专题提升 洛伦兹力的应用实例 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦洛伦兹力的应用实例，涵盖速度选择器、磁流体发电机等四大装置。通过导学探究问题引导学生分析粒子运动，衔接电场力与洛伦兹力平衡知识，搭建从原理到应用的学习支架。 其亮点在于以“问题驱动-模型建构-典例演练”为主线，融入科学思维与科学探究。如推导速度选择器速率条件培养科学推理，分析电磁流量计电势差提升模型建构能力。学生能深化物理观念，教师可直接利用探究活动与检测题优化教学。

第1章　安培力与洛伦兹力 专题提升　洛伦兹力的应用实例 重难探究·能力素养全提升 探究点一　速度选择器 导学探究 如图所示为速度选择器的原理示意图,它由两块平行金属板构成。工作时在两板上加一定电压,使两板间形成电场,同时在两板间垂直于电场方向上加一匀强磁场。带电粒子(不计粒子重力)以不同速率从左侧射入场区,在电场和磁场的作用下,只有具有一定速率的粒子才能沿直线通过场区。因此,该装置能够选择具有特定速度的粒子。 (1)试分析沿直线通过速度选择器的粒子的运动性质、速率。 (2)若粒子的电性、电荷量发生变化,但仍能沿直线通过场区,其速率为多大? (3)从左侧射入能通过场区的粒子,若从右侧以相同的速率射入能否通过场区? (3)不能。 知识归纳 1.装置要求 如图两极板间存在方向互相垂直匀强电场和匀强磁场,不计粒子重力。 2.通过条件 带电粒子能够沿直线通过速度选择器的条件是所受静电力与洛伦兹力平衡,即qE=qvB,进而可得速度条件是v= 。 3.选择特点 (1)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。 若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。 若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。 (2)只能单向选择,如上图中粒子从右侧进入会受到相同方向的静电力和洛伦兹力而打到板上。 　只准粒子从确定方向通过 典例剖析 【例题1】　如图所示,在两水平极板间存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向下,磁场方向垂直于纸面向里,一带电粒子以某一速度沿水平直线通过两极板。若不计重力,下列四个物理量中哪一个改变时,粒子运动轨迹不会改变(　　) A.粒子速度的大小 B.粒子所带的电荷量 C.电场强度 D.磁感应强度 B 解析 带电粒子在电场和磁场中做匀速直线运动,由平衡条件知qE=qvB,可以看出,带电粒子在电场和磁场中运动时,电场强度、磁感应强度以及带电粒子速度的大小均能影响粒子的运动轨迹,而粒子所带的电荷量不影响运动轨迹,选项A、C、D不符合要求,选项B符合要求。 对点演练1 (多选)一个带正电荷的微粒(重力不计)穿过如图所示的匀强电场和匀强磁场区域时,恰能沿直线运动,则下列说法正确的是(　 　) A.若仅减小入射速度,微粒进入该区域后将向下偏转 B.若仅减小电场强度,微粒穿过该区域后动能将减小 C.若增大磁感应强度,而要使微粒依然能沿直线运动, 必须增大微粒的入射速度 D.若仅将微粒所带的电荷变为负电荷,微粒依然能沿直线运动 ABD 解析 若仅减小入射速度,则向上的洛伦兹力减小,静电力不变,合力向下,微粒向下偏转,A正确;减小电场强度,则静电力减小,洛伦兹力不变,合力向上,微粒向上偏转,静电力做负功,洛伦兹力不做功,微粒穿过该区域后动能将减小,B正确;若增大磁感应强度,则向上的洛伦兹力增加,静电力不变,而要使微粒依然能沿直线运动,则必须减小微粒的入射速度,C错误;若仅将微粒所带的电荷变为负电荷,则微粒所受洛伦兹力方向向下,静电力方向向上,它们的合力仍为0,微粒依然能沿直线运动,D正确。 探究点二　磁流体发电机 导学探究 磁流体发电机是利用磁场偏转作用发电的。如图所示,A、B是两块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,产生大量的等量异种电荷的粒子)射入磁场,A、B两板之间便产生电压。如果把A、B与用电器连接,A、B就是一个直流电源的两个电极。请思考: (1)图中A、B板哪一个是电源的正极? (2)若A、B两极板相距d,板间的磁场按照匀强磁场 处理,磁感应强度为B,等离子体以速度v沿垂直于B 的方向射入磁场,这个发电机的电动势是多大? 要点提示 (1)带正电的离子在洛伦兹力作用下偏转到B板并积累,B板为正极。(2)当离子所受静电力和洛伦兹力相等时,A、B之间的电压恒定为U,有qvB=qE= ,得U=Bdv,E源=U=Bdv。 知识归纳 1.磁流体发电机的原理 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.磁流体发电机的电动势 (1)推导:设带电粒子的运动速度为v,带电荷量为q,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源=U=Bdv。 (2)结论:E源=Bdv。 等效为长度为d的导体棒切割磁感线 3.能量转化 物体内能直接转化为电能的低碳环保发电机。 典例剖析 【例题2】　磁流体发电的原理如图所示,将一束速度为v的等离子体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,若稳定时等离子体在两板间均匀分布,电阻率为ρ,忽略边缘效应,下列判断正确的是(　　) C 对点演练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 C 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,上板带正电,下板带负电,电流方向为M→N,A错误;设上下两板间的电势差为U, 探究点三　电磁流量计 导学探究 电磁流量计是测量导电液体流量的一种仪器。如图所示,当导电液体沿测量管运动时,液体中的正、负离子在洛伦兹力作用下偏转,左右管壁电极间出现电势差。当正、负离子所受静电力与洛伦兹力平衡时,电势差就会保持稳定。因此,通过测量左右管壁电极间的电势差,即可间接确定管中导电液体的流量。请思考: (1)图中左、右管壁中,哪一个的电势高? (2)若管的直径为D,磁感应强度为B,导电液体的 流速为v,则导电液体的流量Q和左右管壁电极间 电势差U有何关系? 电磁流量计原理示意图 要点提示 (1)根据左手定则,导电液中的正离子受到指向右管壁的洛伦兹力作用,其在右管壁积累,因此右管壁电势高。(2)左右管壁间的电势差是由于导电液体中电荷受到洛伦兹力作用,在管壁的左、右两侧堆积产生的。到一定程度后,左、右两侧间的电势差达到稳定值U,左、右两侧堆积的电 知识归纳 1.电磁流量计的原理示意图 2.流量的测量 (1)理论证明: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 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:废液内含有大量正、负离子,从直径为d的圆柱形容器右侧流入,左侧流出。流量值 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.带电粒子所受洛伦兹力方向水平向左 B.正、负粒子所受洛伦兹力方向是相同的 C.污水流量计也可以用于测量不带电的液体的流速 D.只需要测量M、N两点电压就能够推算废液的流量 D 解析 根据左手定则可知,正粒子受洛伦兹力的方向向下,负粒子受洛伦兹力的方向向上,故A、B错误;不带电的液体在磁场中流动时,没有正、负离子移动,不能形成电场,M、N两点间没有电势差,因此无法测出流速,故C错 对点演练3 电磁流量计如图甲所示,它利用磁场对电荷的作用测出液体的流量,其原理可以简化为如图乙所示的模型,液体内含有大量正、负离子,在竖直向下的匀强磁场作用下,从容器左侧流入,右侧流出。下列说法正确的是(　　) A.离子受到竖直方向的洛伦兹力 B.带负电的离子与带正电的离子受力方向 相同 C.上、下两侧面有电势差 D.前、后两侧面有电势差 D 解析 带电离子在磁场中运动会受到洛伦兹力作用,根据左手定则判断,带正电的离子受到向后的洛伦兹力作用,带负电的离子受到向前的洛伦兹力作用,从而积聚在前、后两个侧面,形成电势差,故D正确。 探究点四　霍尔效应 导学探究 如图所示,将一导电薄板(导体或半导体)放在垂直于板面的匀强磁场中,当导电薄板中有电流通过时,运动电荷会在洛伦兹力作用下向导电薄板的某一边偏移,由此便在导电薄板两边分别聚集正、负电荷,从而导电薄板两边间产生电压,这种现象称为霍尔效应,产生的电压称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的磁传感器被广泛用于自动控制等领域。 请思考: (1)若导电薄板为金属导体,达到稳定状态时,导体板上、下侧面电势,哪一个较高? (2)若导体厚度为h、宽度为d,磁感应强度为B,导体内自由电子的定向移动平均速率为v,电荷量为e。当导体板上、下两侧面之间的电势差稳定为U时,U与B的关系。 要点提示 (1)金属中的运动电荷是自由电子,电子向左做定向移动,由左手定则知电子所受洛伦兹力的方向向上,故上侧面A聚集电子,下侧面A'聚集正电荷,上侧面的电势低于下侧面的电势。 (2)当电子所受静电力与洛伦兹力大小相等时,导体板上、下两侧面之间的电压达到稳定,此时 ,所以U=Bhv。 知识归纳 1.霍尔效应的原理 导电薄板(导体或半导体)放在垂直于板面(图中y轴)的匀强磁场中,当导电薄板中有电流(x轴)通过时,导电薄板两边(z轴)产生电压。 2.导体板两侧面电势高低的判断 (1)若霍尔元件是金属导体,则参与定向移动形成电流的是电子,偏转的也是电子,此时A'边电势高; (2)若霍尔材料是半导体,参与定向移动形成电流的可能是正“载流子”,偏转的是正电荷,此时A边电势高。 3.霍尔电压 (1)实验结论:当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为 ,式中的比例系数RH称为霍尔系数。即U与B成正比,利用这个规律可以测量磁场。 闪光语录　导体板两侧面电势的高低跟参与定向移动的电荷的正负有关。 典例剖析 【例题4】　(多选)如图所示,导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间,线圈中电流为I,线圈间产生匀强磁场,磁感应强度大小B与I成正比,方向垂直于霍尔元件的两侧面,此时通过霍尔元件的电流为IH,与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足: ,式中k为霍尔系数,d为霍尔元件两侧面间的距离,电阻R远大于RL,霍尔元件的电阻可以忽略,则(　　) A.霍尔元件前表面的电势低于后表面 B.若电源的正负极对调,电压表将反偏 C.IH与I成正比 D.电压表的示数与RL消耗的电功率成正比 CD 解析 根据左手定则可以判断出霍尔元件中的导电物质所受安培力指向后表面,即将向后表面侧移,又由于该导电物质为电子,带负电,因此后表面的电势将低于前表面的电势,故选项A错误;若电源的正负极对调,磁场方向与图示方向相反,同时由电路结构可知,流经霍尔元件上下面的电流也将反向,因此电子的受力方向不变,即前后表面电势高低情况不变,故选项B错误;由 对点演练4 将导体放在沿x方向的匀强磁场中,并通有沿y方向的电流时,在导体的上下两侧面间会出现电势差,此现象称为霍尔效应。利用霍尔效应的原理可以制造磁强计,测量磁场的磁感应强度。磁强计的原理如图所示,电路中有一段金属导体,它的横截面为边长等于a的正方形,放在沿x正方向的匀强磁场中,导体中通有沿y正方向、电流强度为I的电流,已知金属导体单位体积中的自由电子数为n,电子电荷量为e,金属导体导电过程中,自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动,测出导体上下两侧面间的电势差为U。求: (1)导体上、下侧面哪个电势较高? (2)磁场的磁感应强度是多少? 解析 (1)因为电流向右,所以金属中的电子向左运动,根据左手定则可知电子向下侧偏移,下表面带负电荷,上表面带正电荷,所以上侧面电势高。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 4 5 1.如图所示,在两水平金属板构成的器件中,存在着匀强电场与匀强磁场,电场强度E和磁感应强度B相互垂直。以某一水平速度进入的不计重力的带电粒子恰好能沿直线运动,下列说法正确的是(　　) A.粒子一定带负电 B.粒子的速度大小v= C.若粒子速度大小改变,粒子将做曲线运动 D.若粒子速度大小改变,电场对粒子的作用力会发生变化 6 C 1 2 3 4 5 6 解析 粒子做直线运动,说明竖直方向受力平衡,即qvB=qE,可得v= ,选项B错误;当v= 时,无论粒子带正电还是负电,在竖直方向均受力平衡,选项A错误;如果粒子速度大小改变,就会导致洛伦兹力变化,因此粒子将做曲线运动,选项C正确;不管粒子速度怎么变,在匀强电场中,粒子所受静电力不变,选项D错误。 1 2 3 4 5 2.(多选)磁流体发电是一项新兴技术。如图所示,平行金属板之间有一个匀强磁场,将一束含有大量正、负离子的等离子体,沿图中所示方向喷入磁场,图中虚线框部分相当于发电机,把两个极板与用电器相连,则(　 　) A.用电器中的电流方向为从A到B B.用电器中的电流方向为从B到A C.若只增大磁场的磁感应强度,发电机的电动势增大 D.若只增大喷入离子的速度,发电机的电动势增大 6 ACD 1 2 3 4 5 6 解析 首先对等离子体进行动态分析:开始时由左手定则可知正离子所受洛伦兹力方向向上,负离子所受洛伦兹力方向向下,则正离子向上极板聚集,负离子则向下极板聚集,两极板间产生了电势差,即金属板变为电源,且上极板为正极,下极板为负极,所以通过用电器的电流方向为从A到B,故A正确,B错误;此后正离子除受到向上的洛伦兹力F洛外还受到向下的静电力 F电,最终二力达到平衡,即最终等离子体将匀速通过磁场区域,因F洛=qvB, 1 2 3 4 5 6 B 3.(2025北京高三上阶段练习)如图所示,带电粒子(不计重力)在以下四种器件中运动的说法正确的是(　　) A.图甲中从左侧射入的带正电粒子, 若速度满足v>,将向下极板偏转 B.图乙中等离子体进入A、B极板 之间后,A极板电势低于B极板 C.图丙中通过励磁线圈的电流越 大,电子的运动径迹半径越大 D.图丁中只要增大加速电压,粒子 就能获得更大的动能 1 2 3 4 5 6 解析 图甲中带正电的粒子从左侧射入复合场中时,受向下的电场力和向上的洛伦兹力,当两个力平衡时,带电粒子会沿直线射出,当速度v>,即洛伦兹力大于电场力时,粒子将向上极板偏转,故A错误;图乙中等离子体进入A、B极板之间后,受到洛伦兹力作用,由左手定则可知,正离子向B极板偏转,负离子向A极板偏转,因此A极板带负电,B极板带正电,A极板电势低于B极板,故B正确;图丙中,电子的运动由洛伦兹力提供向心力,则有evB=m,解得r=,当电子的速度一定时,通过励磁线圈的电流越大,线圈产生的磁场越强,电子的运动径迹半径越小,故C错误;图丁中,当粒子运动半径等于D形盒半径时具有最大速度,即vm=,粒子的最大动能为Ekm=,可知粒子的最大动能与加速电压无关,故D错误。 1 2 3 4 5 4.(多选)如图所示为磁流体发电机示意图。平行金属板a、b间有一匀强磁场,将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量等量正、负离子)沿垂直于磁场的方向喷入磁场,a、b两板间便产生电压。若磁场的磁感应强度大小为B,每个离子的电荷量为q、速度为v,等效直流电源两极a、b板间距为d,两板间等离子体的等效电阻为r,负载电阻为R,则(　　) A.图中a板是电源的正极 B.稳定时电源的电动势为Bdv D.若增加负载的阻值,发电机的输出功率一定减小 6 BC 1 2 3 4 5 6 解析 根据左手定则,图中a板为电源的负极,A错误;外电路不接电阻稳定时,有qE=qvB,两板间的电动势U=Ed=Bdv,B正确;根据闭合电路欧姆定律,稳定时负载两端的电压 ,C正确;当内阻等于外电阻时发电机的输出功率最大,因不知内阻和外电阻的大小关系,因此当外电阻增加时,发电机的输出功率不一定减小,D错误。 1 2 3 4 5 6 5.如图所示,甲是回旋加速器,乙是磁流体发电机,丙是速度选择器,丁是霍尔元件,下列说法正确的是(　　) 1 2 3 4 5 A.甲图要增大粒子的最大动能,可增加加速电压U B.乙图可判断出A极板是发电机的正极 C.丙图可以判断出带电粒子的电性,粒子能够沿直线匀速通过速度选择器 D.丁图中若载流子带负电,稳定时C板电势高 6 答案 D 1 2 3 4 5 6 可知粒子的最大动能与加速电压U无关,故A错误;根据左手定则,可知题图乙中正电荷向B极板偏转,则B极板是发电机的正极,故B错误;速度选择器选择的是带电粒子的速度,题图丙无法判断出带电粒子的电性,根据qvB=qE,可得粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是v= ,故C错误;根据左手定则可知,题图丁中带负电的载流子受到洛伦兹力方向向右,即向D板偏转,故稳定时C板电势高,D正确。 1 2 3 4 5 6.小明用实验探究自行车测速码表用的霍尔元件中自由电荷的电性。如图所示,设NM方向为x轴,EF方向为y轴,垂直薄片向上为z轴,沿y轴正方向通入恒定电流I,加垂直薄片向下的磁场B,测得沿　　　　(选填“x”或“z”)轴方向会产生霍尔电压,如果自由电荷为负电荷,则　　　　(选填“M”或“N”)板电势高。  6 x M 解析 由左手定则知,带负电的自由电荷向N板偏转,N、M板间,即沿x轴方向产生霍尔电压,M板电势高。 要点提示 (1)匀速直线运动,由qE=qvB,得v=。 (2)v=。 只要粒子的速度v=就能沿直线通过 A.上板为正极,电流I= B.上板为负极,电流I= C.下板为正极,电流I= D.下板为负极,电流I= 解析 根据左手定则可知,正离子在磁场中受到的洛伦兹力方向向下,故下板为正极,设两板间的电压为U,则q=Bqv,得U=Bdv,电流I=,故C正确。 B.回路电流为 C.发电机的输出功率为R D.为维持等离子匀速流动,矩形发电通道左右端的压强差应为Δp= 由qvB=q,得U=Bva,等离子体的电阻r=,则回路中的电流为I=,B错误;发电机的输出功率P=I2R=R,C正确;等离子体受到的安培力F=BIa,矩形通道左右两端的压强差Δp=,D错误。 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=。 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=。 (2)结论:流量Q=Sv=,在流量计结构和磁场确定时,流量与电压成正比。 误;根据静电力和洛伦兹力平衡有qvB=q,根据流量的定义有Q==Sv=πd2v,联立解得Q=,所以只需要测量M、N两点电压就能够推算废液的流量,故D正确。 qvB=q U=RH (2)理论证明:由qvB=q,I=nqvS,S=hd,得U==k,k=称为霍尔系数。 UH= 电路结构可知,RL与R并联后与线圈串联,因此有I=IH,故选项C正确;RL消耗的电功率PL=RL=,显然PL与成正比,又因为磁感应强度大小B与I成正比,即B与IH成正比,电压表的示数UH=k,则UH与成正比,所以UH与RL消耗的电功率PL成正比,故选项D正确。 (2)由于电子做匀速运动,所以电场力与洛伦兹力大小相等,有F电=F洛,即e=Bev,又由电流的微观表达式可知I=neSv=nea2v,联立可得B=。 答案 (1)上侧面电势高　(2)B= F电=q,则qvB=q,解得U=Bdv,所以发电机的电动势与速度及磁感应强度成正比,故C、D正确。 C.稳定时负载两端的电压为Bdv U外=U=Bdv 的条件是v= 解析 题图甲中,根据R=和Ek=mv2可得粒子的最大动能为Ekm=,则 $