2024年高考物理一轮复习(新人教版) 第11章 专题强化19 洛伦兹力与现代科技.docx
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1、专题强化十九洛伦兹力与现代科技目标要求1.理解质谱仪和回旋加速器的原理,并能解决相关问题.2.会分析电场和磁场叠加的几种实例题型一质谱仪1作用测量带电粒子质量和分离同位素2原理(如图所示)(1)加速电场:qUmv2;(2)偏转磁场:qvB,l2r;由以上式子可得r,m,.例1如图所示,质谱仪的工作原理如下:一个质量为m、电荷量为q的离子,从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场(初速度为0),然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中,最后打到照相的底片D上不计离子重力则()A离子进入磁场时的速率为vB离子在磁场中运动的轨道半径为rC离子在磁场中运动的轨道半径为r
2、D若a、b是两种同位素的原子核,从底片上获知a、b在磁场中运动轨迹的直径之比是1.081,则a、b的质量之比为1.081答案C解析离子在电场中加速有qUmv2,解得v;离子在磁场中偏转有qvBm,联立解得r ,变形得m,同位素的电荷量一样,其质量之比为1.082,故选项C正确,A、B、D错误题型二回旋加速器1构造如图所示,D1、D2是半圆金属盒,D形盒处于匀强磁场中,D形盒的缝隙处接交流电源2原理交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等,使粒子每经过一次D形盒缝隙就被加速一次3最大动能由qvmB、Ekmmvm2得Ekm,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4总时间粒子在磁
3、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,粒子在磁场中运动的总时间tT.(忽略粒子在狭缝中运动的时间)例2(2023北京市首都师范大学附属中学模拟)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器,工作原理示意图如图所示置于真空中的D形金属盒半径为R,两盒间的狭缝很小,带电粒子穿过狭缝的时间可忽略磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直,高频交流电频率为f,加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为q,在加速器中被加速,且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响则下列说法正确的是()A质子被加速后的最大速度不可能超过2RfB质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C质子第2次和
4、第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1D不改变磁感应强度B和交流电频率f,该回旋加速器也能加速粒子答案A解析质子出回旋加速器的速度最大,此时的半径为R,则v2Rf,所以最大速度不超过2Rf,故A正确;根据Bqvm,知v,则最大动能Ekmmv2,与加速电压无关,故B错误;质子在加速电场中做匀加速运动,在磁场中做匀速圆周运动,根据v知,质子第二次和第一次经过D形盒狭缝的速度之比为1,根据r,则半径之比为1,故C错误;带电粒子在磁场中运动的周期与加速电场的周期相等,根据T知,换用粒子,粒子的比荷变化,周期变化,改变交流电的频率才能加速粒子,故D错误例3回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中如
5、图甲所示为回旋加速器的工作原理示意图,D1盒中心A处有离子源,它不断发出质子加在狭缝间的交变电压如图乙所示,电压值的大小为U0、周期为T.已知质子电荷量为q,质量为m,D形盒的半径为R.设狭缝很窄,粒子通过狭缝的时间可以忽略不计设质子从离子源发出时的初速度为零,不计质子重力求:(1)匀强磁场的磁感应强度B的大小;(2)质子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数;(3)质子在回旋加速器中运动的时间(假设质子经加速后在磁场中又转过半周后射出)答案(1)(2)(3)解析(1)质子在D形盒内做圆周运动,轨道半径达到D形盒半径R时被导出,此时具有最大动能设此时的速度大小为vm,由牛顿第二定律得qvmBm
6、,交变电压的周期T与质子在磁场中运动的周期相同,有T联立解得B(2)质子的最大动能为Ekmmvm2,质子每加速一次获得的能量为E0qU0加速次数为n,联立解得n(3)质子通过狭缝的时间忽略不计,则质子在回旋加速器中运动的时间为tn题型三叠加场在科技中的四种应用中学阶段经常考察四种科研装置,这四种装置的共同特点:带电粒子在叠加场中受到的静电力和洛伦兹力平衡(即qvBqE或qvBq),带电粒子做匀速直线运动 考向1速度选择器(1)平行板间电场强度E和磁感应强度B互相垂直(如图)(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是洛伦兹力与静电力平衡qvBqE,即v.(3)速度选择器只能选择粒子的速度
7、,不能选择粒子的电性、电荷量、质量(4)速度选择器具有单向性例4(2023广东省模拟)如图所示,M、N为速度选择器的上、下两个带电极板,两极板间有匀强电场和匀强磁场匀强电场的电场强度大小为E、方向由M板指向N板,匀强磁场的方向垂直纸面向里速度选择器左右两侧各有一个小孔P、Q,连线PQ与两极板平行某种带电微粒以速度v从P孔沿PQ连线射入速度选择器,从Q孔射出不计微粒重力,下列判断正确的是()A带电微粒一定带正电B匀强磁场的磁感应强度大小为C若将该种带电微粒以速率v从Q孔沿QP连线射入,不能从P孔射出D若将该带电微粒以2v的速度从P孔沿PQ连线射入后将做类平抛运动答案C解析若带电微粒带正电,则受到
8、的洛伦兹力向上,静电力向下,若带电微粒带负电,则受到的洛伦兹力向下,静电力向上,微粒沿PQ运动,洛伦兹力等于静电力,因此微粒可以带正电也可以带负电,故A错误;对微粒受力分析有EqqvB,解得B,故B错误;若带电微粒带负电,从Q孔沿QP连线射入,受到的洛伦兹力和静电力均向上,若带电微粒带正电,从Q孔沿QP连线射入,受到的洛伦兹力和静电力均向下,不可能做直线运动,故不能从P孔射出,故C正确;若将该带电微粒以2v的速度从P孔沿PQ连线射入后,洛伦兹力大于静电力,微粒做曲线运动,由于洛伦兹力是变力,不可能做类平抛运动,故D错误 考向2磁流体发电机(1)原理:如图所示,等离子体喷入磁场,正、负离子在洛伦
9、兹力的作用下发生偏转而聚集在B、A板上,产生电势差,它可以把离子的动能通过磁场转化为电能(2)电源正、负极判断:根据左手定则可判断出正离子偏向B板,图中的B板是发电机的正极(3)发电机的电动势:当发电机外电路断路时,正、负离子所受静电力和洛伦兹力平衡时,两极板间达到的最大电势差为U,则qqvB,得UBdv,则EUBdv.当发电机接入电路时,遵从闭合电路欧姆定律例5(2021河北卷5)如图,距离为d的两平行金属板P、Q之间有一匀强磁场,磁感应强度大小为B1,一束速度大小为v的等离子体垂直于磁场喷入板间,相距为L的两光滑平行金属导轨固定在与导轨平面垂直的匀强磁场中,磁感应强度大小为B2,导轨平面与
10、水平面夹角为,两导轨分别与P、Q相连,质量为m、接入电路的电阻为R的金属棒ab垂直导轨放置,恰好静止,重力加速度为g,不计导轨电阻、板间电阻和等离子体中的粒子重力,下列说法正确的是()A导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上,vB导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下,vC导轨处磁场的方向垂直导轨平面向上,vD导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下,v答案B解析等离子体垂直于磁场喷入板间时,根据左手定则可得金属板Q带正电,金属板P带负电,则电流方向由金属棒a端流向b端由于金属棒恰好静止,则此时等离子体穿过金属板P、Q时产生的电动势U满足qqB1v,由欧姆定律I和安培力公式FBIL可得F安B2L,再根据金属棒ab
11、垂直导轨放置,恰好静止,可得F安mgsin ,则v,金属棒ab受到的安培力方向沿导轨向上,由左手定则可判定导轨处磁场的方向垂直导轨平面向下故选B. 考向3电磁流量计(1)流量(Q):单位时间流过导管某一截面的导电液体的体积(2)导电液体的流速(v)的计算:如图所示,一圆柱形导管直径为d,用非磁性材料制成,其中有可以导电的液体向右流动导电液体中的正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转,a处积累正电荷,b处积累负电荷,使a、b间出现电势差,ab.当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时,a、b间的电势差(U)达到最大,由qqvB,可得v.(3)流量的表达式:QSv.(4)电势高低的判断:根据左手定则可得a
12、b.例6(2023湖南常德市模拟)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()Aa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答案D解析污水中正、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
13、;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qEqvB,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 考向4霍尔效应的原理和分析(1)定义:高为h、宽为d的导体(自由电荷是电子或正电荷)置于匀强磁场B中,当电流通过导体时,在导体的上表面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(2)电势高低的判断:如图,导体中的电流I向右时,根据左手定则可得,若自由电荷是电子,则下表面A的电势高若自由电荷是正电荷,则下表面A的电势低(3)霍尔电压:导体中的自由电荷(电荷量为q)在洛伦兹力
14、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,由qvBq,InqvS,Shd,联立解得Uk,k称为霍尔系数例7(2023北京市人大附中模拟)生活中可以通过霍尔元件来测量转动物体的转速如图甲,在一个圆盘边缘处沿半径方向等间隔地放置四个小磁体,其中两个N极向外,两个S极向外在圆盘边缘附近放置一个霍尔元件,其尺寸如图乙所示当电路接通后,会在a、b两端产生电势差(霍尔电压),当圆盘转动时,电压经电路放大后得到脉冲信号已知脉冲信号的周期为T,若忽略感应电动势的影响,则()A圆盘转动的转速为nB改变乙图中的电源正负极,不影响ab间电势差的正负号C脉
15、冲信号的最大值与霍尔元件的左右宽度L无关D圆盘转到图示位置时,如果a点电势高,说明霍尔元件中定向移动的电荷带负电答案D解析由题意可知,圆盘转动的周期是脉冲信号周期的2倍,可得n,故A错误;改变题图乙中的电源正负极,ab间电势差的正负号相反,故B错误;由公式qvBq可知UBvh,所以霍尔元件所在处的磁场越强,脉冲信号的最大值就越大,与转速无关,结合公式InqSvnqvLh,可得U,所以脉冲信号的最大值与霍尔元件的左右宽度L有关,故C错误;圆盘转到题图所示位置时,由左手定则可知,定向移动的电荷向下偏转,若a点电势高,则定向移动的电荷为负电荷,故D正确课时精练1关于洛伦兹力的应用,下列说法正确的是(
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