微点培优二 洛伦兹力与现代科技-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

微点培优二　洛伦兹力与现代科技 【素养目标】　1.知道速度选择器的构造及原理，理解速度选择器的特点及应用。2.知道磁流体发电机的构造及原理，理解磁流体发电机的特点及应用。3.知道电磁流量计的构造及原理，理解电磁流量计的特点及应用。 微点一　速度选择器 【师生互动】　如图为两块平行金属板带电情况及板间匀强磁场方向，电场方向与磁场方向互相垂直，电场强度为E，磁感应强度为B。某个带正电的粒子电荷量为q，以速度v从左侧平行于极板方向射入，不计粒子重力。 任务1.要使带正电的粒子能够沿直线匀速通过此区域，其受力需要满足什么条件？速度大小需要满足什么条件？ 任务2.满足任务1中的速度条件下，若只改变带电粒子的电性或电荷量，粒子能否匀速通过？ 任务3.满足任务1中的速度大小的条件下，让带电粒子从右端射入，粒子能否匀速通过？ 提示：任务1.受力条件qE＝qvB。速度条件v＝。 任务2.粒子仍能匀速通过。与粒子的电性及电荷量无关。 任务3.不能。此时，洛伦兹力和静电力同向，粒子不能做直线运动。 【探究归纳】 速度选择器的构造、原理及特点 1. 构造：如图所示，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧平行于极板射入，不计粒子重力。 2.工作原理：带电粒子沿虚线做匀速直线运动时，受到的静电力和洛伦兹力大小相等、方向相反，有qE＝qvB，可得v＝。 3.特点 (1)速度选择器选择的速度大小v＝，而对粒子的质量、电荷量大小及电性无要求。 ①当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。 ②当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)速度选择器选择的速度方向：只能选择单一速度方向，若粒子从另一方向射入，则不能沿着直线穿出速度选择器。 速度选择器由两块平行金属板构成，工作时在两板上加一定值电压，同时在两板间垂直于电场方向上加一匀强磁场。通过电场和磁场的联合作用，从各种速率的带电粒子中选择出具有一定速率的粒子。已知所加的电压为U，磁感应强度为B，板间距为d，板的长度为L，不计粒子重力。下列说法正确的是(　　) A.两板间的匀强电场的场强E＝ B.筛选出的运动粒子的速率v＝ C.只能筛选特定速率的带正电粒子，不能筛选特定速率的带负电粒子 D.筛选出的粒子沿PQ做匀加速直线运动 答案：B 解析：两板间的匀强电场的场强E＝，故A错误；筛选出的运动粒子受力平衡，有qvB＝qE，可得筛选出的运动粒子的速率v＝，故B正确；不管是带正电粒子还是带负电粒子，只要粒子满足特定速率，粒子受到的静电力就与受到的洛伦兹力二力平衡，筛选出的粒子沿PQ做匀速直线运动，故C、D错误。故选B。 针对练.(2024·安徽芜湖高二期末)芯片制造中的重要工序之一是离子注入，速度选择器是离子注入的重要组成部分。如图所示，从左侧离子源沿平行金属板方向发射出速度不同的各种离子，仅有部分离子沿平行于纸面的水平直线穿过速度选择器右侧挡板上的小孔(挡板未画出)。已知速度选择器中匀强电场的电场强度大小为E、方向竖直向下，匀强磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B，速度选择器置于真空中，不计离子受到的重力和离子间的相互作用。下列说法正确的是(　　) 学生用书⬇第15页 A.速度选择器只能筛选正离子，不能筛选负离子 B.筛选出的离子的速度大小一定为 C.筛选出的离子的比荷一定相同 D.只增大电场强度E，原先筛选出的离子的动能一定增加 答案：D 解析：能通过速度选择器的离子满足qvB＝qE，解得v＝，即能沿直线通过速度选择器的离子的速度大小一定为，与电性无关，与比荷无关，A、B、C错误。若离子带正电，只增大电场强度E，离子受向下的静电力增加，离子向下偏转，静电力做正功，则离子的动能增加；若离子带负电，只增大电场强度E，离子受向上的静电力增加，离子向上偏转，静电力做正功，则离子的动能增加，D正确。故选D。 微点二　磁流体发电机 磁流体发电机的构造、原理及特点 1.构造：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.原理：设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，匀强磁场的磁感应强度为B，M、N两极板间距离为d，极板间电压为U，当粒子(不计重力)匀速直线通过时，根据F洛＝F电，有qvB＝qE＝，可得U＝Bdv。 3.特点 (1)电源的电动势大小：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＝U＝Bdv。 (2)正、负极的判断：根据左手定则可判断，正离子向M极板偏转，M极板积聚正离子，电势高，为电源正极，N极板积聚负离子，电势低，为电源负极。 (多选)(2024·广东两阳中学月考)在磁流体发电机燃烧室产生的高温燃气中加入钠盐，电离后的钠盐经喷管加速被高速喷入发电通道，如图所示。若喷入发电通道的离子(包含正、负离子)速度为v＝1 000 m/s，发电通道处在磁感应强度大小为B＝6 T的匀强磁场中，发电通道的截面是边长为a＝20 cm的正方形，长为d＝ m，其内导电离子可视为均匀分布，等效电阻率为ρ＝2 Ω·m，在PQ段接上阻值为R的电阻，忽略边缘效应，则下列说法正确的是(　　) A.电阻R中的电流方向为从Q到P B.洛伦兹力对高温离子做正功 C.磁流体发电机的电动势为1 200 V D.当外接电阻为R＝9 Ω时，理想电压表的示数为900 V 答案：CD 解析：根据左手定则可知，高温正离子在洛伦兹力作用下向上偏转，负离子在洛伦兹力作用下向下偏转，故上极板为正极，下极板为负极，因此电阻R中的电流方向为从P到Q，故A错误；洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，只改变速度的方向，不改变速度的大小，洛伦兹力不做功，故B错误；磁流体发电机的等效内阻为r＝ρ＝3 Ω，离子在发电通道中匀速运动时，由q＝qvB，可得磁流体发电机的电动势为E＝Bav＝1 200 V，则流过电阻的电流为I＝＝100 A，则理想电压表的示数为U＝IR＝900 V，故C、D正确。故选CD。 针对练1.如图是磁流体发电机的示意图，两平行金属板P、Q之间存在很强的磁场，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)沿垂直于磁场的方向喷入磁场。把P、Q与电阻R相连接。下列说法正确的是(　　) A.Q板的电势高于P板的电势 B.R中流过由b向a方向的电流 C.若只改变磁感应强度的大小，R中电流保持不变 D.若只增大粒子入射速度，R中电流增大 答案：D 解析：等离子体进入磁场，根据左手定则可知正电荷向上偏转，聚集在P板上，负电荷向下偏转，聚集在Q板上，所以P板带正电，Q板带负电，则P板的电势高于Q板的电势，流过电阻R的电流方向由a到b，A、B错误；根据稳定时静电力等于洛伦兹力得q＝qvB，可得U＝Bdv，再由欧姆定律有I＝＝，可知电流与磁感应强度成正比，若只改变磁感应强度的大小，R中电流改变，C错误；由I＝可知，若只增大粒子入射速度，R中电流增大，D正确。故选D。 针对练2.(2024·辽宁大连高二期中)磁流体发电机工作原理如图所示，a、b是正对的两个电阻可忽略的导体电极，面积均为S，间距为d，分别与阻值为R的负载电阻相连。a、b之间存在匀强磁场，当高温等离子电离气体以速度v0向右进入a、b之间时，运动的电离气体受到磁场作用，使a、b之间产生了电势差，理想电压表的示数为U，通过负载电阻的电流由1指向2。已知a、b之间等离子体的等效电阻为R，则关于a、b之间磁感应强度B的大小和方向，下列说法正确的是(　　) 学生用书⬇第16页 A.B＝，垂直纸面向里 B.B＝，垂直纸面向外 C.B＝，垂直纸面向外 D.B＝，垂直纸面向里 答案：B 解析：通过负载电阻的电流由1指向2，可知下极板带正电，根据左手定则可知，磁感应强度垂直纸面向外；理想电压表的示数为U，可知感应电动势为E＝U＋×R＝U，当a、b极板间的电势差稳定时，有q＝qv0B，解得B＝。故选B。 微点三　电磁流量计 电磁流量计的构造及原理 1.构造：如图甲、乙是电磁流量计的示意图。 2.原理：设圆管的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为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＝。 (2024·重庆市北碚区高二期末)某市环保局在沿江化工企业的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，匀强磁场方向竖直向下(未画出)，磁感应强度大小为B，在测量管前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极。污水(含有大量正、负离子)充满管口从左向右流经测量管时，a、c两点间电压为U，显示仪器显示污水流量为Q(单位时间内排出的污水体积)。则(　　) A.a侧电势比c侧电势低 B.污水中离子浓度越高，显示仪器的示数将越大 C.污水流速v＝ D.只需要测量磁感应强度大小B、直径D及a、c两点间电压U就能够推算污水的流量 答案：D 解析：匀强磁场方向竖直向下，由左手定则可知，污水中的正离子运动到a侧，负离子运动到c侧，则a侧电势比c侧电势高，故A错误；达到平衡时，离子所受静电力大小等于洛伦兹力，即qvB＝qE＝q，解得v＝，故C错误；流量Q＝Sv＝πv，又v＝，可得流量Q＝，可知显示器的示数与离子浓度无关，只需要测量磁感应强度大小B、直径D及a、c两点间电压U就能够推算污水的流量，故B错误，D正确。故选D。 针对练. 医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度。电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的。使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示。由于血液中的正、负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差。在达到平衡时，血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的静电力和洛伦兹力的合力为零。在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.04 T。则血流速度的近似值和电极a、b的正负为(　　) A.1.3 m/s，a正、b负 B.2.7 m/s，a正、b负 C.1.3 m/s，a负、b正 D.2.7 m/s，a负、b正 答案：A 解析：血液中的正、负离子在磁场中运动时，根据左手定则可知，正离子受到向上的洛伦兹力，负离子受到向下的洛伦兹力，所以正离子向上偏，负离子向下偏，则a带正电，b带负电；最终血液中的离子所受的静电力和洛伦兹力的合力为零，有q＝qvB，可得v＝＝ m/s≈1.3 m/s。故选A。 学生用书⬇第17页 学科网（北京）股份有限公司 $