2023高考物理一輪復習學案第51講洛倫茲力與現(xiàn)代技術(shù)

第51講：洛倫茲力與現(xiàn)代科技

【知識構(gòu)建】

1.質(zhì)譜儀

如圖所示，離子源A產(chǎn)生質(zhì)量為，小電荷量為q的正離子(所受重力不計)，這些正離子無初速度地經(jīng)過

電壓為U的電場加速后，進入磁感應強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動，經(jīng)過半個周期后到達記錄

它位置的感光片的P點.測得P點到入口S的距離為/,貝IJ：

電場加速：qU—4->nv~___________________

———l=2r,qFF_2__8U感光片uM

fT〃_8U/方\一洋

偏轉(zhuǎn)磁場:，:片：：：：邪:

各種同位素的電荷量4相同，質(zhì)量〃?不同.因為俄8凡所以質(zhì)譜儀是分離..............

同位素的重要儀器.

2.回旋加速器

如圖所示，回旋加速器的核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒之間留下一個窄縫,在中心附近放有粒子源，

D形盒在真空容器中，整個裝置放在巨大的勻強磁場中，并把兩個D形盒分別接在高頻電源的兩極上,

帶電粒子在做圓周運動過程中每次經(jīng)過D形盒縫隙都會被加速一次.其工作原理是：電場加速一磁場偏

轉(zhuǎn).

(1)電場的加速：qU=AEk；

*nw

(2)磁場的偏轉(zhuǎn)：qvB=my,「=贏~；

(3)加速條件：高頻交流電源的周期與帶電粒子在D形盒中運動的周期相同,

即T電場=T回旋=(出■

3.速度選擇器

如圖所示，兩平行金屬板中勻強電場和勻強磁場互相垂直，電場強度為E,磁感應強度為B.帶電粒子沿

垂直電場和磁場的方向射入復合場.若帶電粒子所受洛倫茲力和電場力等大、反向，則粒子沿直線勻速

通過場區(qū)而被選擇.

(1)由可得，被選擇的粒子的速度大小。=系方向由左向右.調(diào)節(jié)電場或磁場的強弱可以改變

被選擇粒子的速率.

(2)速度選擇器只選擇特定速度的粒子，與粒子所帶電荷量的大小、電性的正負無關，與粒子的質(zhì)量也無

關.

(3)速度選擇器中電場、磁場和速度的方向兩兩垂直、互相約束，改變其中任何一個方向都不能正常工作.

1.(2022?廣東潮州期末)(多選)英國物理學家阿斯頓首次制成質(zhì)譜儀，并用此對同位素進行了研究.質(zhì)譜

儀的前端是速度選擇器，如圖所示，一束帶電粒子(不計重力)從左端水平射入后，部分粒子沿直線從右

端水平射出，則下列說法中正確的是()

A.射出的帶電粒子一定帶負電

B.速度選擇器的上極板一定帶正電XXEXX

V

C.沿虛線水平射出的帶電粒子的速率一定等理.............

D

EXX8XX

D.若帶電粒子的入射速度則粒子一定向上偏轉(zhuǎn)

DI

4.磁流體發(fā)電機和電磁流量計

裝置名稱磁流體發(fā)電機電磁流量計

XX.X8X

Tx()xxQg

結(jié)構(gòu)圖示

銹等離子體XX6XX

等離子體以速度o噴入兩平行極板A、導電液體在管中流動，空間加有與速度

B之間的磁場空間，正、負離子在洛倫O垂直的磁場，液體中的正、負離子在

工作原理茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)而聚集在兩極洛倫茲力的作用下偏轉(zhuǎn)，在4、6間形

板A、B上，產(chǎn)生電勢差，從而對負載成電勢差，測量〃、人間的電勢差U,

R供電即可確定液體的流量

設兩A、8極板間的距離為d,磁感應設導管的直徑為4當正、負離子所受

強度為B,當離子所受的電場力和洛倫的電場力和洛倫茲力平衡時，〃、〃間

茲力平衡時，兩極板間的電勢差達到最

相關計算的電勢差保持穩(wěn)定，即4則。

大，即qz>B=3,則此即發(fā)

U一、DTT屋UndU

—&/，故流堇Q-S。一4'Bd-4B

電機的電動勢

共同特點設備穩(wěn)定工作時，帶電粒子所受電場力和洛倫茲力平衡，電勢差U=8而

5.霍爾效應

如圖所示，導體的高為A寬為"，置于勻強磁場B中，當電流通過導體時，定向移動的自由電荷會在

洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而在導體的上表面A和下表面4之間產(chǎn)生電勢差.這種現(xiàn)象稱為霍爾效應.

(1)電勢高低的判斷：用左手定則判斷，圖中，若導體中定向移動的電荷帶正電，則上表面4的電勢高;

若定向移動的電荷帶負電，則下表面4的電勢高.

(2)霍爾電壓的計算：當自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時，霍爾電壓穩(wěn)定.

2.(2016.全國卷I)現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒

定.質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場.若某種一價正離子

在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感

應強度增加到原來的12倍.此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為()一

A.11B.12C.121D.1447

加速電場

出口

3.（2022?安徽阜陽模擬）利用質(zhì)譜儀可以分析同位素，如圖所示，電荷量均為q的同位素碘131和碘127

質(zhì)量分別為W和巾2,從容器A下方的小孔a進入電勢差為U的電場，初速度忽略不計，經(jīng)電場加速后

從S2射出，垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片。上.則照相底片上碘131和

碘127與電之間的距離之比為（）

4.（2022.山東棲霞期末）（多選）在探索微觀世界中，同位素的發(fā)現(xiàn)與證明無疑具有里程碑式的意義.質(zhì)譜

儀的發(fā)現(xiàn)對證明同位素的存在功不可沒，1922年英國物理學家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的

研究榮獲了諾貝爾化學獎.若速度相同的一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運動軌跡如圖所示，不計粒子

重力，則下列說法中正確的是（）

A.該束粒子帶負電

B.速度選擇器的Q極板帶正電

C.在民磁場中運動半徑越大的粒子，比嵋越小

D.在民磁場中運動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大

5.（2022?遼寧沈陽模擬）（多選）醫(yī)用回旋加速器示意圖如圖所示，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩金屬

盒置于勻強磁場中，并與高頻電源相連.現(xiàn)分別加速笊核6H）和氧核?He）.下列說法中正確的是（）

A.它們的最大速度相同

B.它們的最大動能相同

C.兩次所接高頻電源的頻率相同

D.增大高頻電源的電壓可增大粒子的最大射出動能高頻電源

6.（2022?黑龍江佳木斯調(diào)研）一種改進后的回旋加速器示意圖

如圖所示，其中盒縫間的加速電場的電場強度大小恒定，且被限制在A、C板間，虛線中間不需加電場，

帶電粒子從3處以速度的沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進入D形盒中的勻強磁場做勻速圓

周運動，對這種改進后的回旋加速器，下列說法正確的是（）

A.帶電粒子每運動一周被加速兩次

B.圖中尸|、P2、凸、P4間距滿足關系P|B=P3P4

C.加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸有關

D.加速電場方向需要做周期性的變化

7.（2022?浙江山水聯(lián)盟測試）（多選）磁流體發(fā)電機又叫等離子體發(fā)電

依限寸閥于忤發(fā)電通道

機，如圖所示，燃燒室在3000K的高溫下將氣體全部電離為電子和正離子，即高溫等離子體.高溫等

離子體經(jīng)噴管提速后以1000m/s的速度進入矩形發(fā)電通道.發(fā)電通道有垂直于噴射速度方向的勻強磁場,

磁感應強度大小為6T.等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩極間形成電勢差.已知發(fā)電通道長。=50cm,寬人=

20cm,高d=20cm,等離子體的電阻率p=2Q?m.則以下判斷中正確的是（）

A.發(fā)電通道的上極板帶正電，下極板帶負電

B.開關斷開時，高溫等離子體不能勻速通過發(fā)電通道

C.當外接電阻為8Q時，電流表示數(shù)為150A

D.當外接電阻為4Q時，發(fā)電機輸出功率最大

8.（2022.黑龍江哈爾濱模擬）霍爾元件廣泛應用于測量和自動控制等領域，霍爾元件一般用半導體材料制

成，有的半導體中的載流子（自由電荷）是自由電子，有的半導體中的載流子是空穴（相當于正電荷）.用半

導體材料制成的霍爾元件的工作原理示意圖如圖所示，厚度為力，寬度為d,當磁場8的方向與電流/

的方向垂直時，在導體的上、下表面會產(chǎn)生電勢差，下列說法正確的是（）

A.若元件的載流子是自由電子，上表面的電勢低于下表面的電勢

B.若元件的載流子是空穴，上表面的電勢低于下表面的電勢/“

c.保持電流I不變，僅增大h時，上、下表面的電勢差增大/總/，:什

D.保持電流/不變，僅增大d時，上、下表面的電勢差增大

9.（2022?河北高考卷）如圖，距離為4的兩平行金屬板P、。之間有一勻強磁場，磁感應強度大小為所,

一束速度大小為。的等離子體垂直于磁場噴入板間.相距為乙的兩光滑平行金屬導軌固定在與導軌平面

垂直的勻強磁場中，