14 洛伦兹力与现代科技（课件PPT）-【名师导航】2025年高考物理一轮微考点分层突破（通用版）

洛伦兹力与现代科技 第十章　磁场 PART 10 复习目标 高三物理一轮复习课件 1.理解质谱仪和回旋加速器的原理，并能解决相关问题； 2.理解速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的原理，并能解决相关问题 高三物理一轮复习课件 内容索引 NEIRONGSUOYIN 题型一　质谱仪 题型二　回旋加速器 /////// /////// 题型三　速度选择题 /////// 题型四　磁流体发电机 /////// 题型五　电磁流量计 /////// 题型六　霍尔元件 /////// 3 1.作用 测量带电粒子质量和分离同位素. 2.原理(如图所示) 考点一 质谱仪 √ 例1　如图所示，质谱仪的工作原理如下：一个质量为m、电荷量为q的离子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场(初速度为0)，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，最后打到照相的底片D上.不计离子重力.则 D.若a、b是两种同位素的原子核，从底片上获知a、b在磁场中运动轨迹 　的直径之比是1.08∶1，则a、b的质量之比为1.08∶1 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. 考点二 回旋加速器 3.最大动能 4.总时间 例2　(2024·北京市首都师范大学附属中学模拟)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示.置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间可忽略.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说法正确的是 A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比 C.质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比 　为1∶ D.不改变磁感应强度B和交流电频率f，该回旋加速器也能加速α粒子 √ 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的大小； 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. 设此时的速度大小为vm， (2)质子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数； 1、本质：叠加场中的匀速直线运动模型， 只有当速度为的粒子可以通过小孔 3、只选择速度，不选择电性，电量，质量 4、不可以反向射入 5、注意：电压是提前加上去的，不是带电粒子聚集产生的。 考点三 速度选择器 例4：在如图所示的平行板器件中，电场强度和磁感应强度相互垂直。一带电粒子(重力不计) 从左端以速度沿虚线射入后做直线运动，则该粒子( ) A.一定带正电 B.速度 C.若速度 ，粒子一定不能从板间射出 D.若此粒子从右端沿虚线方向进入，仍做直线运动 B 练习1：如图所示为速度选择器装置，场强为的匀强电场与磁感应强度为的匀强磁场互相垂直。一带电量为，质量为的粒子(不计重力)水平向右射入，粒子恰沿直线穿过，则下列说法确的是( ) A.粒子做匀速直线运动，速度 B.若带电粒子速度保持不变，带电量变为，粒子仍沿直线穿过 C.若带电粒子速度增加为原来的倍，且粒子不与极板相碰，那么粒子从右侧射出时电势能一定增大 D.若带电粒子从右侧水平射入，粒子仍能沿直线穿过 BC 1、本来两板间没有电势差（没有电场） 2、充电阶段：洛伦兹力>电场力，电容器充电（刚开始充电快） 3、稳定阶段：洛伦兹力=电场力，电容器充电结束，但是电荷不断通过外部导线中和，E变小，继续充电，边消耗边补充，发电的效果（动态稳定） （第一阶段瞬间完成，考试不考） 注意区分电荷流动方向和电路中电流的方向 考点四 磁流体发电机 4、本质：叠加场中的匀速直线运动模型， 5、电动势：，是极板宽度（电动势是开路电压，不理解没关系不太重要） 6、满足闭合电路欧姆定律：，是电源内阻（因为粒子向极板运动时会生热） 注意区分电荷流动方向和电路中电流的方向 例5：如图，距离为的两平行金属板之间有一匀强磁场，磁感应强度大小为，一束速度大小为的等离子体垂直于磁场喷入板间，相距为的两光滑平行金属导轨固定在与导轨平面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小为，导轨平面与水平面夹角为，两导轨分别与相连，质量为、接入电路的电阻为的金属棒ab垂直导轨放置，恰好静止，重力加速度为，不计导轨电阻、板间电阻和等离子体中的粒子重力，下列说法正确的是（ ） A.导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上， B.导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下， C.导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上， D.导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下， 电源内部，电流流向谁，谁是高电势 B 练习2：如图为磁流体发电原理示意图。等离子体是高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，而整体上呈电中性。将一束等离子体喷射入磁场。在磁场中的两块平行金属板上就会聚集电荷，产生电动势。等离子体射入的速度为，每块金属板的面积为，板间距离为。匀强磁场的磁感应强度为，方向与垂直，外电路电阻为，设电离气体充满两板之间的空间且电阻率为。求：(1)通过电阻的电流大小和方向(2)两板间的电压 电源内部，电流流向谁，谁是高电势 （1） （2） 1、流量：单位时间内流过的体积（有了就可以算流量） 2、两端电压稳定后才能测，（水里必须有自由电荷才能测流量） 3、本质：叠加场中匀速直线运动模型， 4、如何算呢？这里用了电压表测ab之间的电压，近似充当电动势 即 考点五 电磁流量计 例6： 2020年爆发了新冠肺炎，该病毒传播能力非常强，因此研究新冠肺炎病毒株的实验室必须全程都在高度无接触物理防护性条件下操作。武汉病毒研究所是我国防护等级最高的实验室，在该实验室中有一种污水流量计，其原理可以简化为如图所示的模型废液内含有大量正、负离子，从直径为的圆柱形容器右侧流入，左侧流出。流量值等于单位时间通过横截面的液体的体积。空间有垂直纸面向里的磁感应强度为的匀强磁场，下列说法正确的是 ( ) A.带电粒子所受洛伦兹力的方向水平向左 B.正、负粒子所受洛伦兹力的方向是相同的 C.污水流量计也可以用于测量不带电的液体的流速 D.只需要测量两点间的电压就能够推算废液的流量 D 练习4：为了诊断病人的心脏功能和动脉血管中血液粘滞情况，可使用电磁流量计测量血管中血液部的流速和流量，如图所示是电磁流量计测量血管中血液流速的示意图。假定血管中各处液体的流速相同，现使直径为的血管处于磁感应强度为的匀强磁场中，测得血管两侧的电压为，不计重力影响，下列判断正确的是 ( ) A.端的电势比端的高 B.血管中各处液体的流速 C.血液的流量 D.血管中正、负离子数相同，则血管两侧的电压 AC (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. 考点六 霍尔元件 例7　(2024·辽宁大连模拟)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. (1)加速电场：qU＝mv2； (2)偏转磁场：qvB＝，l＝2r； 由以上式子可得r＝，m＝，＝. A.离子进入磁场时的速率为v＝ B.离子在磁场中运动的轨道半径为r＝ C.离子在磁场中运动的轨道半径为r＝ 离子在电场中加速有qU＝mv2，解得v＝；离子在磁场中偏转有qvB＝m，联立解得r＝，变形得m＝，同位素的电荷量一样，其质量之比为＝＝＝1.082，故选项C正确，A、B、D错误. 由qvmB＝、Ekm＝mvm2得Ekm＝，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关. 粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n＝，粒子在磁场中运动的总时间t＝T＝·＝.(忽略粒子在狭缝中运动的时间) 质子出回旋加速器的速度最大，此时的半径为R， 则v＝＝2πRf，所以最大速度不超过2πRf，故 A正确； 根据Bqv＝m，知v＝，则最大动能Ekm＝mv2 ＝，与加速电压无关，故B错误； 质子在加速电场中做匀加速运动，在磁场中做匀速圆周运动，根据v＝知，质子第二次和第一次经过D形盒狭缝的速度之比为∶1，根据r＝，则半径之比为∶1，故C错误； 带电粒子在磁场中运动的周期与加速电场的周期相等，根据T＝知，换用α粒子，粒子的比荷变化，周期变化，改变交流电的频率才能加速α粒子，故D错误. 答案　 由牛顿第二定律得qvmB＝m， 交变电压的周期T与质子在磁场中运动的周期相同，有T＝ 联立解得B＝ 答案　　 (3)霍尔电压：导体中的自由电荷(电荷量为q)在洛伦兹力作用下偏转，A、  A′间出现电势差，当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，A、A′间的电势差(U)就保持稳定，由qvB＝q，I＝nqvS，S＝hd，联立解得U＝＝k，k＝称为霍尔系数. 由题意可知，圆盘转动的周期是脉冲信 号周期的2倍，可得n＝，故A错误； 由公式qvB＝q可知U＝Bvh，所以霍尔元件所在处的磁场越强，脉冲信号的最大值就越大，与转速无关，结合公式I＝nqSv＝nqvLh，可得U＝，所以脉冲信号的最大值与霍尔元件的左右宽度L有关，故C错误； $$