓的周期取，加速器也能正常工作C．氘核離開回旋加速器的最大動能為D．不需要改變?nèi)魏螚l件，該裝置也可以加速α粒子（）4．回旋加速器在科學研究中得到了廣泛應(yīng)用，其原理如圖所示。和是兩個中空的半圓形金屬盒，置于與盒面垂直的勻強磁場中，他們接在電壓為U、頻率為f的高頻交流電源上。已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒的半徑為r。若位于圓心處的粒子源A處能不斷產(chǎn)生帶電量為q、速率為零的粒子經(jīng)過電場加速后進入磁場，當粒子被加速到最大動能后，再將他們引出。忽略粒子在電場中運動的時間，忽略相對論效應(yīng)，下列說法正確的是（）

A．粒子第n次被加速前后的軌道半徑之比為B．從D形盒出口引出時的速度為C．粒子在D形盒中加速的次數(shù)為D．當磁感應(yīng)強度變?yōu)樵瓉淼?倍，同時改變交流電頻率，該粒子從D形盒出口引出時的動能為考點二電磁疊加場中的各類儀器知識點電磁疊加場中的各類儀器、規(guī)律和共性裝置原理圖規(guī)律共性規(guī)律速度選擇器若qv0B＝Eq，即v0＝eq\f(E,B)，粒子做勻速直線運動穩(wěn)定平衡時電荷所受電場力和洛倫茲力平衡，即qeq\f(U,d)＝qvB磁流體發(fā)電機等離子體射入，受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，使兩極板帶正、負電荷，兩極板間電壓為U時穩(wěn)定，qeq\f(U,d)＝qv0B，U＝v0Bd電磁流量計當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差(U)達到最大，由qeq\f(U,d)＝qvB，可得v＝eq\f(U,Bd)霍爾元件當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，b、a間的電勢差(U)就保持穩(wěn)定，由qvB＝qeq\f(U,d)，可得U＝vBd考向1速度選擇器1．如圖所示，一束帶電粒子（不計重力）從左端水平射入后，部分粒子沿直線從右端水平射出，則下列說法中正確的是（）A．射出的帶電粒子一定帶負電B．速度選擇器的上極板帶負電C．沿虛線水平射出的帶電粒子的速率一定等于D．若帶電粒子的入射速度，則粒子可能向上偏轉(zhuǎn)2．如圖，速度選擇器兩極板間有互相垂直的勻強電場和勻強磁場，一電荷量為的粒子以水平速度從左側(cè)射入，恰能沿直線飛出速度選擇器，不計粒子重力和空氣阻力。下列說法正確的是（）

A．若僅將粒子改為從右側(cè)射入，粒子仍將沿直線飛出B．若僅將粒子改為從右側(cè)射入，粒子不能沿直線飛出C．若僅將電荷量改為，粒子也能沿直線飛出D．若僅將電荷量改為，粒子不能沿直線飛出考向2磁流體發(fā)電機3．磁流體發(fā)電的原理如圖所示。將一束速度為的等離子體垂直于磁場方向噴入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，在相距為d、寬為a、長為b的兩平行金屬板間便產(chǎn)生電壓。如果把上、下板和電阻連接，上、下板相當于是一個直流電源的兩極。若穩(wěn)定時等離子體在兩板間均勻分布，電阻率為。忽略邊緣效應(yīng)，下列判斷正確的是（）

A．上板為正極 B．上下兩板電壓C．電流 D．電流4．磁流體發(fā)電機可簡化為如下模型：兩塊長、寬分別為a、b的平行板，彼此相距L，板間通入已電離的速度為v的氣流，兩板間存在一磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場，磁場方向與兩板平行，并與氣流速度方向垂直，如圖所示，把兩板與外電阻R連接起來，在洛倫茲力作用下，氣流中的正、負離子分別向兩板移動形成電流，該氣流的電阻率為ρ，則（）

A．該磁流體發(fā)電機模型產(chǎn)生的電動勢為E=BavB．流過外電阻R的電流為C．該磁流體發(fā)電機模型的路端電壓為D．該磁流體發(fā)電機模型的輸出功率為考向3電磁流量計5．當前新冠疫情尚未結(jié)束，同學們在家也要做好防疫，要努力做到：勤洗手、多通風、戴口罩、少出門、不聚集、不串門?？茖W家在實驗室對新冠病毒開展著大量研究。在實驗室中有一種污水流量計，如圖甲所示，其原理可以簡化為如圖乙所示模型。廢液內(nèi)含有大量正、負離子，從圓柱形容器右側(cè)流入，左側(cè)流出，流速為，流量等于單位時間通過橫截面的液體的體積?？臻g有垂直紙面向里的磁感應(yīng)強度為的勻強磁場，下列說法正確的是（）

A．圖乙中點的電勢低于點電勢B．當污水中離子濃度降低，、兩點電壓將減小C．若測定直徑兩端點M、N兩點電壓U、磁感應(yīng)強度B、直徑d則污水的流速D．若測定量直徑兩端點M、N兩點電壓U、磁感應(yīng)強度B、直徑d，則污水的流量6．安裝在排污管道上的流量計可以測量排污流量Q，流量為單位時間內(nèi)流過管道橫截面的流體的體積，如圖所示為流量計的示意圖。左右兩端開口的長方體絕緣管道長、寬、高，所在空間有垂直于前后表面、磁感應(yīng)強度大小的勻強磁場，在上、下兩個面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板M、N，污水充滿管道從左向右勻速流動，測得M、N間電勢差V，污水流過管道時受到的阻力大小，其中比例系數(shù)N·s/m2，L為管道長度，v為污水的流速。則（）A．污水的流量m3/sB．電勢差U與污水中離子濃度有關(guān)C．金屬板M的電勢低于金屬板N的電勢D．左、右兩側(cè)管口的壓強差Pa考向4霍爾元件7．筆記本電腦趨于普及，電腦機身和顯示屏對應(yīng)部位分別有磁體和霍爾元件。當顯示屏開啟時磁體遠離霍爾元件，電腦正常工作；當顯示屏閉合時磁體靠近霍爾元件，屏幕熄滅，電腦進入休眠狀態(tài)。如圖，一塊寬為a、長為c的矩形半導體霍爾元件，元件內(nèi)的導電粒子是電荷量為e的自由電子，通入方向向右的電流時，電子的定向移動速度為v。當顯示屏閉合時元件處于垂直于上表面、方向向上的勻強磁場中，于是元件的前、后表面間出現(xiàn)電壓U，以此控制屏幕的熄滅。則關(guān)于元件的說法正確的是（）A．前表面的電勢比后表面的低B．前、后表面間的電壓U與v無關(guān)C．前、后表面間的電壓U與c成正比D．自由電子受到的洛倫茲力大小為8．霍爾效應(yīng)是美國物理學家霍爾（E．H．Hall）于1879年發(fā)現(xiàn)的。其原理如圖所示，一塊長為a、寬為b、高為c的長方體金屬元件，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n，導體的電阻率為，電子的電量大小為e，在導體的左右兩端加上恒定電壓U和方向垂直于上表面向下的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，在導體前后表面之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差，稱為霍爾電壓。下列說法正確的是（）

A．導體前表面的電勢低于后表面的電勢B．導體中電流的大小為C．導體中自由電荷定向移動平均速率大小為D．霍爾電壓的大小為（2021年河北高考真題）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，一束速度大