第十一章 第3讲 洛伦兹力与现代科技-【优学精研】2026年高考物理一轮总复习教用课件

该高中物理高考复习课件聚焦洛伦兹力与现代科技专题，覆盖质谱仪、回旋加速器、电磁场叠加应用等高考核心考点，依据高考评价体系梳理比荷计算、最大动能分析等考查要求，通过考点权重分析和常考题型归纳，体现备考针对性与实用性。 课件以高考真题为载体，如2024年甘肃选择考质谱仪题、2023年浙江选考霍尔效应题，通过模型建构（如回旋加速器周期公式推导）和科学推理（速度选择器平衡条件应用）培养科学思维，提供比荷计算“三步法”等突破技巧，助力学生掌握答题规律，为教师复习教学提供精准指导。

第3讲　洛伦兹力与现代科技 考点一　质谱仪 考点二　回旋加速器 考点三　电场与磁场叠加的应用 实例分析 学习目标 学后评价 1.理解质谱仪的工作原理,会计算粒子的比荷 完成□　　　继续□ 2.理解回旋加速器的工作原理,会计算粒子的最大动能和交流电的频率 完成□　　　继续□ 3.理解电场与磁场叠加场的科技应用实例的原理 完成□　　　继续□ 返回 考点一　质谱仪 返回 【核心要点】 质谱仪问题的分析技巧 1.分清带电粒子在质谱仪中运动的三个阶段:粒子先被加速,再通过速度选择器,最后在磁场中偏转。 2.加速阶段应用动能定理:由qU=mv2 ,得v=。 3.在速度选择器中应用平衡条件:电场力和洛伦兹力平衡,粒子做匀速直线运动,有qE=qvB1。 4.在偏转磁场中应用洛伦兹力提供向心力的规律求解。 返回 【典例剖析】 【典例1】(2024·甘肃选择考)质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示。Ⅰ为粒子 加速器,加速电压为U;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为E1,方向沿纸面向下,匀 强磁场的磁感应强度大小为B1,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分离器,匀强磁场的磁感应强 度大小为B2,方向垂直纸面向里。从S点释放初速度为零的带电粒子(不计重力),加速后进 入速度选择器做直线运动、再由O点进入分离器做圆周运动,最后打到照相底片的P点处, 运动轨迹如图中虚线所示。 返回 (1)粒子带正电还是负电?求粒子的比荷。 (2)求O点到P点的距离。 (3)若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为E2(E2略大于E1),方向不变,粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的O'点上。求粒子打在O'点的速度大小。 【解析】(1)由于粒子向上偏转,根据左手定则可知粒子带正电;设粒子的质量为m,电荷量为q,粒子进入速度选择器时的速度为v0,在速度选择器中粒子做匀速直线运动,由平衡条件得qv0B1=qE1 在加速电场中,由动能定理qU=m 联立解得,粒子的比荷为= (2)由洛伦兹力提供向心力qv0B2=m 可得O点到P点的距离为OP=2r= 返回 (3)粒子进入Ⅱ瞬间,粒子受到向上的洛伦兹力F洛=qv0B1 向下的电场力F=qE2 由于E2>E1,且qv0B1=qE1 所以通过配速法,如图所示 其中满足qE2=q(v0+v1)B1 则粒子在速度选择器中水平向右以速度v0+v1做匀速运动,竖直方向以v1做匀速圆周运动,当速度转向到水平向右时,满足垂直打在速度选择器右挡板的O'点的要求,故此时粒子打在O'点的速度大小为v'=v0+v1+v1= 返回 【一题多解】 根据动能定理,粒子打在O'点的速度大小v'满足qE2d=mv'2-m 在水平方向根据动量定理有,qB1d=mv'-mv0 联立求得v'=-v0= 另一解v'=v0舍去。 答案:(1)带正电　　(2)　 (3) 返回 考点二　回旋加速器 返回 【核心要点】 回旋加速器中的五个问题 同步问题 交变电压的频率与粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率相等,交变电压的频率f== (当离子的比荷或磁感应强度改变时,要调节交变电压的频率) 粒子的最 大动能 粒子从边缘离开回旋加速器时动能最大,由Ekm=m=可知,在q、m和B一定的情况下,回旋加速器的半径R越大,粒子的最大动能就越大(最大动能与加速电压无关) 返回 回旋加速 的次数 粒子每加速一次动能增加qU,故需要加速的次数n=,回旋的次数为 粒子的运 动时间 粒子运动时间由加速次数n或回旋次数决定 回旋轨迹 半径 因为nqU=m,又rn=,所以rn=,n为加速次数 返回 【典例剖析】 【典例2】(2024·河源模拟)物理学家劳伦斯发明了世界上第一台回旋加速器,因此获得1939年诺贝尔物理学奖。回旋加速器的基本结构如图乙所示,两个正对着的D形金属盒处在垂直底面的匀强磁场中,两个D形盒之间的狭缝连接高压交流电源,整个装置处在真空环境中,实现对带电粒子的加速,且加速过程中忽略相对论效应和重力的影响。下列说法正确的是(　　) A.带电粒子加速获得的能量来自磁场 B.随着带电粒子的加速,带电粒子在磁场中做圆周运动的周期将减小 C.仅增大D形盒的半径,带电粒子加速所获得的最大动能增大 D.加速质子H)的交流电,也可以用来加速氘H)原子核 返回 【解析】选C。洛伦兹力的方向与粒子的速度方向垂直,所以洛伦兹力对粒子永不做功,故带电粒子加速获得的能量来自电场,故A错误;根据洛伦兹力提供向心力可得qvB=mv(),解得T=,粒子在磁场中做圆周运动的周期与粒子的速度无关,故B错误;根据洛伦兹力提供向心力,结合牛顿第二定律,有qvB=m,得v=,粒子的动能为Ek=mv2=,因此仅增大D形盒的半径,带电粒子加速所获得的最大动能增大,故C正确;为保证粒子经过电场获得加速,交流电的周期要与圆周运动的周期相等H与H在磁场中做圆周运动的周期不同,则加速它们的交流电周期也不同,故D错误。 返回 考点三　电场与磁场叠加的 应用实例分析 返回 【核心要点】 装置 原理图 规律 速度 选择器 若qv0B=Eq,即v0=,带电粒子做匀速直线运动 电磁 流量计 q=qvB,v=,所以Q=vS=·π()2= 霍尔 元件 当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差 返回 【典例剖析】 角度1　速度选择器 【典例3】(2024·广州模拟)利用带电粒子在电场和磁场中受力偏转的原理,可以测定带电粒子的荷质比。如图所示,在长度为L、相距为d的平行金属板M、N间有垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场。某带电粒子以初速度v0沿平行板中轴线射入两板间,测得粒子离开磁场时,速度的偏转角为θ,然后在两板间加上电压U,板间形成匀强电场,那么仍以初速度v0射入的该带电粒子将不发生偏转,沿中轴线通过磁场。不计粒子的重力,根据以上物理量,求: 返回 (1)初速度v0的大小; (2)带电粒子的比荷。 【解析】(1)粒子不偏转时,受到的电场力与洛伦兹力平衡Eq=qv0B,又E= 由以上两式,得带电粒子的入射速度v0= (2)两板间只有磁场时,带电粒子做匀速圆周运动,如图所示, 设粒子做圆周运动的半径为R,由几何关系得Rsinθ=L 带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力由洛伦兹力提供qv0B=m 由以上各式解得带电粒子的比荷= 答案:(1)　(2) 返回 角度2　磁流体发电机 【典例4】(多选)(2024·湖北选择考)磁流体发电机的原理如图所示,MN和PQ是两平行金属极板,匀强磁场垂直于纸面向里。等离子体(即高温下电离的气体,含有大量正、负带电粒子)从左侧以某一速度平行于极板喷入磁场,极板间便产生电压。下列说法正确的是(　　) A.极板MN是发电机的正极 B.仅增大两极板间的距离,极板间的电压减小 C.仅增大等离子体的喷入速率,极板间的电压增大 D.仅增大喷入等离子体的正、负带电粒子数密度,极板间的电压增大 返回 【解析】选A、C。带正电的粒子受到洛伦兹力向上偏转,极板MN带正电,为发电机正极,A正确;粒子受到的洛伦兹力和电场力相互平衡时,此时令极板间距为d,则qvB=q,可得U=Bdv,因此增大间距U变大,增大速率U变大,U大小和数密度无关,B、D错误,C正确。 返回 角度3　电磁流量计 【典例5】(2025·珠海模拟)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= 返回 【解析】选D。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;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=,故D正确,B、C错误。 返回 角度4　霍尔效应的原理和应用 【典例6】(2023·浙江1月选考)某兴趣小组设计的测量大电流的装置如图所示,通有电流I的螺绕环在霍尔元件处产生的磁场B=k1I,通有待测电流I'的直导线ab垂直穿过螺绕环中心,在霍尔元件处产生的磁场B'=k2I'。调节电阻R,当电流表示数为I0时,元件输出霍尔电压UH为零,则待测电流I'的方向和大小分别为(　　) A.a→b,I0　　　　　B.a→b,I0 C.b→a,I0 D.b→a,I0 返回 【解析】选D。根据安培定则,螺绕环在霍尔元件处的磁场方向竖直向下,要使元件输出霍尔电压UH为零,直导线ab在霍尔元件处的磁场方向竖直向上,根据安培定则,待测电流方向由b→a,元件输出霍尔电压UH为零,则霍尔元件处合场强为0,即k1I0=k2I',I'=I0,故A、B、C错误,D正确。 返回 $