2026届高考物理一轮复习课件：11.4　洛伦兹力与现代科技

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（比荷计算）、回旋加速器（最大动能与交流电频率）、叠加场应用（速度选择器等）核心考点，对接高考评价体系，分析高频考点权重，归纳计算与选择常考题型，体现备考针对性。 课件亮点在于融入2021福建卷、2024湖北卷等高考真题，通过典例解析突破质谱仪比荷推导、回旋加速器周期匹配等考点，培养模型建构与科学推理的科学思维素养，帮助学生掌握解题技巧，教师可据此精准指导高效复习。

第十一章 磁场 第4讲 洛伦兹力与现代科技 1.理解质谱仪的工作原理，会计算粒子的比荷。 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。 3.理解电场与磁场及其叠加场的科技应用实例的原理。 第4讲 洛伦兹力与现代科技 　 【目标要求】 02 01 目录 CONTENTS 03 04 质谱仪 回旋加速器 电场与磁场叠加的应用实例分析 第4讲 洛伦兹力与现代科技 3 主题一、质谱仪 1.作用 测量带电粒子的质量和分离同位素。 2.原理(如图所示) (1)加速电场：qU＝_______； (2)偏转磁场：qvB＝_____，l＝2r； 由以上式子可得r＝_________，m＝______，_____。 一、质谱仪 mv2 【典例1】如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l。不计重力影响和离子间的相互作用。求：(1)磁场的磁感应强度大小；(2)甲、乙两种离子的比荷之比。 一、质谱仪 解:(1) (2) 甲种离子 q1U＝m1v12 得:r1＝ ＝ q1v1B＝m1 得:B＝ ＝ r＝ ＝ = = = = ∶＝ r22:r12 =1:4 主题二、回旋加速器 二、回旋加速器 1.构造 如图所示，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源。 2.原理 交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙就被加速一次。 + - + B + - u t T 思考：带电粒子加速后速度增大,下一个周期需要改变吗? 二、回旋加速器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 R 思考：试求带电粒子在电场中和磁场中运行的总时间？ Vm 电场中的时间可以忽略不计 二、回旋加速器 R at电 Vm= 得:t电= t磁= n次 3.最大动能 由qvmB＝、Ekm＝m得Ekm＝_______， 粒子获得的最大动能由 和 决定，与加速电压 。 4.运动时间的计算 (1)粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n＝，粒子在磁场中运动的总时间t1＝T＝·______。 磁感应强度B 盒半径R 无关 二、回旋加速器 (2)粒子在各狭缝中的运动连在一起为匀加速直线运动，运动时间为t2＝______。(缝隙宽度为d) (3)粒子运动的总时间t＝t1＋t2＝____________。 【典例2】1932年，劳伦斯和利文斯顿设计出了回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子，质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，加速电压为U。不计粒子的重力，加速过程中不考虑相对论效应。(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比；(2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t；(3)实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一回旋加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm，试讨论粒子能获得的最大动能Ekm。 二、回旋加速器 解:(1) 甲种离子 qU＝m 得r1 qv1B＝m 同理r2＝ 则r2∶r1＝∶1 (2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t；(3)实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一回旋加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm，试讨论粒子能获得的最大动能Ekm。 二、回旋加速器 (2) 设粒子到出口处被加速了n圈 2nqU＝mvm2 R t＝n ＝ (3) 加速电场的频率应等于粒子在磁场中做圆周运动的频率， 若加速电场的频率fm Ekm＝mvm2 即f＝ 磁感应强度可以取最大值Bm R 若加速电场的频率fm 磁感应强度不可以取最大值Bm 即fm＝ Ekm＝ 2π2mR2 主题三、电场与磁场叠加的应用实例分析 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 1.速度选择器 (1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直。(如图) (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是_____________________即 ，v＝____。 洛伦兹力与静电力平衡 qvB＝qE (3)速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量。 (4)速度选择器具有单向性，改变粒子的入射速度方向，不能实现速度选择功能。 2.磁流体发电机 (1)原理：如图所示，等离子体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在B、A板上，产生电势差，它可以把离子的 通过磁场转化为 。 (2)电源正、负极判断：根据左手定则可判 断出图中的 板是发电机的正极。 (3)发电机的电动势：当发电机外电路断路时， 正、负离子所受 平衡时，两极板间达到的最大电势差为U，则q＝qvB，得U＝ ，则电动势E＝U＝ 。 (4)内阻r：若等离子体的电阻率为ρ，则发电机的内阻r＝ρ。 动能 电能 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 静电力和洛伦兹力 Bdv Bdv B 3.电磁流量计 (1)流量(Q)：单位时间流过导管某一截面的 导电液体的体积。 (2)导电液体的流速(v)的计算 : 如图所示，一圆柱形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向右流动。导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下发生偏转，使a、b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、b间的电势差(U)达到最大，由q＝qvB，可得v＝。 (3)流量的表达式：Q＝Sv＝·。 (4)电势高低的判断：根据左手定则可得φa>φb。 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 B I h L d B I h L d + + + + - - - - - v + + + + - - - - V 当qvB＝qE 得:U＝Bdv 4.霍尔元件 I＝nqvs V 注意:①φ的高低跟载流子有关， + v 思考：若载流子里既有正离子也有负离子，哪个面的电势高？ + v 若载流子为正负离子，则UH=0 ＝q UH＝ ②UH跟B方向上的距离成反比，跟BI成正比 ＝ ③ 叫霍尔系数，由材料决定 当qvB＝qE 得:U＝Bdv 4.霍尔元件 I＝nqvs 注意:①φ的高低跟载流子有关， 思考：若载流子里既有正离子也有负离子，哪个面的电势高？ 若载流子为正负离子，则UH=0 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 ＝q UH＝ ②UH跟B方向上的距离成反比，跟BI成正比 ＝ ③ 叫霍尔系数，由材料决定 I h L d - v - - - - V + + + + B UH＝ 4.霍尔元件 (1)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 和 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)电势高低的判断：如图，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 ；若自由电荷是正电荷，则下表面A'的电势 。 (3)霍尔电压：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。 上表面A 下表面A' 高 低 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 【思考与讨论】想一想这四种科研装置，在应用中有什么共同特点？ 答案　这四种装置的共同特点：带电粒子在叠加场中受到的静电力和洛伦兹力平衡时(即qvB＝qE 或qvB＝q)，带电粒子做匀速直线运动。 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 【典例3】 (2021·福建卷·2)一对平行金属板中存在匀强电场和匀强磁场，其中电场的方向与金属板垂直，磁场的方向与金属板平行且垂直纸面向里，如图所示。一质子(H)以速度v0自O点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动。下列粒子分别自O点沿中轴线射入，能够做匀速直线运动的是(所有粒子均不考虑重力的影响)( ) A.以速度射入的正电子(e) B.以速度v0射入的电子(e) C.以速度2v0射入的氘核(H) D.以速度4v0射入的α粒子(He) B 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 【典例4】 (多选)(2024·湖北卷·9)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 AC 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 【典例5】医院需要用到血液流量计检查患者身体情况。某种电磁血液流量计的原理可简化为如图所示模型。血液内含有少量正、负离子，从直径为d的血管右侧流入，左侧流出，空间有垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场，M、N两点之间的电压稳定时测量值为U，流量Q等于单位时间通过血管某横截面的液体的体积。下列说法正确的是( ) A.离子所受洛伦兹力方向一定竖直向下 B.M点的电势一定高于N点的电势 C.血液流量Q＝ D.电压稳定时，正、负离子不再受洛伦兹力 C 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 qBv＝q v＝ Q＝Sv ＝π()2v ＝ 【典例6】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 D 三、电场与磁场叠加的应用实例分析 【练习1】磁流体发电机的发电原理如图所示：将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的离子，而从整体来说呈电中性)沿图示方向以速度v喷射入磁场，磁感应强度为B，磁场中有两块金属板A、B(A板在上，B板在下，且正对)，板间距为d，这时金属板上就聚集了电荷。不计A、B板间内阻，下列说法正确的是( ) A.A板带正电 B.有电流从a经用电器流向b C.等离子体发生偏转的原因是离子所受静电力大于所受洛伦兹力 D.金属板A、B间的最大电势差为Bvd D 课堂练习 26 【练习2】如图所示，两平行金属板之间有竖直向下的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场，一带负电的粒子(所受重力不计)以速度v0水平向右飞入两板之间，恰能沿直线飞出。下列判断正确的是( ) A.粒子一定做匀速直线运动 B.若只增大粒子速度v0，则其运动轨迹仍是直线 C.若只增加粒子的电荷量，则其运动轨迹将向上偏转 D.若粒子以速度v0从右向左水平飞入，则其运动轨迹是抛物线 A 课堂练习 【练习3】(2023·广东卷·5)某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为(忽略相对论效应，1 eV＝1.6×10－19 J)( ) A.3.6×106 m/s B.1.2×107 m/s C.5.4×107 m/s D.2.4×108 m/s C 课堂练习 【练习4】(多选)为了测量某化肥厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧面固定有金属板作为电极，含有正、负离子的污水充满流量计管道，并以稳定的速度从左向右流过该装置，用电压表测出两个电极间的电压为U，用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法正确的是( ) A.污水中的离子浓度越高，电压表的示数就会越大 B.应该把电压表的正极连接在后内侧面金属板上 C.若污水的流速很小，则可以减弱磁场以增大电压表的示数 D.若电压表示数增加到两倍，则反映出污水的流量达到了两倍 BD 课堂练习 【练习5】笔记本电脑机身和显示屏分别装有霍尔元件和磁体，实现开屏变亮，合屏熄灭。图乙为一块利用自由电子导电，长、宽、高分别为a、b、c的霍尔元件，电流方向向右，打开和合上显示屏时，霍尔元件中电流保持不变。当合上显示屏时，水平放置的元件处于竖直向下的匀强磁场中，元件前、后表面间产生电压，当电压达到某一临界值时，屏幕自动熄灭。则元件的( ) A.合屏过程中，前表面的电势比后表面的低 B.开屏过程中，元件前、后表面间的电压变大 C.若磁场变强，可能出现闭合屏幕时无法熄屏 D.开、合屏过程中，前、后表面间的电压U与b无关 D 课堂练习 【练习6】如图所示，在容器A中有同一种元素的两种同位素正粒子，它们的初速度几乎为0，粒子可从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后第一种同位素粒子打到照相底片D上的M点，第二种同位素粒子打到照相底片D上的N点。不计同位素粒子的重力及粒子间的相互作用。量出M点、N点到S3的距离分别为x1、x2，则第一种与第二种同位素粒子在磁场中运动的时间之比为( ) A. B. C. D. C 课堂练习 【练习7】(2023·福建卷·14)阿斯顿(F.Aston)借助自己发明的质谱仪发现了氖等元素的同位素而获得诺贝尔奖，质谱仪分析同位素简化的工作原理如图所示。在PP'上方存在一垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。两个氖离子在O处以相同速度v垂直磁场边界入射，在磁场中发生偏转，分别落在M和N处。已知某次实验中，v＝9.6×104 m/s，B＝0.1 T，落在M处氖离子比荷(电荷量和质量之比)为4.8×106 C/kg；P、O、M、N、P'在同一直线上；离子重力不计。(1)求OM的长度；(2)若ON的长度是OM的1.1倍，求落在N处氖离子的比荷。 课堂练习 解:(1) qvB＝m 得r＝ m＝0.2 m OM＝2r＝0.4 m (2) q'vB＝m' 得 ≈4.4×106 C/kg 【练习8】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电场强度大小恒定，且被限制在AC板间，虚线中间不需加电场，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是( ) A.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关 B.带电粒子每运动一周被加速一次 C.带电粒子每运动一周P1P2等于P2P3 D.加速电场方向需要做周期性的变化 B 课堂练习 r＝ P1P2＝2(r2－r1) ＝ P2P3＝2(r3－r2) ＝ Δv＝at t越来越小 A.回旋加速器中所加磁场的磁感应强度B＝ B.质子从D形盒的边缘射出时的速度为 C.在其他条件不变的情况下，仅增大U0，可以增大质子从边缘射出的速度 D.在所接交流电源不变的情况下，若用该装置加速H(氚核)，需要增大 所加磁场的磁感应强度 【练习9】回旋加速器的工作原理如图甲所示，D1和D2是两个相同的中空半圆金属盒，金属盒的半径为R，它们之间接如图乙所示的交流电源，图中U0、T0已知，两个D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。将一质子H)从D1金属盒的圆心处由静止释放，质子经过加速后最终从D形盒的边缘射出。已知质子的质量为m，电荷量为q，不计电场中的加速时间，且不考虑相对论效应。下列说法正确的是( ) 课堂练习 D 【练习10】人体血管状况及血液流速可以反映身体健康状态。血管中的血液通常含有大量的正负离子。如图，血管内径为d，血流速度v方向水平向右。现将方向与血管横截面平行，且垂直纸面向内的匀强磁场施于某段血管，其磁感应强度大小恒为B，当血液的流量(单位时间内流过管道横截面的液体体积)一定时( ) A.血管上侧电势低，血管下侧电势高 B.若血管内径变小，则血液流速变小 C.血管上下侧电势差与血液流速无关 D.血管上下侧电势差变大，说明血管内径变小 D 课堂练习 JIESU END $