第1章 第4节 第1课时 洛伦兹力在现代科技中的应用-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用课件(教科版)

第4节　洛伦兹力的应用 第1课时　洛伦兹力在现代科技中的应用 1．理解质谱仪的工作原理。　2.理解回旋加速器的工作原理。 3．会分析带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动。　 返回导航 课前 知识梳理 1 课堂 深度探究 2 内容 索引 随堂 巩固落实 3 课前 知识梳理 PART 01 第一部分 4 一、利用磁场控制带电粒子运动 带电粒子垂直于磁场方向进入磁场，粒子在洛伦兹力的作用下运动方向偏转，速度大小不变。 课前 知识梳理 返回导航 加速 课前 知识梳理 返回导航 三、回旋加速器 回旋加速器原理：如图甲所示，两D形盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源(如质子、氘核或α粒子源等)。在两D形盒间接上交流电源(其频率的数量级为106Hz)，于是在缝隙里形成一个交变电场。由于电屏蔽效应，在每个D形盒内部的电场很弱，可以忽略。D形盒装在真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强磁场中，磁场的方向垂直于D形盒的底面。 课前 知识梳理 返回导航 半个圆周 所用的时间 课前 知识梳理 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子。(　　) (2)质谱仪是测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。(　　) (3)回旋加速器的半径越大，带电粒子获得的最大动能就越大。(　　) (4)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(　　) × √ √ √ 课前 知识梳理 返回导航 课堂 深度探究 PART 02 第二部分 10 知识点一　速度选择器 1．速度选择器 如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B互相垂直。具有不同水平速度的带电粒子射入该装置中发生偏转的情况不同(本图以带正电粒子为例分析)。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫作速度选择器。 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 4．几点说明 (1)速度选择器两极板间距离极小，粒子稍有偏转就会打到极板上； (2)速度选择器对正、负电荷均适用； (3)速度选择器中的E、B的方向具有确定的关系，改变其中一个方向，就不能对速度做出选择； (4)速度选择器只能单向选择，若图中粒子从右侧进入，则会受到相同方向的电场力和洛伦兹力而打到板上。 课堂 深度探究 返回导航 √ 　如图所示，两个平行金属板M、N间为一个正交的匀强电场和匀强磁场区域，电场方向由M板指向N板，磁场方向垂直于纸面向里，OO′为距离两极板相等且平行于两极板的虚线。一质量为m、电荷量为＋q的带电粒子，以速度v0从O点射入，沿OO′方向匀速通过场区，不计带电粒子所受的重力，则以下说法正确的是(　　) A．电荷量为－q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时， 不能匀速通过场区 B．电荷量为2q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时，不能匀速通过场区 C．保持电场强度和磁感应强度大小不变，方向均与原来相反，则粒子仍能匀速通过场区 D．粒子以速度v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，粒子仍能匀速通过场区 课堂 深度探究 返回导航 当电场方向与磁场方向都与原来相反时，粒子所受电场力和洛伦兹力的方向仍相反，所以粒子以v0从O点沿OO′方向射入时仍能匀速通过场区，C正确； 若粒子以速率v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，则粒子受到竖直向下的电场力与竖直向下的洛伦兹力，不能平衡，因此不能匀速通过场区，D错误。 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　根据左手定则可知，正电离子受到的洛伦兹力指向M板，负电离子受到的洛伦兹力指向N板，可知正电离子向M板偏转，负电离子向N板偏转，故M板的电势高于N板的电势，故A错误； 当电压表的示数稳定时，导电液体中的离子仍受洛伦兹力作用，故D错误。 课堂 深度探究 返回导航 √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　磁场方向竖直向下，由左手定则得，污水中的正离子聚集到a端，负离子聚集到c端，a侧电势比c侧电势高，故A错误； 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 √ √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　根据左手定则可知，带正电离子受到向下的洛伦兹力，向C板偏转，带负电离子受到向上的洛伦兹力，向A板偏转，则极板A带负电，极板C带正电，故A正确； 课堂 深度探究 返回导航 √ 　(2023·北京房山统考一模)一磁流体发电机的示意图如图所示，一束等离子体(含正、负离子)沿图示方向垂直射入一对磁极产生的匀强磁场中，A、B是一对平行于磁场放置的金属板，板间连入电阻R，不计粒子所受重力和粒子间相互作用，则(　　) A．电路稳定后，A、B板聚集电荷量基本不变 B．通过电阻R的电流方向向下 C．若只增大离子的射入速度，发电机的电动势不变 D．若只增大两极板的正对面积，发电机的电动势将增大 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　电路稳定后，两板间粒子所受洛伦兹力与电场力平衡，即Bqv＝Eq，故电路稳定后，电场强度不变，A、B板聚集电荷量基本不变，A正确； 由左手定则可知，正离子向B板偏转，负离子向A板偏转，故通过电阻R的电流方向向上，B错误； 设两板间的距离为d，则电动势E＝Bvd，电动势的大小与B、v、d有关，与极板间的正对面积无关，C、D错误。 课堂 深度探究 返回导航 知识点四　霍尔效应 1．霍尔效应：1879年霍尔发现，处在匀强磁场中的通电导体板，当电流的方向垂直于磁场时，在垂直于磁场的导体板的两端面之间会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电势差，这一现象称为霍尔效应，如图所示。   出现的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 √ 　霍尔元件的用途非常广泛，可制造测量磁场的磁场计和测量直流大电流的电流表以及功率计、乘法器，也可用于自动化检测装置，将位移、压力、速度、加速度、流量等非电学量转换成电学量。如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就做成了一个霍尔元件。在E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，M、N间的电压为UH。已知半导体薄片中的载流子为负电荷，电流与磁场的方向如图所示，下列说法正确的是(　　) A．N板电势高于M板电势 B．磁感应强度越大，M、N间电势差越大 C．将磁场方向变为与薄片的上、下表面平行，UH不变 D．将磁场和电流都反向，N板电势高于M板电势 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　由题意可知，半导体薄片中的负电荷在洛伦兹力的作用下向N极偏转，故N板电势低于M板电势，A错误； 将磁场方向变为与薄片的上、下表面平行，若负电荷运动方向与磁场方向平行，则负电荷不受洛伦兹力，M、N两极间电压UH变为零，C错误； 将磁场和电流都反向，半导体薄片中的负电荷在洛伦兹力的作用下仍向N极偏转，故N板电势低于M板电势，D错误。 课堂 深度探究 返回导航 √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　自由电荷带正电，根据左手定则可知，自由电荷向C端偏转，则C侧面的电势高于D侧面的电势，故A错误； 元件中自由电荷由正电荷变为负电荷，根据左手定则可知负电荷向C端偏转，则C侧面的电势低于D侧面的电势，结合A可知D正确。 课堂 深度探究 返回导航 随堂 巩固落实 PART 03 第三部分 32 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：由题知，带正电的氘核从S1沿平行于金属板方向进入复合场，且能射出极板，说明其受力平衡，根据左手定则可知，氘核受到向上的洛伦兹力，则其受到的电场力向下，故上极板带正电，A错误。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：根据左手定则，液体流过磁场区时，正离子偏向M金属板，A错误； 随堂 巩固落实 返回导航 √ 3．(磁流体发电机)(2023·深圳市高二期末)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把气体的内能直接转化为电能，它的示意图如图所示，平行金属板A、B之间有一个很强的匀强磁场，磁感应强度为B，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)垂直于磁场B且平行于A、B板平面的方向喷入磁场，每个离子的速度为v，电荷量大小为q，A、B两板间距为d，装置稳定时，下列说法正确的是(　　) A．B板的电势比A板的高 B．图中通过电阻R的电流方向是向下的 C．离子只受到电场力作用 D．图中电阻R两端电压为Bvq 随堂 巩固落实 返回导航 解析：根据左手定则可知，正离子偏向B板，所以B板带正电，A板带负电，即B板的电势比A板的高，通过电阻的电流方向是向上的，A正确，B错误； 极板带电后，离子受到电场力和洛伦兹力，C错误； 随堂 巩固落实 返回导航 √ 4．(霍尔效应)(2024·江苏连云港统考期中)如图所示的是利用霍尔元件制成的磁传感器。已知该长方体金属导体宽为d，高为h，上、下表面接线柱M、N连线与导体竖直边平行，上表面过M点的水平虚线与导体水平边平行，当导体通过一定电流，且电流与磁场方向垂直时，下列说法正确的是(　　) A．电压表a端接“＋”接线柱 B．为提升磁传感器的灵敏度，可减小导体的宽度d C．将电压的表盘改装为磁传感器的表盘，则刻度线不均匀 D．若上表面接线柱M沿虚线向右移动少许，则电压表示数不变 随堂 巩固落实 返回导航 解析：金属导体中载流子为自由电子，其定向移动方向与电流方向相反，根据左手定则可知电子将向上表面偏转，所以电压表a端接“－”接线柱，故A错误； 随堂 巩固落实 返回导航 在电源之外的电路中沿电流方向电势降低，若上表面接线柱沿虚线向右移动少许，则N、M在沿电流方向也会存在电势差，且N点电势高于M点电势，所以电压表示数会变大，故D错误。 随堂 巩固落实 返回导航 1．(速度选择器)(2023·重庆一中期末)速度选择器是质谱仪的重要组成部件，其构造如图所示，平行极板连接在电源两极，极板间形成竖直方向的匀强电场，内部有垂直于纸面向里的匀强磁场，S1、S2为两个小孔且其连线与极板平行，氕核(H )、氘核(H)和氚核(H)(均不计重力)从S1沿平行于金属板方向以相同动能射入速度选择器，其中氘核能射出极板，则下列说法正确的是(　　) A．速度选择器上极板带负电 B．氕核在速度选择器中做匀变速直线运动 C．氘核从S2以相同速度射入仍能射出速度选择器 D．氚核在速度选择器中向下偏转，动能增大 三个粒子以相同的动能进入复合场，则有Ek＝mv2，解得v＝，则有vH>vH>vH，而只有氘核能射出极板，则有qBvH＝qE，解得vH＝，可知氕核受到洛伦兹力大于电场力，将向上偏转，所受合外力是变化的，不是做匀变速直线运动；氚核受到的电场力大于洛伦兹力，将向下偏转，电场力做正功，动能增大，故B错误，D正确。 $