第3讲　洛伦兹力与现代科技 专项训练 2027年高考物理一轮复习考点精讲（通用版）

　洛伦兹力与现代科技 (选择题每题5分，非选择题每题10分，建议用时：40分钟) 1.(2025·扬州高三期末)阿斯顿用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。如图所示，大量氖-20Ne)和氖-22Ne)原子核从容器A下方的小孔S1飘入(初速度为零)电场区，经电场加速后通过小孔S2、S3垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，最终到达照相底片D上。加速电场电压变化范围是U1＜U＜U2，氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则(　　) A.U2＝U1 B.U2＝U1 C.U2＝U1 D.U2＝U1 2.1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子由左端经过速度选择器，沿直线通过S0后射入质谱仪的运动轨迹如图所示，已知速度选择器中电场强度为E，磁感应强度为B1，则下列说法中正确的是(　　) A.该束带电粒子带负电 B.速度选择器的P1极板带负电 C.从S0射入质谱仪的粒子速度为 D.在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 3.如图所示，回旋加速器是加速带电粒子的装置，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法正确的是(　　) A.增大电场的加速电压 B.减小磁场的磁感应强度 C.减小狭缝间的距离 D.增大磁场的磁感应强度 4.如图所示，回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子(初速度不计)电荷量为q、质量为m，粒子最大回旋半径为R，加速电压为U，下列说法中正确的是(　　) A.所加交流电源的周期为 B.仅增大D形盒半径R，加速次数不变 C.粒子加速后获得的最大动能为 D.粒子在回旋加速器中的加速次数为 5.(科技前沿融通题)磁流体发电技术是目前世界上正在研究的新兴技术，太阳风含有大量高速运动的质子和电子，可用于发电，如图所示，太阳风进入两平行极板之间的区域，速度为v，两金属板的板长(沿初速度方向)为L、板间距离为d，金属板的正对面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于太阳风初速度方向，并与极板平行，负载电阻为R，太阳风充满两板间的空间，当发电机稳定发电时，电流表的示数为I，则(　　) A.发电机稳定发电时，带电粒子只受到洛伦兹力作用 B.发电机稳定发电时，正电荷受洛伦兹力向上，负电荷受洛伦兹力向下 C.发电机稳定发电时，两极板间的最大电势差为U＝BLv D.发电机稳定发电时，板间气体的电阻率为 6.如图所示是磁流体发电机的原理示意图，水平两金属板a、b正对平行放置，且板面垂直于纸面，在两极板之间接有电阻R(其余电阻不计)，在极板间有垂直于纸面向外的匀强磁场。当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右以恒定速率进入极板时，下列说法中正确的是(　　) A.电阻R中有由M向N方向的电流 B.金属板b的电势高于金属板a的电势 C.仅增大等离子浓度，电阻R上电流增大 D.仅增大两金属板正对面积，电阻R上电流增大 7.某化工厂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，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极，匀强磁场方向竖直向下。污水(含有大量的正、负离子)充满管口从左向右流经该测量管时，a、c两端的电压为U，显示仪器显示污水流量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，显示仪器的示数越大 C.污水流量Q与U成正比，与L、D无关 D.匀强磁场的磁感应强度B＝ 8.磁轴键盘是一种新型的机械键盘结构，磁轴包括轴心、永磁铁、霍尔传感器和弹簧，其结构简图如图所示。轴心可保证按键和弹簧只在竖直方向运动，永磁铁(N极在下、S极在上)固定在按键上，长、宽、高分别为l、b、h的霍尔传感器通有由前向后的恒定电流I。当按键被按下时，开始输入信号。当松开按键时，输入信号停止。下列说法正确的是(　　) A.按下按键后，霍尔传感器的左表面的电势比右表面的电势高 B.按下按键的速度越快，霍尔电压越大 C.要使该磁轴键盘更加灵敏，可以减小h D.要使该磁轴键盘更加灵敏，可以增加b 9.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。不计同位素粒子重力。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. 10.(科技前沿融通题)石墨烯是二维蜂窝状晶格结构新材料。现设计一电路测量某二维石墨烯样品单位面积的载流子(电子)数。如图所示，在长为a，宽为b的石墨烯表面加一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，电极1、3间接入恒压直流电源，稳定时电流表示数为I，电极2、4之间的电压为U，已知电子电荷量为e，则(　　) A.电极2的电势比电极4的高 B.电子定向移动的速率为v＝ C.电极2和4之间的电压与宽度b有关 D.二维石墨烯样品单位面积的载流子数为n＝ 11.在核电站中，使用电磁泵来循环冷却剂以维持核反应堆稳定运行。电磁泵的设计示意图如图所示，电磁泵位于垂直纸面向外的匀强磁场(磁感应强度大小为B)中，泵体为长方体(长为L1，宽和高均为L2)，上下表面为金属极板。当在泵体的上下表面接电压为U的电源(内阻不计)后，只在两板间的冷却剂中产生自上而下的电流，理想电流表示数为I，通电后冷却剂在磁场的作用下在管道中流动。泵体和冷却剂液面之间的高度差为h，冷却剂的电阻率为ρ，在t时间内抽取冷却剂的质量为m，不计冷却剂在流动中和管壁之间的阻力，工作时泵体内始终充满冷却剂，取重力加速度为g，则(　　) A.电磁泵对冷却剂的推力大小为BIL1 B.电磁泵输出的机械功率为UI－ C.质量为m的冷却剂离开泵体时的动能为UIt－mgh－I2t D.若接在泵体的上下两表面的电压变为2U，则电流表的读数变为2I(未超出量程) 学科网（北京）股份有限公司 $ 　洛伦兹力与现代科技 (选择题每题5分，非选择题每题10分，建议用时：40分钟) 1.(2025·扬州高三期末)阿斯顿用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。如图所示，大量氖-20Ne)和氖-22Ne)原子核从容器A下方的小孔S1飘入(初速度为零)电场区，经电场加速后通过小孔S2、S3垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，最终到达照相底片D上。加速电场电压变化范围是U1＜U＜U2，氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则(　　) A.U2＝U1 B.U2＝U1 C.U2＝U1 D.U2＝U1 解析：选B。经过加速电场之后，由动能定理可得qU＝mv2，进入磁场之后，由洛伦兹力提供向心力有qvB＝m，联立可得r＝ ，氖-22的相对原子质量较大，运动半径较大，结合题目可得最小运动半径r1＝ ，氖-20的相对原子质量较小，运动半径较小，结合题目可得最大运动半径r2＝ ，若氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则有r1＝r2，代入解得U2＝U1，B正确。 2.1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子由左端经过速度选择器，沿直线通过S0后射入质谱仪的运动轨迹如图所示，已知速度选择器中电场强度为E，磁感应强度为B1，则下列说法中正确的是(　　) A.该束带电粒子带负电 B.速度选择器的P1极板带负电 C.从S0射入质谱仪的粒子速度为 D.在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 解析：选D。该束带电粒子在磁场中向下偏转，据左手定则可知，粒子带正电，A错误；该束带电粒子在速度选择器中受到的洛伦兹力向上，则受到的电场力应向下，则P1极板带正电，B错误；能通过小孔S0的带电粒子满足qvB1＝qE，解得v＝，C错误；在B2磁场中，由洛伦兹力提供向心力可得qvB2＝m，解得＝，故运动半径越大的粒子，比荷越小，D正确。 3.如图所示，回旋加速器是加速带电粒子的装置，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法正确的是(　　) A.增大电场的加速电压 B.减小磁场的磁感应强度 C.减小狭缝间的距离 D.增大磁场的磁感应强度 解析：选D。由qvB＝m，解得v＝，则动能Ek＝mv2＝，知动能与加速电压无关，与狭缝间的距离无关，与磁感应强度大小和D形盒的半径有关，增大磁感应强度和D形盒的半径，可以增大粒子的动能，D正确。 4.如图所示，回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子(初速度不计)电荷量为q、质量为m，粒子最大回旋半径为R，加速电压为U，下列说法中正确的是(　　) A.所加交流电源的周期为 B.仅增大D形盒半径R，加速次数不变 C.粒子加速后获得的最大动能为 D.粒子在回旋加速器中的加速次数为 解析：选D。所加交流电源的周期与粒子在磁场中的运动周期相等，为T＝，A错误；当粒子在磁场中的运动半径等于D形盒的半径时，速度最大，则有qvmB＝m，可得vm＝，则粒子的最大动能为Ekm＝m＝，根据动能定理可得nqU＝Ekm－0，联立解得粒子在回旋加速器中的加速次数为n＝，可知仅增大D形盒半径R，加速次数增多，B、C错误，D正确。 5.(科技前沿融通题)磁流体发电技术是目前世界上正在研究的新兴技术，太阳风含有大量高速运动的质子和电子，可用于发电，如图所示，太阳风进入两平行极板之间的区域，速度为v，两金属板的板长(沿初速度方向)为L、板间距离为d，金属板的正对面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于太阳风初速度方向，并与极板平行，负载电阻为R，太阳风充满两板间的空间，当发电机稳定发电时，电流表的示数为I，则(　　) A.发电机稳定发电时，带电粒子只受到洛伦兹力作用 B.发电机稳定发电时，正电荷受洛伦兹力向上，负电荷受洛伦兹力向下 C.发电机稳定发电时，两极板间的最大电势差为U＝BLv D.发电机稳定发电时，板间气体的电阻率为 解析：选D。太阳风进入两极板之间的匀强磁场中，稳定后，带电粒子受到洛伦兹力和电场力作用，A错误；根据左手定则，正电荷受洛伦兹力向下，负电荷受洛伦兹力向上，B错误；当发电机稳定时，质子和电子做匀速直线运动，所以qvB＝qE＝，即U＝Bdv，由I＝，r＝ρ，得ρ＝，C错误，D正确。 6.如图所示是磁流体发电机的原理示意图，水平两金属板a、b正对平行放置，且板面垂直于纸面，在两极板之间接有电阻R(其余电阻不计)，在极板间有垂直于纸面向外的匀强磁场。当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右以恒定速率进入极板时，下列说法中正确的是(　　) A.电阻R中有由M向N方向的电流 B.金属板b的电势高于金属板a的电势 C.仅增大等离子浓度，电阻R上电流增大 D.仅增大两金属板正对面积，电阻R上电流增大 解析：选B。等离子体进入磁场，根据左手定则，正电荷向下偏，打在下极板上，负电荷向上偏，打在上极板上。所以下极板带正电，上极板带负电，则金属板b的电势高于金属板a的电势，流过电阻的电流方向由N向M，A错误，B正确；当磁流体发电机稳定工作时，进入磁场的粒子受力平衡有qE＝qvB，U＝Ed，得U＝Bdv，根据I＝，可得I＝，C、D错误。 7.某化工厂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，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极，匀强磁场方向竖直向下。污水(含有大量的正、负离子)充满管口从左向右流经该测量管时，a、c两端的电压为U，显示仪器显示污水流量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，显示仪器的示数越大 C.污水流量Q与U成正比，与L、D无关 D.匀强磁场的磁感应强度B＝ 解析：选D。污水中正、负离子从左向右移动，受到洛伦兹力，根据左手定则，正离子向后表面偏转，负离子向前表面偏转，所以a侧电势比c侧电势高，故A错误；最终正、负离子会在静电力和洛伦兹力作用下处于平衡状态，有qE＝qvB，即＝vB，则污水流量Q＝＝· ＝，可知Q与U、D成正比，与L无关，显示仪器的示数与离子浓度无关，匀强磁场的磁感应强度B＝，故D正确，B、C错误。 8.磁轴键盘是一种新型的机械键盘结构，磁轴包括轴心、永磁铁、霍尔传感器和弹簧，其结构简图如图所示。轴心可保证按键和弹簧只在竖直方向运动，永磁铁(N极在下、S极在上)固定在按键上，长、宽、高分别为l、b、h的霍尔传感器通有由前向后的恒定电流I。当按键被按下时，开始输入信号。当松开按键时，输入信号停止。下列说法正确的是(　　) A.按下按键后，霍尔传感器的左表面的电势比右表面的电势高 B.按下按键的速度越快，霍尔电压越大 C.要使该磁轴键盘更加灵敏，可以减小h D.要使该磁轴键盘更加灵敏，可以增加b 解析：选C。按下按键后，永磁体在霍尔传感器处的磁场方向竖直向下，根据左手定则可知自由电子在左表面聚集，所以霍尔传感器的左表面的电势比右表面的电势低，A错误；最终电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，有q＝qvB，结合电流的微观定义式I＝neSv＝nebhv，有U＝，可见按下按键的速度快慢，对霍尔电压没有影响，减小h，使该磁轴键盘更加灵敏，b对霍尔电压无影响，对该磁轴键盘的灵敏度无影响，C正确，B、D错误。 9.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。不计同位素粒子重力。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. 解析：选B。设加速电场的电压为U，磁场的磁感应强度为B，粒子电荷量为q、质量为m，在电场中加速过程，由动能定理可得qU＝mv2，在磁场中，由洛伦兹力提供向心力得qvB＝m，带电粒子在磁场中运动的周期为T＝，带电粒子在磁场中运动时间均为半个周期，即t＝，根据几何关系有x＝2r，联立以上各式可得t＝x2∝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＝，B正确。 10.(科技前沿融通题)石墨烯是二维蜂窝状晶格结构新材料。现设计一电路测量某二维石墨烯样品单位面积的载流子(电子)数。如图所示，在长为a，宽为b的石墨烯表面加一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，电极1、3间接入恒压直流电源，稳定时电流表示数为I，电极2、4之间的电压为U，已知电子电荷量为e，则(　　) A.电极2的电势比电极4的高 B.电子定向移动的速率为v＝ C.电极2和4之间的电压与宽度b有关 D.二维石墨烯样品单位面积的载流子数为n＝ 解析：选D。根据左手定则可知，电子在洛伦兹力作用下向电极2所在一侧偏转，所以电极2的电势比电极4的低，A错误；当电子稳定通过样品时，其所受电场力与洛伦兹力平衡，则有evB＝e，解得v＝，B错误；设样品每平方米载流子数为n，电子定向移动的速率为v，则时间t内通过样品的电荷量q＝nevbt，根据电流的定义式得I＝＝nevb，联立解得U＝，即电极2和4之间的电压与宽度b无关，C错误；二维石墨烯样品单位面积的载流子数为n＝，D正确。 11.在核电站中，使用电磁泵来循环冷却剂以维持核反应堆稳定运行。电磁泵的设计示意图如图所示，电磁泵位于垂直纸面向外的匀强磁场(磁感应强度大小为B)中，泵体为长方体(长为L1，宽和高均为L2)，上下表面为金属极板。当在泵体的上下表面接电压为U的电源(内阻不计)后，只在两板间的冷却剂中产生自上而下的电流，理想电流表示数为I，通电后冷却剂在磁场的作用下在管道中流动。泵体和冷却剂液面之间的高度差为h，冷却剂的电阻率为ρ，在t时间内抽取冷却剂的质量为m，不计冷却剂在流动中和管壁之间的阻力，工作时泵体内始终充满冷却剂，取重力加速度为g，则(　　) A.电磁泵对冷却剂的推力大小为BIL1 B.电磁泵输出的机械功率为UI－ C.质量为m的冷却剂离开泵体时的动能为UIt－mgh－I2t D.若接在泵体的上下两表面的电压变为2U，则电流表的读数变为2I(未超出量程) 解析：选C。电磁泵对冷却剂的推力F＝BIL2，A错误；电源提供的电功率P＝UI，液体电阻R＝ρ＝，电磁泵输出的机械功率P出＝UI－I2R＝UI－I2，若t时间内抽取冷却剂的质量为m，这部分冷却剂离开泵时的动能Ek＝UIt－mgh－I2Rt＝UIt－mgh－I2t，B错误，C正确；电磁泵输入的电能小部分转化为内能，绝大部分转化为机械能，是非纯电阻电路，部分电路欧姆定律对电磁泵不适用，所以若接在泵体的上下两表面的电压变为2U，则电流表的读数变为2I(未超出量程)的结论不成立，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $