第1章 专题拓展2 洛伦兹力与现代科技（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

安培力与洛伦兹力 专题拓展2　洛伦兹力与现代科技 第一章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 　　认识速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件等器件。 　　知道速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理。 　　学会应用所学知识解决实际问题并提升学习物理的兴趣。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点一 速度选择器 1．装置及要求 如图所示，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧平行于极板射入，不计粒子重力。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例1】 如图所示的速度选择器两板间有互相垂直的匀强电场和磁场，电荷量为＋q的带电粒子，以水平速度v0从左侧射入，恰能沿直线飞出速度选择器，不计粒子重力和空气阻力，在其他条件不变的情况下(　　) A．若仅将电荷量变为－q，粒子仍将沿直线飞出 B．若仅将电荷量变为＋2q，则粒子不能沿直线飞出 C．若仅将该粒子改为从右侧射入，粒子仍沿直线飞出 D. 若仅将磁场方向反向，粒子仍沿直线飞出 A 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练1] 在如图所示的平行板器件中(极板长度有限)，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。一个带电粒子(重力不计)从左端以速度v沿虚线射入后做直线运动，则该粒子(　　) B 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点二 磁流体发电机 磁流体发电机的发电原理图如图甲所示，其平面图如图乙所示。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例2】 如图所示的是磁流体发电机的示意图，两平行金属板P、Q之间有一个很强的磁场。一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)沿垂直于磁场的方向喷入磁场。把P、Q与电阻R相连接。下列说法正确的是(　　) A．Q板的电势高于P板的电势 B．R中有由b向a方向的电流 C．若只改变磁场强弱，R中电流保持不变 D．若只增大粒子入射速度，R中电流增大 D 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练2] 磁流体发电机的结构简图如图所示。把平行金属板A、B和电阻R连接，A、B之间有很强的磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)以速度v喷入磁场，A、B两板间便产生电压，成为电源的两个电极。下列推断正确的是(　　) A．B板为电源的正极 B．电阻R两端电压等于电源的电动势 C.若减小两极板的距离，则电源的电动势会减小 D．若增加两极板的正对面积，则电源的电动势会增加 C 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点三 电磁流量计 如图甲、乙所示的是电磁流量计的示意图。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例3】 (多选)电磁流量计是用来测量管内电介质流量的感应式仪表，单位时间内流过管道横截面的液体体积为流量。如图为电磁流量计匀强磁场的方向，磁感应强度大小为B。当管中的导电液体流过时，测得管壁上M、N两点间的电压为U，已知管道直径为d，则(　　) AD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练3] 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(　　) D 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 探究点四 霍尔元件 1．定义： 如图所示，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。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 2．电势高低的判断：如图所示，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。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 【例4】 (多选)一块横截面为矩形的金属导体的宽度为b，厚度为d，水平放置，将导体置于一个磁感应强度为B的匀强磁场中，磁感应强度的方向水平且垂直于侧面，如图所示。当在导体中通以图示方向的电流I时，在导体的上下表面间用电压表测得的电压为UH，已知载流子为自由电子，电荷量为e，则下列判断正确的是(　　) BD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 [练4] (多选)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件，当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，屏幕亮起；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭。如图所示，一块长为a、宽为d、厚度为b的霍尔元件，单位体积内的自由电子数为n，其导电粒子是电荷量为e的自由电子，元件中通有大小为I、方向向右的电流。当显示屏闭合时元件处于竖直向上、大小为B的匀强磁场中，则(　　) BD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 关键能力 互动探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 素养训练 学业评价 1. 如图所示的是一个速度选择器，两极板P、Q之间存在电场强度为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场。一束粒子流(重力不计)以速度v从a沿直线运动到b，则下列说法正确的是(　　) C 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 2．磁流体发电机是利用洛伦兹力的磁偏转作用发电的。如图所示，A、B是两块处在磁场中互相平行的金属板，一束在高温下形成的等离子束(气体在高温下发生电离，产生大量的带等量异种电荷的粒子)射入磁场。下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 A 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 A. B板是电源的正极 B．A板是电源的正极 C．电流从上往下流过电流表 D．等离子体中带正电荷的粒子受到竖直向上的洛伦兹力 素养训练 学业评价 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 根据左手定则可知，等离子体中带正电的离子在磁场中将受到竖直向下的洛伦兹力从而向B板偏转，带负电的离子将向A板偏转，因此B板将带正电，B板是电源的正极，而在外电路，电流是从正极流向负极的，因此，电流将从下往上流过电流表，A正确。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 3. (多选)如图所示的是电磁流量计(即计算单位时间内流过某一个横截面的液体体积)的原理图：一个圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动。图中磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度大小为B，导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下偏转，a、b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、b间的电势差就稳定为U，则(　　) 素养训练 学业评价 BC 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 4. 如图所示，方形金属棒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于前后表面向外，金属棒通有从左到右的恒定电流I后将会产生霍尔效应，a、b、c分别表示长方体的长、宽、高，则(　　) A．金属棒上表面的电势低于下表面 B．仅增大金属棒长度a，霍尔电压将变小 C．仅增大金属棒宽度b，霍尔电压将变小 D．仅增大金属棒高度c，霍尔电压将变小 素养训练 学业评价 C 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 5. (多选)电磁流量计广泛应用于测量可导电流体 (如污水)在管中的流量(单位时间内通过管内某横截面 的流体的体积)。假设流量计可简化为如图所示的横截 面为长方形的一段管道，其中空的部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送流体的管道相连(图中虚线)，图中流量计的上、下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面，当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面与一串联了电阻R的电流表两端连接，I表示测得的电流，已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的电阻，则可求得(　　) 素养训练 学业评价 AD 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 解 析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 课时梯级训练（4） 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 R　 2．带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝。 3．速度选择器的特点 (1)v的大小等于E与B的比值，即v＝。速度选择器只对选择的粒子的速度有要求，而对粒子的质量、电荷量大小及带电正、负无要求。 (2)当v＞时，粒子向F洛方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大。 (3)当v＜时，粒子向F电方向偏转，F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小。 (4)速度选择器只能单向选择：若粒子从另一方向射入，则不能沿直线穿出速度选择器。 粒子在板间运动时静电力等于洛伦兹力，改为电荷量－q的粒子，根据受力分析，静电力和洛伦兹力仍可平衡；根据题意同时有qE＝qvB，可知v＝，与粒子电荷量无关，A正确，B错误；若仅将该粒子改为从右侧射入或仅将磁场方向反向，受力分析可得此时静电力和洛伦兹力不能平衡，所以粒子不能沿直线飞出，C、D错误。 A．一定带正电 B．速度v＝ C．若速度v>，粒子一定不能从板间射出 D．若此粒子从右端沿虚线方向射入，仍做直线运动 若粒子带负电，则受到竖直向上的静电力和竖直向下的洛伦兹力，可以做直线运动；若粒子带正电，则受到竖直向下的静电力和竖直向上的洛伦兹力，也可以做直线运动，A错误；因为该粒子在水平方向做直线运动，所以在竖直方向上所受合力为零，故qE＝qvB，得v＝，B正确；若v>，则qvB>qE，粒子偏转，做曲线运动，粒子可能从板间射出，也可能打在极板上，C错误；若此粒子从右端沿虚线方向射入平 行板，静电力与洛伦兹力沿同一方向，粒子不能做直线运动，D错误。 设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，匀强磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，极板间电压为U，根据FB＝FE，有qvB＝qE＝，得U＝Bdv。根据外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，故此磁流体发电机的电动势为E电源＝U＝Bdv。根据左手定则可判断，正离子向P极板偏转，P极板聚集正离子，电势高，为发电机正极，Q板聚集负离子，电势低，为发电机负极。 等离子体进入磁场，根据左手定则可知正电荷向上偏转，打在上极板上，负电荷向下偏转，打在下极板上，所以上极板带正电，下极板带负电，则P板的电势高于Q板的电势，流过电阻R的电流方向由a到b，A、B错误；根据稳定时静电力等于磁场力即q＝qvB，则有U＝Bdv，再由欧姆定律有I＝＝，可知电流与磁感应强度成正比，改 变磁场强弱，R中电流也改变，C错误；由I＝可以知道，若只增大粒子的入射速度，R中电流也会增大，D正确。 等离子体进入磁场，根据左手定则可知，正电荷向下偏转，所以A板带正电，为电源的正极，B板为电源的负极，A错误；分析电路结构可知，A、B为电源的两极，电源有内阻，R为外电路，故电阻R两端电压为路端电压，小于电源的电动势，B错误；粒子在静电力和洛伦兹力作用下稳定时有qvB＝q，解得U＝Bdv，减小两极板的距离d，电源的电动势会减小，增加两极板的正对面积，电动势不变，C正确，D错误。 设管的直径为D，磁感应强度为B，a、b两点间的电势差是由于导电液体中电荷受到洛伦兹力作用，在管壁的上、下两侧堆积产生的。到一定程度后，a、b两点间的电势差达到稳定值U，上、下两侧堆积的电荷不再增多，此时，洛伦兹力和静电力平衡，有qvB＝qE＝q，所以v＝，又圆管的横截面积S＝πD2，故流量Q＝Sv＝。 A．管壁上N点电势高于M点 B．管中导电液体的流速为 C．管中导电液体的流量为 D．管中导电液体的流量为 若导电液体带正电，根据左手定则可知，其受向下的洛伦兹力，正电荷打在N处，所以N点的电势高于M点，A正确；稳定时电荷受力平衡，根据平衡条件得qvB＝q，解得v＝，B错误；流量为Q＝vS，S＝πd2，解得Q＝，C错误，D正确。 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，A错误；最终正、负离子会在静电力和洛伦兹力作用下处于平衡状态，有qE＝qvB，即＝vB，则污水流量Q＝＝·＝，可知Q与U、D成正比，与L无关，显示仪器的示数与离子浓 度无关，匀强磁场的磁感应强度B＝，D正确，B、C错误。 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。 A．导体内载流子只受垂直于运动方向的洛伦兹力作用和竖直向下的静电力作用 B．用电压表测UH时，电压表的“＋”接线柱接下表面 C．金属导体的厚度d越大，UH越大 D．该导体单位体积内的自由电子数为 导体内载流子除了受垂直于运动方向的洛伦兹力作用和竖直向下的静电力作用之外，还受到电源提供的非静电作用和导体内正离子对其库仑力的作用，A错误；电子定向移动的方向与电流方向相反，根据左手定则可知在导体上表面上将聚集电子，所以用电压表测UH时，电压表的“＋”接线柱接下表面，B正确；根据平衡条件有e＝eBv，设该导体单位体积内的自由电子数为n，根据电流的微观表达式有I＝neSv ＝nebdv，联立两式可得UH＝，即UH与金属导体的厚度d无关，并且导体单位体积内的自由电子数为n＝，C错误，D正确。 A．霍尔元件上下表面间产生霍尔电压，上表面的电势比下表面的高 B．霍尔元件前后表面间产生霍尔电压，后表面的电势比前表面的高 C．霍尔电压U＝ D．每个自由电子所受洛伦兹力的大小为F＝ 电流向右，电子向左定向移动，根据左手定则，电子所受洛伦兹力垂直于纸面向外，电子打在前表面，前表面电势比后表面电势低，A错误，B正确；根据平衡条件e＝evB，解得U＝Bdv，根据电流微观表达式有I＝neSv，S＝bd，解得U＝，C错误；电子所受洛伦兹力大小为F＝e＝，D正确。 A．粒子一定带正电 B．粒子一定带负电 C．粒子的速度一定等于 D．粒子的速度一定等于 若粒子带正电，在板间受静电力向下，左手定则得洛伦兹力向上，若粒子带负电，静电力向上，洛伦兹力向下，也可以做直线运动，故粒子可能带正电，也可能带负电，A、B错误；要做直线运动，要求Bqv＝qE，解得v＝，C正确，D错误。 A．电势a高b低 B．电势b高a低 C．流量Q＝ D．流量Q＝ 根据左手定则可知，导电液体中的正离子在洛伦兹力作用下向下偏转，负离子在洛伦兹力作用下向上偏转，则a点电势低，b点电势高，A错误，B正确；对离子有：qvB＝q，解得v＝，流量等于单位时间内流过某一个横截面的液体体积，有Q＝vS＝π＝，C正确，D错误。 金属中的自由电荷是电子，电流方向从左向右，根据左手定则，电子受到洛伦兹力方向向下，则金属棒上表面的电势高于下表面，A错误；根据evB＝e，I＝nevbc，解得U＝，可知霍尔电压与金属棒长度a、高度c无关，B、D错误；根据上述分析，仅增大金属棒宽度b，霍尔电压将变小，C正确。 A．流量为 B．流量为 C．若污水浓度变大(ρ减小)，则上下两板间电势差将变大 D．流量越大，则上下两板间电势差越大 最终稳定时：qvB＝q，则v＝，根据电阻定律R′＝ρ，则总电阻R总＝R′＋R，所以U＝IR总＝I(ρ＋R)，解得v＝，所以流量Q＝vS＝vbc＝，A正确，B错误；由上述分析可知，上下两板间电势差U＝Bvc，与污水浓度无关，若污水流量变大，上下 两板间电势差将变大，C错误，D正确。 $$