2027届高考物理一轮复习课件：第11章 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题

该高中物理高考复习课件聚焦“现代科技中的电场与磁场”专题，依据高考评价体系覆盖质谱仪、回旋加速器及复合场四大应用（速度选择器、磁流体发电机等）核心考点，通过分析近三年真题明确质谱仪计算、复合场平衡问题等高频考查方向，归纳选择、计算等常考题型，构建系统备考框架。 课件亮点在于“真题解析+模型建构+规律总结”策略，如以2024甘肃卷质谱仪题为例，运用科学思维中的模型建构提炼加速电场、速度选择器等公式规律，通过洛伦兹力与电场力平衡推理培养科学推理素养。特设“解题精要”板块归纳比荷计算、最大动能分析等技巧，助力学生掌握答题方法，教师可据此精准指导高考冲刺复习。

专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一　质谱仪 能力 高分练 课中 关键能力·可视思维 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 例1 (2024甘肃卷)质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示。Ⅰ为粒子加速器,加速电压为U;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为E1,方向沿纸面向下,匀强磁场的磁感应强度大小为B1,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分离器,匀强磁场的磁感应强度大小为B2,方向垂直纸面向里。从S点释放初速度为零的带电粒子(不计重力),加速后进入速度选择器做直线运动,再由O点进入偏转分离器做圆周运动,最后打到照相底片的P点处,运动轨迹如图中虚线所示。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 (1)粒子带正电还是负电?求粒子的比荷。 (2)求O点到P点的距离。 (3)若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为E2(E2略大于E1),方向不变,粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的O'点上。求粒子打在O'点的速度大小。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 答案 (1)正电　　(2)　(3) 解析 本题考查带电粒子在复合场中的运动和配速法。 (1)由于粒子向上偏转,根据左手定则可知粒子带正电;设粒子的质量为m,电荷量为q,粒子进入速度选择器时的速度为v0,在速度选择器中粒子做匀速直线运动,由平衡条件得 qv0B1=qE1 在加速电场中,由动能定理得 qU= 联立解得,粒子的比荷为。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 (2)由洛伦兹力提供向心力得 qv0B2=m 可得O点到P点的距离为 OP=2r=。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 (3)粒子进入Ⅱ瞬间,粒子受到向上的洛伦兹力为 F洛=qv0B1 粒子受到向下的电场力为F=qE2 由于E2>E1,且qv0B1=qE1 所以通过配速法,如图所示,其中满足qE2=q(v0+v1)B1 则粒子在速度选择器中水平向右以速度v0+v1做匀速 运动的同时,竖直方向以v1做匀速圆周运动,当该速度的方向变为水平向右时,满足垂直打在速度选择器右挡板的O'点的要求,故此时粒子打在O'点的速度大小为v'=v0+v1+v1=。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 解题精要 1.加速电场原理:qU=mv2。 2.速度选择器原理: qE=qvB。 3.偏转磁场原理: qvB=,l=2r。 结论:r=。 考点一 考点二 考点三 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点二　回旋加速器 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 例2 (2024江苏卷)如图所示,两个半圆环区abcd、a'b'c'd'中有垂直纸面向里的匀强磁场,区域内、外边界的半径分别为R1、R2。ab与a'b'间有一个匀强电场,电势差为U,cd与c'd'间有一个插入体,电子每次经过插入体速度减小为原来的k倍。现有一个质量为m、电荷量为e的电子,从cd面射入插入体,经过磁场、电场后再次到达cd面,速度增加,多次循环运动后,电子的速度大小达到一个稳定值,忽略相对论效应,不计电子经过插入体和电场的时间。求: 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 (1)电子进入插入体前后在磁场中运动的半径r1、r2之比; (2)电子多次循环后到达cd的稳定速度v; (3)若电子到达cd中点P时速度稳定,并最终到达边界d,求电子从P到d的时间t。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 答案 (1)1∶k　(2),方向垂直于cd向左　(3) 解析 (1)设电子进入插入体前后的速度大小分别为v1、v2,由题意可得v2=kv1 电子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力得evB=m 解得r= 可知在磁场中的运动半径r∝v,可得r1∶r2=v1∶v2=1∶k。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 (2)电子多次循环后到达cd的稳定速度大小为v,则经过插入体后的速度大小为kv。电子经过电场加速后速度大小为v, 根据动能定理得eU=mv2-m(kv)2 解得v=, 方向垂直于cd向左。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 (3)电子到达cd中点P时速度稳定,并最终到达边界上的d点。由Р点开始相继在两个半圆区域的运动轨迹如下图所示。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 根据(1)(2)的结论,可得电子在右半圆区域的运动半径为r= 电子在左半圆区域的运动半径为kr,则Δx=2r-2kr P点与d点之间的距离为Pd=(R2-R1) 电子由Р点多次循环后到达d点的循环次数为n= 电子在左、右半圆区域的运动周期均为T= 忽略经过电场与插入体的时间,则每一次循环的时间均等于T,可得电子从Р到d的时间为t=nT=。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解题精要 1.获得的最大动能:由qvmB=,粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定,与加速电压无关。 2.粒子被加速次数:粒子在回旋加速器中被加速的次数n=(U是加速电压的大小)。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 3.粒子在磁场中运动的时间: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=。 4.粒子在电场中运动的时间:根据nd=。粒子在电场(狭缝)中的运动时间是次要的,有时可以忽略不计。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 考点三　复合场在科技中的四种应用 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 角度一　速度选择器模型 例3 (2026湖南邵阳检测)如图所示,两水平金属板构成的器件中,存在着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。一带正电粒子以某一水平速度v从P点射入,恰好能沿直线运动从Q点射出,不计带电粒子的重力。下列说法正确的是(　　) A.粒子的速度大小满足v= B.如只增加粒子的电荷量,粒子将向上偏 C.如只增加粒子速率,粒子将向上偏 D.若粒子以速度v从Q点水平向左射入,能沿直线运动从P点射出 C 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解析 带正电粒子射入该器件中恰好能沿直线运动,则有qvB=qE,解得v=,故A错误;根据A项分析,洛伦兹力与电场力平衡与电荷量大小无关,如只增加粒子电荷量,粒子仍将沿直线运动,如只增加粒子速率,粒子受到向上的洛伦兹力将大于电场力,向上偏,故B错误,C正确;若粒子以速度v从Q点水平向左射入,受到的洛伦兹力和电场力都向下,故不能沿直线运动从P点射出,故D错误。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 角度二　磁流体发电机模型 例4 (多选)(2024湖北卷)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 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解析 本题考查磁流体发电机。根据左手定则,带正电的粒子因受到洛伦兹力而向上偏转,同理带负电的粒子向下偏转,此时极板MN带正电为发电机正极,A正确;当粒子受到的洛伦兹力和电场力平衡时,设此时极板间距为d,有qvB=q,可得U=Bdv,因此仅增大两极板间的距离,极板间的电压U增大,仅增大等离子体的喷入速率,极板间的电压U增大,极板间的电压U的大小与喷入等离子体的正、负带电粒子数密度无关,B、D错误,C正确。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 角度三　电磁流量计 例5 工业上常用电磁流量计来测量高黏度及强腐蚀性流体的流量Q(单位时间内流过管道横截面的液体体积),原理如图甲所示,在非磁性材料做成的圆管处加一磁感应强度大小为B的匀强磁场,当导电液体流过此磁场区域时,测出管壁上下M、N两点间的电势差U,就可计算出管中液体的流量。为了测量某工厂的污水排放量,技术人员在充满污水的排污管末端安装了一个电磁流量计,如图乙所示,已知排污管和电磁流量计处的管道直径分别为20 cm和10 cm。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 当流经电磁流量计的液体速度为10 m/s时,其流量约为280 m3/h,若某段时间内通过电磁流量计的流量为70 m3/h,则在这段时间内(　　) A.M点的电势一定低于N点的电势 B.通过排污管的污水流量约为140 m3/h C.排污管内污水的速度约为2.5 m/s D.电势差U与磁感应强度B之比约为0.25 m2/s D 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解析 根据左手定则可知,进入磁场区域时正电荷会向上偏转,负电荷向下偏转,所以M点的电势一定高于N点的电势,故A错误;设流量为70 m3/h时,电磁流量计内污水的速度为v1,由Q=πr2v得=4,由题知v'=10 m/s,解得v1=2.5 m/s,某段时间内通过电磁流量计的流量为70 m3/h,则通过排污管的污水流量也是70 m3/h,流量计半径为r=5 cm=0.05 m,排污管的半径R=10 cm=0.1 m,由Q=πr2v1=πR2v2可知,流经电磁流量计的污水速度为v1=2.5 m/s时,排污管内污水的速度为v2=0.625 m/s,故B、C错误;流量计内污水的速度为v1=2.5 m/s,当带电粒子在电磁流量计中受力平衡时,有q=qv1B,可知=v1d1=0.25 m2/s,故D正确。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 角度四　霍尔元件 例6 (多选)(2025湖南长沙模拟)为了市民换乘地铁方便,厦门海沧区政府在地铁口和主要干道上投放了大量共享电动车。骑行者通过拧动把手来改变车速,把手内部结构如图甲所示,其截面如图乙所示。稍微拧动把手,霍尔元件保持不动,磁铁随把手转动,与霍尔元件间的相对位置发生改变,穿过霍尔元件的磁场强弱和霍尔电压UH大小随之变化。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 已知霍尔电压越大,电动车能达到的最大速度vm越大,霍尔元件工作时通有如图乙所示的电流I,载流子为电子,则(　　) A.霍尔元件下表面电势高于上表面 B.霍尔元件下表面电势低于上表面 C.从图乙所示位置沿a方向稍微拧动把手,可以增大vm D.其他条件不变,调大电流I,可以增大vm AD 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解析 霍尔元件工作时载流子为电子,由左手定则可知电子所受洛伦兹力指向上表面,所以霍尔元件下表面电势高于上表面,故A正确,B错误;设霍尔元件上、下表面的距离为d,可得evB=e,解得UH=Bdv,可见vm∝UH∝Bdv,从图乙所示位置沿a方向稍微拧动把手,则穿过霍尔元件的磁场变弱,vm减小,故C错误;根据I=neSv,联立解得UH=,可知其他条件不变,调大电流I,则UH增大,可以增大vm,故D正确。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 解题精要 装置 原理图 规律 速度 选择 器   若qv0B=Eq,即v0=,粒子做匀速直线运动 磁流 体发 电机   等离子体射入,受洛伦兹力偏转,使两极板带正、负电,两极电压为U时稳定,有q=qv0B,U=Bdv0 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 装置 原理图 规律 电磁 流量 计   q=qvB,所以v=,所以Q=vS= 霍尔 元件   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电势差 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 能力要语 1.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,带电粒子做匀速直线运动。 2.对于速度选择器: (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。 3.对于霍尔元件,分析两侧面产生电势高低时应特别注意霍尔元件的材料。 (1)若霍尔元件的材料是金属,则参与定向移动形成电流的是电子,偏转的也是电子; (2)若霍尔元件的材料是半导体,则参与定向移动形成电流的可能是正“载流子”,此时偏转的是正电荷。 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 破题思维链 解决电磁场中科技应用问题的一般思维过程 专题提升课14　现代科技中的电场与磁场问题 考点一 考点二 考点三 $