物理课件（新教材粤教版）第十一章专题强化十九洛伦兹力与现代科技

专题强化十九目标要求1.理解质谱仪和回旋加速器的原理，并能解决相关问题.2.会分析电场和磁场叠加的几种实例.洛伦兹力与现代科技题型一质谱仪题型二回旋加速器题型三叠加场在科技中的四种应用课时精练

内容索引题型一质谱仪1.作用测量带电粒子的质量和分析同位素.2.原理(如图所示)(3)粒子进入磁感应强度为B2的匀强磁场区域做匀速圆周运动，√√题型二回旋加速器1.构造如图所示，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源.2.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形盒缝隙就被加速一次.3.最大动能4.总时间√例3

回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中.如图甲所示为回旋加速器的工作原理示意图，D1盒中心A处有离子源，它不断发出质子.加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U0、周期为T.已知质子电荷量为q，质量为m，D形盒的半径为R.设狭缝很窄，粒子通过狭缝的时间可以忽略不计.设质子从离子源发出时的初速度为零，不计质子重力.求：(1)匀强磁场的磁感应强度B；质子在D形盒内做圆周运动，轨道半径达到D形盒半径R时被导出，此时具有最大动能.(2)质子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数；质子每加速一次获得的能量为E0＝qU0(3)质子在回旋加速器中运动的时间(假设质子经加速后在磁场中又转过半周后射出).题型三叠加场在科技中的四种应用考向1速度选择器(1)平行板间电场强度E和磁感应强度B互相垂直.(如图)(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是洛伦兹力与电场力平衡(3)速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量.(4)速度选择器具有单向性.例4

(2023·广东省模拟)如图所示，M、N为速度选择器的上、下两个带电极板，两极板间有匀强电场和匀强磁场.匀强电场的电场强度大小为E、方向由M板指向N板，匀强磁场的方向垂直纸面向里.速度选择器左右两侧各有一个小孔P、Q，连线PQ与两极板平行.某种带电微粒以速度v从P孔沿PQ连线射入速度选择器，从Q孔射出.不计微粒重力，下列判断正确的是A.带电微粒一定带正电B.匀强磁场的磁感应强度大小为C.若将该种带电微粒以速率v从Q孔沿QP连线射入，不能从P孔射出D.若将该带电微粒以2v的速度从P孔沿PQ连线射入后将做类平抛运动√若带电微粒带正电，则受到的洛伦兹力向上，电场力向下，若带电微粒带负电，则受到的洛伦兹力向下，电场力向上，微粒沿PQ运动，洛伦兹力等于电场力，因此微粒可以带正电也可以带负电，故A错误；若带电微粒带负电，从Q孔沿QP连线射入，受到的洛伦兹力和电场力均向上，若带电微粒带正电，从Q孔沿QP连线射入，受到的洛伦兹力和电场力均向下，不可能做直线运动，故不能从P孔射出，故C正确；若将该带电微粒以2v的速度从P孔沿PQ连线射入后，洛伦兹力大于电场力，微粒做曲线运动，由于洛伦兹力是变力，不可能做类平抛运动，故D错误.(1)原理：如图所示，等离子体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在B、A板上，产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能.考向2磁流体发电机(2)电源正、负极判断：根据左手定则可判断出正离子偏向B板，图中的B板是发电机的正极.(3)发电机的电动势：当发电机外电路断路时，正、负离子所受电场力和洛伦兹力平衡时，两极板间达到的最大电势差为U，则

＝qvB，得U＝Bdv，则E＝U＝Bdv.当发电机接入电路时，遵从闭合电路欧姆定律.√√根据左手定则可知，正电荷向上偏转，P板的电势高于Q板的电势，流过R的电流由a到b方向，A错误，B正确；考向3电磁流量计(1)流量(Q)：单位时间流过导管某一截面的导电液体的体积.(2)导电液体的流速(v)的计算：如图所示，一圆柱形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向右流动.导电液体中的正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转，a处积累正电荷，b处积累负电荷，使a、b间出现电势差，φa>φb.当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电例6

某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极，匀强磁场方向竖直向下.污水(含有大量的正、负离子)充满管口从左向右流经该测量管时，a、c两端的电压为U，显示仪器显示污水流量Q(单位时间内排出的污水体积).则A.a侧电势比c侧电势低B.污水中离子浓度越高，显示仪器的示数越大C.污水流量Q与U成正比，与L、D无关D.匀强磁场的磁感应强度B＝√污水中正、负离子从左向右移动，受到洛伦兹力，根据左手定则，正离子向后表面偏转，负离子向前表面偏转，所以a侧电势比c侧电势高，故A错误；考向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，此电压称为霍尔电压.(2)电势高低的判断：如图，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.例7

生活中可以通过霍尔元件来测量转动物体的转速.如图甲，在一个圆盘边缘处沿半径方向等间隔地放置四个小磁体，其中两个N极向外，两个S极向外.在圆盘边缘附近放置一个霍尔元件，其尺寸如图乙所示.当电路接通后，会在a、b两端产生电势差(霍尔电压)，当圆盘转动时，电压经电路放大后得到脉冲信号.已知脉冲信号的周期为T，若忽略感应电动势的影响，则A.圆盘转动的转速为n＝B.改变乙图中的电源正负极，不影响ab间电势

差的正负号C.脉冲信号的最大值与霍尔元件的左右宽度L无关D.圆盘转到图示位置时，如果a点电势高，说明霍

尔元件中定向移动的电荷带负电√改变题图乙中的电源正负极，ab间电势差的正负号相反，故B错误；圆盘转到题图所示位置时，由左手定则可知，定向移动的电荷向下偏转，若a点电势高，则定向移动的电荷为负电荷，故D正确.四课时精练1.关于洛伦兹力的应用，下列说法正确的是基础落实练1234567891011A.图a速度选择器中筛选出的粒子沿着PQ做匀加速直线运动B.图b回旋加速器接入的工作电源是直流电C.图c是质谱仪的主要原理图，其中

在磁场中偏转半径最大

的是D.图d是磁流体发电机，将一束等离子体喷入磁场，A、B两板间会产生

电压，且A板电势高1234567891011√1234567891011题图a速度选择器中筛选出的粒子运动时受到电场力和洛伦兹力，二力平衡，粒子沿着PQ做匀速直线运动，故A错误；回旋加速器接入的工作电源是交流电，故B错误；1234567891011将一束等离子体喷入磁场，根据左手定则可知，正离子向下偏转，负离子向上偏转，所以B板电势高，故D错误.1234567891011√12345678910113.(多选)(2023·广东广州市模拟)如图甲是霍尔效应的模型图，导体的宽度、长度、厚度分别为a、b、c，磁感应强度为B的匀强磁场垂直导体的前、后表面向里，与磁场垂直向右的电流I是正电荷的运动形成的，已知霍尔电压为UH＝

，UH与通过导体的电流I成正比，与沿着磁场方向导体的厚度H成反比，K是常数；如图乙是电磁流量计的模型图，长方形管道的宽度、长度、厚度分别为a、b、c，磁感应强度为B的匀强磁场垂直管道的上表面向下，带负离子的液体向右运动的速度v与磁场垂直.液体的流量指单位时间内流过管道横截面的液体体积，则下列说法正确的是1234567891011A.对甲图，导体下端面的电势低于上端面的电势B.对甲图，霍尔电压与c成正比C.对乙图，管道后端面与前端面的电势差为BavD.对乙图，液体的流量为abv√1234567891011√由左手定则可知，正电荷向右运动时受到的洛伦兹力方向向上，所以导体下端面的电势低于上端面的电势，故A正确；1234567891011由题意可得，液体的流量为Q＝Sv＝acv，故D错误.4.劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器(如图甲所示)，其原理如图乙所示，加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氚核()加速，所需的高频电源的频率为f，已知元电荷为e，下列说法正确的是A.被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周

运动的周期随半径的增大而增大B.高频电源的电压越大，氚核最终射出回旋

加速器的速度越大1234567891011√12345678910111234567891011√1234567891011离子进入磁场后受到洛伦兹力作用，根据左手定则可知，正离子受到的洛伦兹力向下，负离子受到洛伦兹力向上，故A错误；不带电的液体在磁场中不受力的作用，M、N两点没有电势差，无法计算流速，故C错误；12345678910116.如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在AC板间，虚线中间不需加电场，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是A.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关B.带电粒子每运动一周被加速一次C.带电粒子每运动一周P1P2等于P2P3D.加速电场方向需要做周期性的变化能力综合练√1234567891011带电粒子只有经过AC板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，电场的方向没有改变，则在AC间加速，电场方向不需要做周期性的变化，故B正确，D错误；123456789101112345678910117.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A.11 B.12 √12345678910118.磁流体发电机的原理如图所示.将一束等离子体连续以速度v垂直于磁场方向喷入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，可在相距为d、正对面积为S的两平行金属板间产生电压.现把上、下板和电阻R连接，上、下板等效为直流电源的两极.等离子体稳定时在两金属板间均匀分布，电阻率为ρ.忽略边缘效应，不计离子的重力及离子间相互作用，下列说法正确的是A.上板为正极，a、b两端电压U＝Bdv1234567891011√1234567891011根据左手定则可知，等离子体射入两金属板之间时，正离子偏向a板，负离子偏向b板，即上板为正极；12345678910119.(多选)“天问一号”火星探测器由地火转移阶段进入火星俘获阶段后，环绕火星飞行三个月，反复对首选着陆区进行预先探测.“天问一号”环绕器携带磁强计等探测仪器.目前有一种磁强计，用于测定磁场的磁感应强度，原理如图所示.电路有一段金属导体，它的横截面是宽为a、高为b的长方形，放在沿y轴正方向的匀强磁场中，导体中通有沿x轴正方向、大小为I的电流.已知金属导体单位长度中的自由电子数为n，电子电荷量为e，金属导电过程中，自由电子的定向移动可视为匀速运动.两电极M、N分别与金属导体的前后两侧接1234567891011触，用电压表测出金属导体前后两个侧面间的电势差为U.则关于磁感应强度的大小和电极M、N的正负说法正确的是A.M为正、N为负B.M为负、N为正√√由左手定则可知，金属中的自由电子所受洛伦兹力方向指向M，则电子偏向M，即M为负、N为正，选项A错误，B正确；1234567891011123456789101110.(2023·广东潮州市模拟)在芯片制造过程中，离子注入是芯片制造的重要工序.甲图是我国自主研发的离子注入机，乙图是离子注入机的部分工作原理示意图.从离子源发出的离子经电场加速后沿水平方向先通过速度选择器，再进入磁分析器，磁分析器是中心线半径为R的四分之一圆环，其两端中心位置M和N处各有一个小孔，利用磁分析器选择出特定比荷的离子后经N点打在硅片(未画出)上，完成离子注入.已知速度选择器和磁分析器中的匀强磁场的磁感应强度大小均为B、方向均垂直纸面向外；速度选择器中匀强电场的电场强度大小为E.整个系统置于真空中，不计离子重力.求：1234567891011(1)能从速度选择器中心线通