专题提升 洛伦兹力与现代科技 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理单元复习课件系统梳理了洛伦兹力在现代科技中的应用，涵盖速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理。通过知识归纳构建原理框架，结合典例剖析深化理解，辅以对点演练巩固应用，形成“原理-推导-应用”的逻辑链条，帮助学生建立完整知识网络。 其亮点在于注重理论与实际结合，以科学思维中的模型建构和科学推理为核心，如电磁流量计通过平衡条件推导流量公式，磁流体发电机结合闭合电路欧姆定律分析电路。分层设计的随堂检测（基础题到综合题）满足个性化复习需求，既提升学生解决实际问题的能力，也为教师提供系统的复习教学支持。

第一章　安培力与洛伦兹力 专题提升　洛伦兹力与现代科技 学习目标 1.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。(科学思维) 2.学会应用仪器的工作原理解决实际问题。(科学态度与责任) 重难探究·能力素养全提升 探究点一　速度选择器 知识归纳 速度选择器是近代物理学研究中常用的一种实验工具,其功能是可以选择某种速度的带电粒子。 (1)原理:如图所示,带正电粒子所受重力可忽略不计,粒子 在两板间同时受到静电力和洛伦兹力,只有当二力平衡时, 粒子才不发生偏转,沿直线从两板间穿过。 (2)速度选择:由qE=qvB得v=,只有满足速度v=的粒子才能做匀速直线运动。 (3)特点:速度选择器只选择速度(大小、方向)而不选择粒子的质量和电荷量,若粒子从另一方向入射则不能做匀速直线运动。 典例剖析 BD 【例题1】 (多选)如图所示,平行金属板间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场强度大小为E、方向竖直向下,磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里。一个不计重力的带电粒子从左端以速度v沿极板中线水平射入,恰好做直线运动。则(　　) A.该粒子一定带正电 B.该粒子速度v= C.若仅增大该粒子的速度,粒子一定向上偏离中线 D.若仅增大该粒子的电荷量,粒子仍沿中线做直线运动 解析 无论粒子带正电还是带负电,所受静电力与洛伦兹力方向均相反,合力可以为0,A错误;根据qvB=qE得v=,B正确;仅增大粒子速度,则洛伦兹力大于静电力,若粒子带正电,则向上偏离中线,若粒子带负电,则向下偏离中线,C错误;由B选项可知,粒子所受合力与电荷量无关,增大该粒子的电荷量,粒子仍沿中线做直线运动,D正确。 探究点二　磁流体发电机 知识归纳 磁流体发电是一种新型的高效发电方式。用燃料(石油、天然气、煤、核能等)直接加热工作介质,使之在高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动。离子流中的正负离子分别在磁场中发生偏转,到达相应电极并将自身所带的电荷传递给电极,即达成了发电的目的。 (1)原理图: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。 (2)电动势的大小:设带电粒子的运动速度为v,所带电荷量为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。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。 (3)电源的正负极:根据左手定则可判断,正离子向P极板偏转,P极板积聚正离子,电势高,为发电机正极,Q极板积聚负离子,电势低,为发电机负极。 典例剖析 【例题2】 磁流体发电机的原理如图所示,燃烧室在3 000 K的高温下将气体全部电离成高温等离子体。等离子体经喷管提速后以速度v进入矩形发电通道,发电通道中有垂直于喷射速度方向的匀强磁场。已知磁感应强度大小为B,发电通道长为l、宽为b、高为a,高温等离子体的电阻率为ρ,外部电路连接一阻值为R的电阻,导线电阻不计。当开关S闭合后,下列说法正确的是(　　) A.外部电路中的电流方向为N→M B.内部电路中等离子体的电阻为ρ C.外部电路中的电流为 D.发电机的输出功率为R D 解析 由左手定则可知,进入磁场的正离子向上偏转,负离子向下偏转,通道上板带正电,下板带负电,外部电路中的电流方向为M→N,A错误;设通道上、下两板间的电势差为U,由qvB=q,得U=Bva,通道内部电流由下表面流向上表面,则等离子体的电阻r=,故外部电路中的电流为I=,B、C错误;发电机的输出功率P=I2R=R,D正确。 方法技巧　分析磁流体发电机问题时,一定弄明白磁流体发电机是电源,分清哪是内电路,哪是外电路,结合闭合电路欧姆定律的知识进行分析。 对点演练 B 1.(2025四川绵阳高二期末)如图所示,两平行金属板A、B与电阻R相连,金属板间有一匀强磁场。现将一束等离子体(含有大量等量正、负离子)沿垂直于磁场方向喷入,下列说法正确的是(　　) A.A极板的电势高于B极板 B.R中有从b到a的电流 C.若只增大磁感应强度,R两端电压减小 D.若只增大两极板间距,R中电流不变 解析 将等离子沿垂直于磁场方向喷入,由左手定则可知正离子受洛伦兹力向下运动,则正离子打在下极板B上,极板B带正电,负离子打在上极板A上,极板A带负电,因此A极板的电势低于B极板,可知R中有从b到a的电流,故A错误,B正确;A极板带负电,B极板带正电,A、B两板间产生电场,则正负离子受电场力作用,当离子所受洛伦兹力与电场力大小相等时,离子运动趋于稳定,两极板间的电势差达到最大值U,则有qvB=q,可得U=Bdv,可知若只增大磁感应强度,R两端电压增大,由闭合电路欧姆定律可得I=,可知若只增大两极板间距,R中电流增大,故C、D错误。 探究点三　电磁流量计 知识归纳 电磁流量计是20世纪50至60年代随着电子技术的发展而迅速兴起的新型流量测量仪表。它基于法拉第电磁感应原理,当导电流体在磁场中流动时,会在垂直于磁场和流动方向的方向上感生出电动势,电磁流量计通过检测这一电动势,并结合已知的磁感应强度和管道截面积,实现对导电流体流量的精准测量。 (1)原理图:图甲、乙是电磁流量计的示意图。 (2)原理:设管的直径为D,磁感应强度为B,a、b两点间的电势差是导电液体中的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=。 典例剖析 【例题3】 某实验室中有一种污水流量计,其原理可以简化为如图所示模型:污水内含有大量正负离子,从直径为d的圆柱形容器右侧流入,左侧流出,流量Q等于单位时间内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B的匀强磁场,下列说法正确的是(　　) A.改变污水的流速,MN两点间的电压不会发生变化 B.当污水中离子浓度升高时,MN两点间的电场强度将 增大 C.仅改变污水的流速,圆柱形容器左侧流出的流量Q不会发生变化 D.只需要测量磁感应强度B、直径d及MN两点间的电压U,就能够推算污水的流量 D 解析 当污水流量计中的流量稳定时污水中的离子在圆柱中做匀速直线运动,离子所受的静电力和洛伦兹力平衡,即q=qvB,解得U=Bvd,由以上结果可知,污水中离子浓度对MN两点间的电压无影响,对MN两点间的电场强度也没有影响,污水流速v改变时,MN两点间的电压U也改变,故A、B错误;流量Q等于单位时间内通过横截面的液体的体积,即Q==Sv=,所以改变污水的流速,流量会发生变化,测量磁感应强度B、直径d及MN两点间的电压U的值能推算污水的流量,故C错误,D正确。 对点演练 2.(多选)(2025山东淄博高二期末)需要无损测量有污染废弃导电液体的流量时常用到电磁流量计,如图甲所示。其原理可以简化为如图乙所示模型:液体从管右侧流入、左侧流出,流量值Q等于单位时间通过横截面的液体的体积。已知管的截面是直径为d的圆,匀强磁场垂直于纸面向外,磁感应强度为B,管中各处液体的流速相同,管壁上M、N两点的电势差为U,下列说法正确的是(　　) A.M点的电势高于N点的电势 B.液体的流速v= C.电磁流量计也可以用于测量不导电液体的流速 D.液体流量Q= AD 解析 根据左手定则可知正电荷向M点一侧聚集,负电荷向N点一侧聚集,则M点的电势高于N点的电势,故A正确;稳定后,带电粒子所受电场力大小等于洛伦兹力,有q=qvB,可得v=,故B错误;不导电的液体里面没有带电粒子,所以电磁流量计不可以用于测量不导电的液体的流速,故C错误;液体流量Q=Sv=π·,故D正确。 探究点四　霍尔元件 知识归纳 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。它可以检测磁场及其变化,广泛应用于各种需要磁场测量的场合。 1.霍尔效应的定义: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.霍尔效应中电势高低的判断: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。 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。 典例剖析 【例题4】 如图所示,磁性皮套结合霍尔元件可以对手机屏幕起到控制作用,打开皮套时磁体远离霍尔元件,手机屏幕变亮;合上皮套时磁体靠近霍尔元件,屏幕熄灭。一块宽度为d、长度为l、厚度为h③的矩形半导体霍尔元件,通入方向向右、大小为I的电流①,手机套合上时,元件处于垂直于上表面向上且磁感应强度大小为B的匀强磁场中②,元件的前、后表面产生稳定电势差U③,已知元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子①。下列说法正确的是(　　) A.元件前表面的电势高于后表面的电势 B.仅增大霍尔元件的厚度h,则元件的前、 后表面间电势差U会减小 C.自由电子所受静电力的大小为 D.元件单位体积内的自由电子个数为 B 解析 根据左手定则,电子受洛伦兹力偏向前表面,则元件前表面的电势低于后表面的电势,选项A错误;根据e=evB,则U=dvB,而I=nedhv,可得U=,可知仅增大霍尔元件的厚度h,则元件的前、后表面间电势差U会减小,选项B正确;自由电子所受静电力的大小为F=,选项C错误;根据U=,可得元件单位体积内的自由电子个数为n=,选项D错误。 教你析题 读取题干 获取信息 ① 电子定向移动的方向向左 ② 电子受洛伦兹力的方向向外 ③ 前后两表面之间的电场强度 教你破题 获取题干 关键信息 分析电势高低:根据左手定则判断电子在洛伦兹力作用下偏转的方向 分析电压大小的决定因素:电子不发生偏转时,两极的电压达到稳定,此时电子受静电力和洛伦兹力平衡,由平衡条件可求出电压大小和电子定向移动速度的关系 电压与电流的关系:根据电压与速度的关系和电流的微观决定式,将速度消掉得到电压与电流的关系式 变形得自由电子个数与电压和电流的关系式 对点演练 3.(2025山东聊城高二期末)如图所示,水平放置的铜质导电板置于匀强磁场中。通入沿AB方向的电流I时,测得C、D两端的电压为U(C点的电势高于D点)。已知铜质导电板的厚度为d、垂直于I方向的横截面积为S,单位体积内的自由电子数为n,电子的电荷量大小为e。则该处的磁感应强度的大小和方向可能是(　　) A.,垂直于纸面向外 B.,垂直于纸面向外 C.,垂直于纸面向里 D.,垂直于纸面向里 A 解析 根据题意可知电子向下偏转,根据左手定则可知磁感应强度的方向为垂直于纸面向外,稳定时,电子所受电场力大小等于洛伦兹力,即e=evB,又I=neSv,联立可得B=,故选A。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.(电磁流量计)(2025福建三明高二期末)电磁流量计常用来测量导电流体的流量Q(单位时间内流过管道横截面的液体体积)。如图甲所示,在排污管a处安装一电磁流量计,排污管a处和b处的管道直径分别为100 mm和200 mm。当导电污水流过竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场时,a处管壁M、N两点间的电势差为U,如图乙所示。污水流量为280 m3/ h时,通过a处污水速度约为10 m/s;若流量为70 m3/h时,则(　　) A.M点电势高于N点电势 B.b处流量约为140 m3/h C.通过b处的污水速度约为2.5 m/s D.U与B之比约为0.25 m2/s D 4 1 2 3 解析 根据左手定则可知,正电荷进入竖直向下的磁场区域时会向右偏转,负电荷向左偏转,所以M点电势始终低于N点电势,故A错误;当流量为Q2=70 m3/h时,因管内的污水流速稳定,即管道中各处的流量均为70 m3/h,故B错误;b处的管道直径为d2=200 mm,由流量为Q2=·vb,可得通过b处的污水速度约为vb==0.62 m/s,故C错误;流量为70 m3/h时,a处的流量计内污水的速度约为va==2.5 m/s,当粒子在电磁流量计中受力平衡时,有q=qv1B,可得=v1d1=0.25 m2/s,故D正确。 4 1 2 3 2.(速度选择器)(多选)速度选择器如图所示,电场强度为E的匀强电场与磁感应强度为B的匀强磁场互相垂直。一电荷量为+q、质量为m的粒子(不计重力)以速度v水平向右射入,粒子恰好沿直线穿过,则下列说法正确的是 (　　) A.若带电粒子带的电荷量为+2q,粒子将向下偏转 B.若带电粒子带的电荷量为-2q,粒子仍能沿直线穿过 C.若带电粒子速度为2v,且粒子不与极板相碰,则从右 侧射出时电势能一定增加 D.若带电粒子从右侧水平射入,粒子仍能沿直线穿过 BC 4 1 2 3 解析 粒子恰好沿直线穿过,静电力和洛伦兹力均垂直于速度,合力为0,粒子做匀速直线运动;根据平衡条件,有qvB=qE,解得v=,只要粒子速度为,就能沿直线匀速通过选择器;若带电粒子带的电荷量为+2q,速度不变,仍然沿直线匀速通过选择器,故A错误。若带电粒子带的电荷量为-2q,只要粒子速度为,静电力与洛伦兹力仍然平衡,仍然沿直线匀速通过选择器,故B正确。若带电粒子速度为2v,静电力不变,洛伦兹力变为原来的2倍,故会偏转,克服静电力做功,电势能增加,故C正确。若带电粒子从右侧水平射入,静电力方向不变,洛伦兹力方向反向,故粒子一定偏转,故D错误。 4 1 2 3 3.(霍尔元件)(多选)(2025福建福州高二期末)共享电动单车大大方便了市民出行,骑行者通过拧动手把来改变车速,手把内部结构如图甲所示,其截面如图乙所示。稍微拧动手把,霍尔元件保持不动,磁铁随手把转动,与霍尔元件间的相对位置发生改变,穿过霍尔元件的磁场强弱和霍尔电压大小随之变化。已知霍尔电压越大,电动车能达到的最大速度vm越大,霍尔元件工作时通有如图乙所示的电流I,载流子为电子,则(　　) A.霍尔元件下表面电势高于上表面 B.霍尔元件下表面电势低于上表面 C.从图乙所示位置沿ω方向稍微拧动手把, 可以增大vm D.提速过程,洛伦兹力对运动电子做正功 AC 4 1 2 3 解析 霍尔元件工作时载流子为电子,由左手定则可知电子所受洛伦兹力指向上表面,所以霍尔元件下表面电势高于上表面,故A正确,B错误;设霍尔元件上、下表面的距离为d,可得evB=e,解得UH=Bdv,依题意vm∝UH,从图乙所示位置沿ω方向稍微拧动手把,则穿过霍尔元件的磁场增强,vm增大,故C正确;磁场对电子的洛伦兹力在任何情况下都不做功,故D错误。 4 1 2 3 4.(磁流体发电机)磁流体发电机原理如图所示,等离子体高速喷射到加有强磁场的管道内,正、负离子在洛伦兹力作用下分别向P、Q两金属板偏转,形成直流电源对外供电。则(　　) A.仅减小负载的阻值,发电机两端的电压增大 B.仅增强磁感应强度,发电机两端的电压减小 C.仅增大两板间的距离,发电机的电动势减小 D.仅增大等离子体的喷射速度,发电机的电动势增大 D 4 解析 在磁流体发电机中,离子最终所受静电力与洛伦兹力平衡,设发电机的电动势为E,两金属板间的距离为d,由平衡条件有qvB=q,解得发电机的电动势为E=Bvd,仅增大两板间的距离,发电机的电动势增大;仅增大等离子体的喷射速度,发电机的电动势增大;故C错误,D正确。根据闭合电路欧姆定律,可得发电机两端的电压为U=E=Bvd,可知仅减小负载的阻值,发电机两端的电压减小;仅增强磁感应强度,发电机两端的电压增大,故A、B错误。 1 2 3 4 $