第一章 第4节 洛伦兹力的应用-【高中必刷题】2025-2026学年高中物理选择性必修2同步课件(教科版)

物理 选择性必修 第二册 JK 1 4 第4节 洛伦兹力的应用 刷基础 2 1.［湖北随州2025高二上月考］如图所示是电视显像管原理示意图（俯视图），电流通过偏转线 圈，从而产生偏转磁场，电子束经过偏转磁场后运动轨迹发生偏转，不计电子的重力，图中 点 为荧光屏的中心，若调节偏转线圈中的电流，使电子束打到荧光屏上的 点，下列说法正确的是 ( ) D A.电子经过磁场速度增大 B.偏转磁场的方向水平向右 C.偏转磁场的方向垂直纸面向里 D.偏转磁场的方向垂直纸面向外 题型1 利用磁场控制带电粒子运动 3 解析 电子经过磁场，洛伦兹力不做功，则电子的动能不变，速度不变，故A错误；欲使电子束 打到荧光屏上的 点，则电子所受洛伦兹力方向向左，根据左手定则可知，偏转磁场的方向垂直 纸面向外，故B、C错误，D正确. 题型1 利用磁场控制带电粒子运动 4 2.［四川泸州泸县一中2024高二上月考］如图，速度选择器两极板间有互相 垂直的匀强电场和匀强磁场，一电荷量为的粒子以水平速度 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.下列说法正确 的是( ) B A.若仅将粒子改为从右侧射入，粒子仍将沿直线飞出 B.若仅将磁场反向，粒子不能沿直线飞出 C.若仅将电荷量改为 ，粒子不能沿直线飞出 D.若仅将电荷量改为 ，粒子不能沿直线飞出 题型2 质谱仪（速度选择器） 5 解析 粒子在速度选择器中做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力大小相等、方向相反，根 据 可知，若仅改变粒子的电性或者电荷量，粒子仍受力平衡，仍可沿直线飞出，C、D 错误；若仅将粒子改为从右侧射入或仅将磁场反向，根据左手定则可知，粒子受到的洛伦兹力将 变为向下，粒子受力不再平衡，无法沿直线飞出，A错误，B正确. 题型2 质谱仪（速度选择器） 6 3.如图所示，沿直线通过速度选择器的正离子、，从狭缝 射入磁感应 强度大小为 、方向垂直于纸面向外的匀强磁场中，偏转后出现的对应 轨迹半径之比为 ，不计离子重力及离子间的相互作用，下列 说法正确的是( ) D A.离子、的速度大小之比为 B.离子、的电荷量之比为 C.离子、的质量之比为 D.离子、的比荷之比为 题型2 质谱仪（速度选择器） 7 解析 离子在速度选择器中做直线运动,根据平衡条件有,解得,故离子、 的速度 大小之比为,A错误；离子在磁感应强度大小为 的匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供 向心力,则有,解得离子的比荷,又,则离子、的比荷之比为 ,D 正确；由于电荷量与质量关系不明确,故离子、 的质量之比和电荷量之比不能确定,B、C错误. 题型2 质谱仪（速度选择器） 8 4. ［辽宁大连滨城联盟2025高二上联考］如图所示是质谱仪的工作原理示意图.三个带电 粒子先后从容器正下方的小孔飘入电势差为 的加速电场，其初速度大小都几乎为零，经电场 加速后，分别从小孔离开，再从小孔 沿着与磁场垂直的方向竖直向下进入匀强磁场中，最后 打到照相底片上的、、 三个不同位置.整个装置放在真空中，不计带电粒子的重力和粒子之 间的相互作用.根据图中三个带电粒子在质谱仪中的运动轨迹，下列说法正确的是( ) C A.三个带电粒子均带负电荷 B.三个带电粒子进入磁场的动能与带电荷量成反比 C.打在 处的带电粒子的比荷最大 D.打在 处的带电粒子在磁场中运动的时间最短 题型2 质谱仪（速度选择器） 9 解析 由左手定则可知,粒子均带正电荷,故A错误；在加速电场中,由动能定理可知,带电粒子进入 磁场的动能为 ,所以三个带电粒子进入磁场的动能与带电荷量成正比,故B错误；带电粒子 进入磁场时,由动能定理有,则 ,带电粒子在磁场中,由洛伦兹力提供向心力有 ,解得,由题图可知打在 处的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径最小,则其 比荷最大,故C正确；带电粒子在磁场中运动的时间,打在 处的带电粒子在磁场中运动 的轨迹半径最大,比荷最小,则其在磁场中运动的时间最长,故D错误. 题型2 质谱仪（速度选择器） 10 教材变式 本题目由教材P20图1-4-3演变而来.教材展示了由质谱仪求带电粒子的比荷的过程，本题延伸考 查了三个带电粒子的比荷和在磁场中运动的时间的关系. 题型2 质谱仪（速度选择器） 11 5.［四川眉山东坡区多校2025高二上联考］回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度为 的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时间可忽略，它们接在电压为 、频 率为的交流电源上；若处粒子源产生的氘核 能在加速器中被加速到出加速器，下列说法中 正确的是( ) C A.不改变磁感应强度和交流电源频率，该回旋加速器不能用于加速 粒子 B.若只增大磁感应强度 ，则氘核获得的最大动能增大 C.若只增大交流电压 ，则氘核在回旋加速器中运动时间会变短 D.若只增大交流电压 ，则氘核获得的最大动能增大 题型3 回旋加速器 12 解析 氘核若能被加速,则所加交流电源的频率等于氘核在磁场中做圆周运动的频率,即 ,不 改变磁感应强度和交流电源频率,因 粒子的比荷等于氘核的比荷,则该回旋加速器也能用 于加速粒子,A错误；只增大磁感应强度 ,则氘核在磁场中做圆周运动的周期改变,则氘核 不一定被稳定地加速，其获得的最大动能不一定增大,B错误；设氘核在加速器中能获得的最大动 能为,根据,,解得,若只增大交流电压 ,不会改变氘核在 回旋加速器中运动的周期,氘核在磁场中运动一个周期,被电场加速两次,每次增加动能为 , 则氘核在磁场中加速次数,氘核在磁场中运动时间 ,可知若只增大交 流电压 ,则氘核在回旋加速器中运动时间会变短,而获得的最大动能不变,C正确,D错误. 题型3 回旋加速器 13 6.［浙江余姚中学2024高二上期中］（多选）回旋加速器的结构如图所示，有一磁感应强度为 的匀强磁场垂直于回旋加速器.在回旋加速器的点可以释放初速度为零、质量为、电荷量为 的粒子（不计粒子重力）.粒子经过加速、回旋最后从点射出并获得最大动能 ，两D形盒之间 的距离为、加速电压为 ，则下列说法正确的是( ) BC A.D形盒的最大半径为 B.粒子在加速器中运动的圈数为 C.回旋加速器所加交流电压的频率为 D.减小加速电压，粒子从加速器射出时的动能变小 题型3 回旋加速器 14 解析 设粒子的最大速度为，根据动能公式有，根据牛顿第二定律得 ，解 得，A错误；设粒子在磁场中转动的圈数为,因每加速一次粒子获得的能量为 ，每 圈加速两次，，解得，B正确；粒子在磁场中运动的周期为 ，频率为 ，解得，C正确；根据牛顿第二定律得，得 ，与加速电压无关， 故减小加速电压，粒子从加速器射出时的速度不变，动能不变，D错误. 题型3 回旋加速器 15 关键点拨 在、和确定的情况下，回旋加速器的半径 越大，粒子的最大动能就越大，粒子从边缘离开 回旋加速器时动能最大， ，可知最大动能与加速电压无关. 题型3 回旋加速器 16 7.［四川宜宾四中2024高二下期末］（多选）如图所示是磁流体发电机示意图.平行金属板、 之 间有一个很强的匀强磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量的等量正、负离子） 从垂直于磁场的方向喷入磁场，、两板间便产生电压.如果把、板与用电器相连接，、 板 就是等效直流电源的两个电极.若磁场的磁感应强度为，每个离子的电荷量大小为、速度为 ， 、两板间距为，两板间等离子体的等效电阻为，用电器电阻为 .稳定时，下列判断正确的是 ( ) AD A.图中板是电源的正极 B.电源的电动势为 C.用电器中电流为 D.用电器两端的电压为 题型4 磁流体发电机 17 解析 由左手定则，正离子受洛伦兹力向下偏转，负离子受洛伦兹力向上偏转，则 板为电源的正 极，A正确；稳定时，由平衡条件得，电源电动势为 ，电流为 ，用电器两端的电压 ，故B、C错误，D正确. 题型4 磁流体发电机 18 8.［河北沧州2025高二上月考］如图所示，将一厚度为的半导体薄片垂直置于匀强磁场 中，在 薄片的两个侧面、间通以电流时，另外两侧、 间产生电势差，这一现象称为霍尔效应.其 原因是薄片中定向移动形成电流的载流子受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，在、 间产生 霍尔电压 .半导体的载流子有自由电子和空穴（相当于正电荷）两种类型.下列说法正确的是 ( ) C A.若该半导体是空穴导电，则侧的电势低于 侧的电势 B.若只增大半导体薄片的厚度，则霍尔电压 将增大 C.若只增大磁场的磁感应强度，则霍尔电压 将增大 D.若只增大电流，则霍尔电压 将减小 题型5 霍尔元件 19 解析 若该半导体是空穴导电,即相当于正电荷导电,根据左手定则可知,正电荷在洛伦兹力作用下 向侧聚集,可知侧电势高于侧电势,故A错误；由于、 间产生电场,稳定时载流子受到的电 场力与洛伦兹力平衡,设、间距离为,霍尔元件长为,有 ,设薄片单位体积内载 流子的数目为,根据电流的微观定义式有,解得 ,可知若增大半导体薄片 的厚度,则霍尔电压将减小,故B错误；若只增大磁感应强度,则霍尔电压 将增大,故C正确； 若只增大电流,则霍尔电压 将增大,故D错误. 题型5 霍尔元件 20 方法总结 霍尔元件的工作原理是带电粒子所受的电场力与洛伦兹力平衡.霍尔元件中带电粒子可能是正电荷, 也可能是负电荷.霍尔效应经常与电流的微观表达式综合应用. 题型5 霍尔元件 21 9.［四川德阳2025高二上期末］应用霍尔效应可以测量车轮的转动角速度，如图所示为轮速传感 器的原理示意图，假设齿轮为五齿结构，且均匀分布，当齿轮凸起部分靠近霍尔元件时，磁体与 齿轮间的磁场增强，凹陷部分靠近霍尔元件时，磁体与齿轮间的磁场减弱.工作时霍尔元件上下两 面通入电流 ，前后两面连接控制电路.下列说法正确的是( ) B A.若霍尔元件的材料为金属导体，则前表面比后表面的电势高 B.若霍尔元件的材料为金属导体，将磁体的两极对调，同时将电流方向改为向上，则霍尔元件前 后表面电势的高低情况不变 C.若电流恒定，则控制电路监测到的电压也恒定不变 D.若自行车的车速增大，则控制电路监测到的电压也增大 题型5 霍尔元件 22 解析 若霍尔元件材料为金属导体,导电的粒子为自由电子,根据左手定则可知,电子所受洛伦兹力 指向前表面,所以前表面集聚电子,前表面的电势比后表面的电势低,故A错误；若将磁体的两极对 调,同时将电流方向改为向上,根据左手定则可知,电子所受洛伦兹力仍指向前表面,即前表面集聚电 子,则前表面比后表面的电势低,则前后表面电势的高低情况不变,故B正确；因为 ,可得 ,即若电流恒定,则不变,由于齿轮转动, 不断变化,则控制电路监测到的电压也不断变化, 故C错误；若自行车的车速增大,则 变化更快,则控制电路监测到的电压频率变大,但是不影响检测 到的电压大小,故D错误. 题型5 霍尔元件 23 4 第4节 洛伦兹力的应用 刷提升 24 1.［四川泸州2025高二上期末］如图所示，一束含不同离子的离子束，经过由正交的匀强电场和 匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场并分裂为、 两束，则( ) A A.束离子的比荷一定大于 束离子的比荷 B.束离子的动量一定等于 束离子的动量 C.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 D.若仅将离子束电性改为相反，则离子束不能顺利通过速度选择器 25 解析 离子经过速度选择器时，满足，可得离子通过速度选择器的速度为 ，即离 开速度选择器进入磁场中的离子具有相同的速度，离子在磁场中，有 ，运动半径 ，即运动半径与比荷成反比，由题图可知，束离子的运动轨迹半径小于 束离子 的运动轨迹半径，则束离子的比荷大于束离子的比荷，A正确；离子的动量 ，由上述分 析知，离子速度相等，但质量不一定相等，所以动量不一定相等，B错误；离子在速度选择器中 做匀速直线运动，所受合外力为零，离子刚进入磁场中时所受洛伦兹力方向水平向左，由左手定 则可知离子带正电，在速度选择器中所受电场力水平向右，则所受洛伦兹力水平向左，由左手定 则可知，速度选择器中磁场方向为垂直纸面向里，C错误；仅将离子束电性改为相反，则离子所 受电场力水平向左，由左手定则可知，离子所受洛伦兹力水平向右，大小仍满足 ，合外 力为零，仍能通过速度选择器，D错误. 26 2.［山东济南2024高二上期末］（多选）某同步加速器的简化模型如图所示.、 为两块中心开 有小孔的平行金属板.时刻，质量为、电荷量为的带正电粒子（不计重力）从 板小孔飘 入两板间，初速度可视为零.当粒子进入两板间时，两板间的电势差变为 ，粒子第一次被加速； 当粒子从 板离开时，两板间的电势差立即变为零.两板外部环形区域内存在垂直纸面的匀强磁场， 粒子在洛伦兹力作用下做半径为的圆周运动， 远大于两板间距离.粒子经电场多次加速，动能 不断增大，为使保持不变，磁场必须相应地变化.不计粒子在、 板间的加速时间及其做圆周 运动产生的电磁辐射，不考虑磁场变化对粒子速度的影响及相对论效应.下列说法正确的是 ( ) 27 A.环形区域内磁场方向垂直纸面向里 B.粒子绕行周回到板时的速度大小为 C.粒子绕行第周时的磁感应强度大小为 D.粒子在绕行的第周内电场力对粒子做功的平均功率为 √ √ √ 28 解析 由题意可知带正电粒子逆时针在磁场中做圆周运动，由左手定则可知，环形区域内磁场方 向垂直纸面向里，故A正确；前周内电场力对粒子做的功为 ，由动能定理得 ，解得粒子绕行周回到板时的速度大小，故B错误；设粒子绕行第 周时的磁感应强度大小为，粒子绕行第周时，由牛顿第二定律得 ，解得 ，故C正确；粒子运动的第周的周期为 ，则粒子在运动 的第周内电场力对粒子做功的平均功率 ，故D正确. 29 3.［四川成都七中2025高二上期中］（多选）如图为某种质谱仪的工作原理示意图.此质谱仪由以 下几部分构成：粒子源；、间电压恒为的加速电场；静电分析器，即其中心线为半径为 的四分之一圆弧形通道，通道内有均匀辐射状电场，方向沿径向指向圆心，且与圆心 等距的 各点电场强度大小相等.由粒子源发出的不同种类的带电粒子，经加速电场加速后从小孔 进入 静电分析器，其中粒子和粒子恰好能沿圆弧形通道的中心线通过静电分析器，并经小孔 垂直 静电分析器边界飞出.忽略带电粒子离开粒子源 时的初速度，不计粒子所受重力以及粒子间的相 互作用.下列说法中正确的是( ) 30 A.粒子和粒子经过小孔 时速度大小一定不相等 B.若只增大加速电场的电压，粒子可能沿曲线 运动 C.静电分析器中距离圆心为处的电场强度大小为 D.若质量为、电荷量为 的粒子能沿中心线通过静电分析器，则其在静电分析器里 的运动时间 √ √ 31 解析 由两种粒子都恰好沿圆弧形通道的中心线通过静电分析器,由电场力提供向心力有 ,解得,即若两种粒子的比荷相等,则两种粒子的速度相等,故A错误；由粒子源 发出的不同种类的带电粒子,经加速电场加速,根据动能定理,有,得，若增大 , 粒子经过小孔时速度增大,其进入静电分析器后所受电场力 ,即电场力不足以提供粒 子需要的向心力,则粒子做离心运动,运动轨迹可能为 ,故B正确；粒子进入静电分析器后,根据 电场力提供向心力,有,结合动能定理,得,故C正确；质量为 、电荷量 为的粒子在静电分析器里运动的时间为,结合B项的分析,得 ,故D错误. 32 4.［黑龙江龙东地区五校2024高二上联考］如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间 的加速电场场强恒定，且被限制在、板间.带电粒子从处以速度 沿电场线方向射入加速电 场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动.下列说法正确的是( ) C A.带电粒子每运动一周被加速两次 B. C.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关 D.加速电场方向需要做周期性的变化 33 解析 带电粒子只有经过、 板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，加速电场的方 向不改变，故A、D错误；根据洛伦兹力提供向心力，有，可得 ，则 ，因为每运动一周被加速一次，根据运动学公式得 ，可知 每运动一周，速度的变化量不相等，且，所以 ，故B错误；当粒子 从D形盒中射出时，速度最大，有，可得 ，由此可知，加速粒子的最大速 度与D形盒的尺寸有关，故C正确. 34 关键点拨 解答本题的关键是知道改进后回旋加速器的原理，知道粒子每运动一周，粒子会被加速一次，且 粒子都在 间加速，加速电场不需要改变方向. 35 $$