专题课：带电粒子(带电体)在磁场中的直线运动 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦带电粒子在复合场中的直线运动及现代技术应用，依据高考评价体系梳理速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应四大核心模型，分析近五年全国卷高频考点分布，归纳选择、计算等常考题型，体现备考针对性与实用性。 课件亮点在于“模型建构+科学推理+真题演练”策略，如以速度选择器平衡条件推导为基础，结合例1、例2等高考模拟题，培养学生运动和相互作用观念，提供“受力分析-平衡方程-结果验证”解题模板，帮助学生掌握临界条件分析技巧，教师可据此开展专题突破，提升复习效率。

新课导入 专题课:带电粒子(带电体)在磁场中的直线运动 学习任务一 洛伦兹力在现代技术中的应用 考向一　速度选择器 [模型建构] 如图所示装置,平行板器件中存在匀强电场和匀强磁场,电场强度E和磁感应强度B相互垂直.具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同,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.试证明只有带电粒子的速度v=时,才能沿着图示虚线路径通过这个速度选择器.(粒子重力忽略不计) 学习任务一 [答案]带电粒子能够沿图示虚线通过速度选择器,则静电力和洛伦兹力均不做功,粒子做匀速直线运动,所受的静电力和洛伦兹力大小相等,方向相反,即qE=qvB,所以v=. 学习任务一 例1 如图所示的平行板器件中,电场强度E和磁感应强度B相互垂直.一带电粒子(重力不计)从左端以速度v沿虚线射入后做直线运动.下列说法正确的是( 　) A.该粒子一定带正电 B.该粒子的速度v= C.若该粒子的速度v>,则该粒子一定不能从板间射出 D.若该粒子从右端沿虚线方向进入,则该粒子仍做直线运动 学习任务一 B [解析]该粒子从左端射入,静电力大小为qE,洛伦兹力大小为qvB,不论该粒子带正电还是负电,当两个力平衡,即速度v=时,粒子都做匀速直线运动,故选项A错误,B正确; 若该粒子的速度v>,则粒子受到的洛伦兹力大于静电力,使粒子发生偏转,但有可能从板间射出,故选项C错误; 若该粒子从右端沿虚线方向进入,则静电力与洛伦兹力沿同一方向,该粒子不能做直线运动,故选项D错误. 学习任务一 速度选择器的特点:v的大小等于E与B的比值,即v=.可知速度选择器只对选择的粒子速度有要求,而对粒子的质量、电荷量大小及带电正负均无要求. 学习任务一 考向二　磁流体发电机 [模型建构]磁流体发电机是利用电磁偏转作用发电的.其装置如图所示,A、B是两块在磁场中相互平行的金属板,一束在高温下形成的等离子束(气体在高温下发生电离,产生大量的带等量异种电荷的离子)射 入磁场,A、B 两板间便产生电压.如果把 A、B 和用 电器连接,A、B 就是一个直流电源的两个电极. (1)分析说明 A、B 板哪一个是电源的正极.  [答案] (1)根据左手定则,正离子受到的洛伦兹力方向向下,负离子受到的洛伦兹力方向向上,所以正离子向B板运动,负离子向A板运动,因此B板是电源的正极. 学习任务一 [模型建构]磁流体发电机是利用电磁偏转作用发电的.其装置如图所示,A、B是两块在磁场中相互平行的金属板,一束在高温下形成的等离子束(气体在高温下发生电离,产生大量的带等量异种电荷的离子)射入磁场,A、B 两板间便产生电压.如果把 A、B 和用电器连接,A、B 就是一个直流电源的两个电极. (2)若A、B 两板相距为d,板间的磁场按匀强磁场处 理,磁感应强度为 B,等离子束以速度 v 沿垂直于 B 的方向射入磁场,则这个发电机的电动势是多大? 学习任务一 [答案] (2)在洛伦兹力作用下,正、负离子会分别在B、A两板上聚集,从而在板间形成一个由B指向A的电场,设电场强度为E场,当qE场=qvB时,A、B板间的电压达到最大值U,等于发电机的电动势,即E=U=E场d=Bdv. 学习任务一 例2 (多选)如图所示是磁流体发电机的示意图,两平行金属板P、Q之间有一个很强的磁场,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中有由a向b方向的电流 C.若只增加等离子体中带电离子个数,则R中电流保持不变 D.若只增大P、Q间距离,则R中电流增大 学习任务一 BCD 学习任务一 [解析]等离子体进入磁场,根据左手定则可知,正离子向上偏,打在上极板上,而负离子向下偏,打在下极板上,所以上极板带正电,下极板带负电,则P板的电势高于Q板的电势,流过电阻的电流方向由a到b,A错误,B正确; 根据稳定时静电力大小等于洛伦兹力,即q=qvB,则有U=Bdv,由欧姆定律得I==,所以若只增加等离子体中带电离子个数,则R中电流保持不变,若只增大P、Q间距离,则R中电流变大,C、D正确. 1.磁流体发电机工作原理:等离子体喷入磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转,聚集到两极板上,产生电势差.当等离子体匀速通过A、B板间时,A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,即为电源电动势,此时离子受平衡力. 2.设A、B平行金属板的面积为S,相距为d,喷入气体速度为v,板间磁感应强度为B,板外电阻为R,等离子体的电阻率为ρ.根据E场q=qvB,可得E场=Bv,则电动势E=E场d=Bdv,而电源内阻r=ρ,所以回路中电流I==. 学习任务一 1．电磁流量计 (1)结构：如图所示，圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力的作用下横向偏转，a、b间出现电势差，形成电场． 考向三　电磁流量计 (2)原理：当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即： 所以 因此液体流量 例3 [2023·象山中学月考] 武汉病毒研究所拥有我国防护等级最高的P4实验室,在该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等于单位时间通过横截面的液体的体积.空间有垂直于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.带电离子所受洛伦兹力方向由M指向N B.M点的电势高于N点的电势 C.污水流量计也可以用于测量不带电的液体的流量 D.只需要测量M、N两点间的电压就能够推算出废液的流量 学习任务一 D [解析]根据左手定则可知,正离子受到竖直向下的洛伦兹力,负离子受到竖直向上的洛伦兹力,则正离子聚集在N一侧,负离子聚集在M一侧,所以M点的电势低于N点的电势,A、B错误; 不带电液体在磁场中流动时,由于没有带电粒子,不能形成电场,M、N两点间没有电势差,因此无法测出其流量,C错误; 根据qvB=q,可得流速v=,流量Q=Sv=·=,即只需要测量M、N两点间的电压就能够推算出废液的流量,选项D正确. 学习任务一 导电液体中的正、负离子在洛伦兹力作用下偏转,管壁两侧电极间出现电势差.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.由Bqv=Eq=,可得v=,则流量Q=Sv=·=,即Q∝U,将电压表盘相应地换成流量计表盘即可直接测流量. 考向四　霍尔效应 [模型建构]如图所示,高为h、宽为d的金属导体(自由电荷是电子)置于磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过金属导体时,在金属导体的上表面A和下表面A'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. (1)如图所示,金属导体中的电流I向右时,上表面A和下表面A'谁的电势高? [答案] 根据左手定则可知,电子受到的洛伦兹力方向向上,所以下表面A'的电势高. 2．霍尔效应： (1)定义：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差（霍尔电压），其原理如图所示． 实验表明，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k称为霍尔系数． 霍尔电压的推导：导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转，A、A′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、A′间的电势差(U)就保持稳定。 I＝nqvS，S＝hd联立得 式中的比例系数 称为霍尔系数． (2)设磁感应强度大小为B,电流大小为I,请推导AA'间的霍尔电压U的表达式. [科学思维]如图所示,某空间中存在正交的匀强磁场和匀强电场,电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向里,一带负电的微粒从a点进入场区并 刚好能沿ab直线向上运动,微粒重力不可忽略.请画出带电微粒的 受力示意图,并分析说明运动过程中带电微粒的速度如何变化. 学习任务二 学习任务二 带电体在磁场中的直线运动 [解析]如图所示,微粒受到重力、静电力和洛伦兹力作用.微粒做直线运动的条件是其所受合力方向与速度方向共线或其所受合力为零.假如速度变化,则洛伦兹力变化,微粒将做曲线运动,因此运动过程中带电微粒一定做匀速直线运动. 变式1 [2023·长兴中学月考] 如图所示,空间存在正交的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向里,一个带电小球进入此空间后做直线运动,速度方向垂直于磁场斜向右上方,与电场方向的夹角θ=45°.已知小球质量为m,电荷量为q,匀强磁场的磁感应强度大小为B,重力加速度为g,则( 　) A.小球带负电 B.小球运动的速度大小为 C.匀强电场的电场强度大小为 D.小球运动到图中P点时,撤去磁场,小球运动到与P点等高位置所用时间为 学习任务二 D [解析]小球在电场、磁场、重力场的复合场中做直线运动,一定做的是匀速直线运动,对小球受力分析可知,小球只能带正电,故A错误; 由平衡条件可知qvB=mg,解得v=,故B错误; 由mg=qE,解得E=,故C错误; 小球运动到P点时,撤去磁场,小球在重力和电场力的合力作用下做类平抛运动,则有x=vt,y=at2,a=g,tan 45°=,解得t=,故D正确. 学习任务二 速度选择器 霍尔元件 磁流体发电机 电动势与磁感应强度、两板间距、喷射速度有关。 只选择粒子速度，不选择电量、电性、比荷。 霍尔电压与电流、磁感应强度乘积成正比，与h无关。d为沿磁场方向距离。 F f f F F f 带电粒子在复合场中的运动 课堂小结 $