核心素养测评(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

核心素养测评　(40分钟　70分) 三十二　洛伦兹力与现代科技 【基础巩固练】 1.(6分·多选)(2024·珠海模拟)如图是回旋加速器的示意图,D形金属盒分别接高频交流电源,D形金属盒间的狭缝中形成周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能加速,D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,忽略粒子在电场中的运动时间,下列说法正确的是(　　) A.粒子射出时的最大动能与D形金属盒的半径无关 B.工作时交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等 C.若增大加速电压,粒子最终射出时获得的动能将增大 D.若增大加速电压,粒子在回旋加速器中运动的时间将减少 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选B、D。根据题意可知,粒子在磁场中做圆周运动,由牛顿第二定律有qvB=m,当粒子做圆周运动的半径等于D形盒半径时,粒子射出时的速度最大,动能最大,可得最大速度为vm=,则最大动能为Ekm=m=,可知,粒子射出时的最大动能与D形金属盒的半径有关,与高频交流电源的电压无关,故A、C错误;为了保证粒子每次经过电场时均加速,回旋加速器加速的粒子在磁场中运动的周期和高频交流电的周期应相等,故B正确;由牛顿第二定律有qvB=m,又T=,可得粒子做圆周运动的周期为T=,由动能定理有nqU=Ekm,解得加速的次数为n=,粒子在回旋加速器中运动的时间为t=·T=,可知,若增大加速电压,粒子在回旋加速器中运动的时间将减少,故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.(6分)(科技情境)磁流体发电机的原理如图所示。将一束速度为v的等离子体(含有大量正、负带电粒子)垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中,在相距为d、宽为a、长为b的两平行金属板间便产生电压。如果把上、下板和电阻R连接,上、下板就是一个直流电源的两极。稳定时两板间等离子体有电阻。忽略边缘效应,下列判断正确的是(　　) A.上板为负极 B.上、下两极板间的电压U=Bdv C.等离子体浓度越高,电动势越大 D.垂直两极板方向(即上、下方向)等离子体粒子受洛伦兹力(分力)和电场力平衡 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选A。大量带正电和带负电的微粒向右进入磁场时,由左手定则可以判断正电荷受到的洛伦兹力向下,所以正电荷会聚集到下极板上,负电荷受到的洛伦兹力向上,负电荷聚集到上极板上,故上极板为负极,故A正确;设电动势为E,根据qvB=q得E=Bdv,磁流体发电机具有内阻,上下极板两端为路端电压,故U<Bdv,故B错误;由表达式E=Bdv可知,电动势与等离子体的浓度无关,故C错误;垂直两极板方向等离子体粒子由于电能的消耗,部分正电荷向下极板运动,部分负电荷向上极板运动,此时粒子所受洛伦兹力大于电场力,故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.(6分)(生活情境)某学校安装了反渗透RO膜过滤净水器,经过过滤净化的直饮水进入了教室。净水器如果有反渗透RO膜组件,会产生一部分无法过滤的自来水,称为“废水”,或称“尾水”。“尾水”中含有较多矿物质及其他无法透过反渗透RO膜的成分,不能直接饮用,但可以浇花、拖地。该学校的物理兴趣小组为了测量直饮水供水处“尾水”的流量,将“尾水”接上电磁流量计,如图所示。已知流量计水管直径为d,垂直水管向里的匀强磁场磁感应强度大小为B,稳定后M、N两点之间电压为U。则(　　) A.M点的电势低于N点的电势 B.“尾水”中离子所受洛伦兹力方向由M指向N C.“尾水”的流速为 D.“尾水”的流量为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选A。根据左手定则,正离子所受洛伦兹力方向由M指向N,向N侧偏转,负离子所受洛伦兹力方向由N指向M,向M侧偏转,M点的电势低于N点的电势,故A正确,B错误;正、负离子达到稳定状态时,有qvB=q,可得流速v=,故C错误; “尾水”的流量Q=Sv=,故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4.(6分)如图为速度选择器的示意图,P1、P2为其两个极板。某带电粒子以速度v0从S1射入,恰能沿虚线从S2射出。不计粒子重力,下列说法正确的是(　　) A.该粒子一定带正电 B.极板P1的电势一定高于极板P2的电势 C.若该粒子以速度v0从S2射入,也能沿虚线从S1射出 D.若该粒子以速度2v0从S1射入,仍能沿虚线从S2射出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选B。若粒子带正电,由左手定则可知粒子受到的洛伦兹力方向竖直向上,因粒子恰能沿虚线运动,则电场力方向应竖直向下,满足qE=qv0B,所以极板P1的电势高于极板P2的电势;若粒子带负电,同理分析可知极板P1的电势高于极板P2的电势,故B正确。不论粒子带电性质如何,粒子所受的电场力和洛伦兹力都平衡,所以粒子带电性质无法判断,故A错误。若该粒子以速度v0从S2射入,假设粒子带正电,则电场力方向竖直向下,洛伦兹力方向也竖直向下,粒子所受合力方向向下,不会沿虚线从S1射出,故C错误。若粒子的速度为2v0,则q·2v0B>qE,粒子受力不平衡,不会沿虚线从S2射出,故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5.(6分·多选)(2024·惠州模拟)电磁泵在生产、科技中得到了广泛应用。如图所示,泵体是一个长方体,ab边长为L1,两侧端面是边长为L2的正方形,流经泵体内的液体密度为ρ,在泵头通入导电剂后液体的电导率为σ(电阻率的倒数),泵体所在处有方向垂直于纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B,把泵体的上下两表面接在电压为U的电源(内阻不计)上,则(　　) A.泵体上表面应接电源正极 B.通过泵体的电流I=σUL1 C.减小磁感应强度B可获得更大的抽液高度 D.增大液体的电导率σ可获得更大的抽液高度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选A、B、D。将液体等效为通电导线,当泵体上表面接电源正极时,电流从上表面流向下表面,根据左手定则可知此时液体受到的安培力水平向左,液体被抽出,故A正确;根据电阻定律,泵体内液体的电阻为R=ρ=·,可得通过泵体的电流为I==UσL1,故B正确;减小磁感应强度B,液体受到的安培力变小,抽液高度会变小,故C错误;根据前面分析可知增大液体的电导率σ,电流I会增大,液体受到的安培力变大,可获得更大的抽液高度,故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【综合应用练】 6.(6分)(2025·汕头模拟)把用金属导体制成的霍尔元件接入如图电路中,把电压表接在霍尔元件a、b极上,调节滑动变阻器使输入电流为I(导体中可自由移动的是电子),又从左向右加垂直于板面的磁感应强度为B的匀强磁场,当电场力等于洛伦兹力时,电压表测出的霍尔电压为UH。下列判断正确的是(　　) A.a极的电势高于b极的电势 B.只增大B的强度,则UH跟着增大 C.只改变I的强度,则UH跟I的平方成正比 D.改变B、I的方向,电压表指针会偏向另一边 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选B。根据左手定则可知,电子受到安培力指向a极,则电子向a极偏转,故a极的电势低于b极的电势,故A错误;对电子受力分析,当电子所受洛伦兹力与电场力平衡时,有evB=eE=e,可得UH=Bdv,由电流微观表达式得I=neSv,联立解得UH=Bd,所以若只增大B的强度,则UH跟着增大;若只改变I的强度,则UH跟I成正比,故B正确,C错误;改变B、I的方向,根据左手定则,可知a极的电势仍低于b极的电势,电压表指针不会偏向另一边,故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7.(6分·多选)(2025·郑州模拟)如图所示,质谱仪使从S1出来的电荷量相同的粒子(速度可视为零)先经过电势差为U的加速电场加速,然后再让它们进入磁感应强度为B的偏转磁场,这样质量不同的粒子就会在磁场中分离。下列关于回旋加速器、质谱仪的说法中正确的是(　　) A.经过回旋加速器加速的同种带电粒子,其最终速度大小与高频交流电的电压无关 B.经过回旋加速器加速的同种带电粒子,其最终速度大小与D形盒上所加磁场强弱有关 C.图示质谱仪中,在磁场中运动半径小的粒子,其质量大 D.图示质谱仪中,在磁场中运动半径大的粒子,其质量也大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选A、B、D。根据qvB=,解得v=,可知经过回旋加速器加速的同种粒子的最终速度与交流电压无关,与D形盒上所加的磁场强弱有关,故A、B正确;根据qvB=,可得r=,根据qU=mv2,可得v=,则r=,可知在磁场中运动半径大的粒子,其质量大,运动半径小的粒子,其质量小,故C错误,D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8.(6分)(2024·保定模拟)如图所示,一块长为a、宽为b、高为c的长方体半导体器件,其内载流子单位体积内的个数为n,沿+y方向通有恒定电流I。在空间中施加一个磁感应强度为B、方向沿-x方向的匀强磁场,半导体上、下表面之间产生稳定的电势差U,下列说法正确的是(　　) A.若载流子为负电荷,则上表面电势高于下表面电势 B.仅增大电流I,电势差U可以保持不变 C.半导体内载流子所受洛伦兹力的大小为 D.半导体内载流子定向移动的速率为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选C。沿+y方向通有恒定电流,若载流子为负电荷,则电荷移动方向沿-y方向,磁感应强度方向沿-x方向,根据左手定则可知,负电荷向上偏转,则上表面电势低于下表面电势,故A错误;半导体上、下表面之间产生稳定的电势差时,电场力与洛伦兹力平衡,则有q=qvB,根据电流的微观意义可知I=nqvS=nqvbc,联立可得U=[二级结论:霍尔电压稳定后,自由电荷受力平衡,则qvB=q,I=nqvS,S=bc,联立解得U=],则仅增大电流I,电势差U增大,故B错误;半导体内载流子所受洛伦兹力的大小F=qvB=q=,故C正确;根据q=qvB,可得半导体内载流子定向移动的速率v=,故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9.(6分·多选)如图所示,将磁流体发电机和电容器用导线连接。磁流体发电机板间有方向垂直于纸面向里的匀强磁场,从磁场左侧水平喷入大量速度为v1的等离子体。有一带电粒子从电容器的中轴线上以速度v2射入电容器,恰好从下极板边缘射出电容器,不计等离子体和带电粒子的重力,下列说法正确的是(　　) A.该带电粒子带负电 B.只减小带电粒子的入射速度v2,带电粒子将打在电容器的下极板上 C.只增大等离子体的入射速度v1,带电粒子将打在电容器的下极板上 D.只改变单个等离子体的电量,带电粒子不能从下极板边缘射出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【解析】选B、C。对磁流体发电机分析,上极板带正电,在电容器中形成向下的电场,对油滴受力分析可知,油滴受到向下的电场力,故该带电粒子带正电,故A错误;设等离子体带电荷量为q1,磁流体发电机两极板间的距离为d1,由磁流体发电机可得q1v1B=q1,两板间的电势差为U=Bd1v1,设带电粒子的电荷量为q2,电容器两极板间的距离为d2,在电容器中对带电粒子,根据牛顿第二定律有q2=ma,带电粒子在电容器中做类平抛运动,设电容器极板长为L,则运动时间为t=,偏移量为y=at2,以上各式联立,解得y=,所以,只减小带电粒子的入射速度v2,则带电粒子的偏移量变大,带电粒子将打在电容器的下极板上;只增大等离子体的入射速度v1,则带电粒子的偏移量变大,带电粒子将打在电容器的下极板上;带电粒子的偏移量与单个等离子体的电量无关,带电粒子恰好从下极板边缘射出电容器,故B、C正确,D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 【情境创新练】 10.(16分)如图所示,蹄形磁铁的磁极之间放置一个装有水银的玻璃器皿,器皿中心D和边缘C分别固定一个圆柱形电极和一个圆环形电极,两电极间水银的等效电阻为 R1=1.0 Ω。在左边的供电电路中接入一个磁流体发电机,间距为d=0.01 m 的平行金属板A、B之间有一磁感应强度为B=0.01 T的匀强磁场,将一束等离子体以v=1.5×105 m/s的水平速度喷入磁场。已知磁流体发电机等效内阻为R2=3.0 Ω,定值电阻R0=2.0 Ω,电压表为理想电表。闭合开关S0,水银流速趋于稳定时,电压表示数U=10.0 V。求: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (1)水银旋转方向(俯视);(5分) 答案: (1)顺时针方向 【解析】(1)等离子体进入磁场后,根据左手定则可知,正离子向下偏,即向B极板偏,负离子向上偏,即向A极板偏,所以B板带正电,A板带负电。电流通过水银的方向是从中心到边缘,器皿所在处的磁场方向竖直向上,由左手定则可知水银旋转方向为顺时针方向。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (2)磁流体发电机的效率;(7分) 答案: (2)80% 【解析】(2)对磁流体发电机,离子束稳定时受力平衡,有q=qvB,解得E=15 V 由闭合电路欧姆定律可得U=E-I(R0+R2) 解得I=1 A 磁流体发电机的效率η=×100% 解得η=80% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (3)水银旋转的机械功率。(4分) 答案:(3)9 W 【解析】(3)由能量守恒定律可得,水银旋转的机械功率 P=EI-I2(R1+R0+R2) 解得P=9 W。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 $