高中物理人教版（2022春 ） 选择性必修第二册 第一章　专题强化2　洛伦兹力与现代科技（45张PPT）

(共45张PPT)
第一章　安培力与洛伦兹力
专题强化2　洛伦兹力与现代科技
1.知道速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件
的工作原理.
2.进一步了解洛伦兹力在科技生活中的应用，提高学生的综
合分析和计算能力.
【学习目标】
【内容索引】
探究重点
提升素养
随堂演练
逐点落实
专题
强化练
TANJIUZHONGDIAN　 TISHENGSUYANG
探究重点　提升素养
1
一、速度选择器
1.装置及要求
如图1，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧射入，不计粒子重力.
图1
2.带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝
3.速度选择器的特点
(1)v的大小等于E与B的比值，即v＝ .速度选择器只对选择的粒子的速度有要求，而对粒子的质量、电荷量大小及带电正、负无要求.
(2)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.
(3)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.
A.电荷量为－q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时，
不能匀速通过场区
B.电荷量为2q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时，不能匀速通过场区
C.保持电场强度和磁感应强度大小不变，方向均与原来相反，则粒子仍能匀
速通过场区
D.粒子以速度v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，粒子仍能匀速通过场区
例1　(2020·福建泉州期末)如图2所示，两个平行金属板M、N间为一个正交的匀强电场和匀强磁场区域，电场方向由M板指向N板，磁场方向垂直纸面向里，OO′为距离两极板相等且平行两极板的直线.一质量为m、电荷量为＋q的带电粒子，以速度v0从O点射入，沿OO′方向匀速通过
场区，不计带电粒子的重力，则以下说法正确的是
图2
√
解析　由题意知带正电的粒子能从左向右匀速通过场区，则粒子所受竖直向上的洛伦兹力与竖直向下的电场力平衡，有qE＝Bqv0，解得v0＝ ，可知平衡条件与电荷量的多少无关，因此电荷量为－q和2q的粒子以v0入射，都能从左向右匀速通过场区，A、B错误；
当电场方向与磁场方向都与原来相反时，粒子所受电场力和洛伦兹力的方向仍相反，所以粒子以v0从O点沿OO′方向射入时仍能匀速通过场区，C正确；
若粒子以速率v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，粒子受到竖直向下的电场力与竖直向下的洛伦兹力，不能平衡，因此不能匀速通过场区，D错误.
二、磁流体发电机
磁流体发电机的发电原理图如图3甲所示，其平面图如图乙所示.
图3
设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，匀强磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，极板间电压为U，根据FB＝FE，有qvB＝qE＝ ，得U＝Bdv.
根据外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，故此磁流体发电机的电动势为E电源＝U＝Bdv.
例2　(2018·浙江11月选考)磁流体发电的原理如图4所示，将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，在相距为d、宽为a、长为b的两平行金属板间便产生电
压.如果把上、下板和电阻R连接，上、下板就是
一个直流电源的两极，若稳定时等离子体在两
板间均匀分布，电阻率为ρ，忽略边缘效应，下
列判断正确的是
图4
√
解析　根据左手定则可知，正离子在磁场中受到的洛伦兹力向下，故下板为正极，设两板间的电压为U，
针对训练　(2021·江苏盐城市东台中学高二期中)磁流体发电机原理如图5所示，等离子体高速喷射到加有强磁场的管道内，正、负离子在洛伦兹力作用下分别向A、B两金属板偏转，形成直流电源对外供电.则
A.仅减小两板间的距离，发电机的电动势将增大
B.仅增强磁场的磁感应强度，发电机的电动势将增大
C.仅增加负载的阻值，发电机的输出功率将增大
D.仅增大磁流体的喷射速度，发电机的总功率将减小
图5
√
解析　最终离子所受电场力与洛伦兹力平衡，有 ，解得E＝UAB＝Bdv，只减小两板之间的距离，电势差也会减小，即电动势将减小；只增强磁感应强度，发电机的电动势将增大，故A错误，B正确.
根据总功率为P总＝EI＝ ，当只增大磁流体的喷射速度，发电机的总功率将增大，故D错误.
依据电源的输出功率表达式P＝( )2R，当R＝r时，输出功率达到最大，因此仅增加负载的阻值，发电机的输出功率不一定增大，故C错误.
设管的直径为D，磁感应强度为B，
a、b两点间的电势差是由于导电液
体中电荷受到洛伦兹力作用，在管壁的上、下两侧堆积产生的.到一定程度后，a、b两点间的电势差达到稳定值U，上、下两侧堆积的电荷不再增多，
三、电磁流量计
如图6甲、乙所示是电磁流量计
的示意图.
图6
例3　(2021·江苏无锡高二期末)2020年初爆发了新冠肺炎，该病毒传播能力非常强，因此研究新冠肺炎病毒株的实验室必须是全程都在高度无接触物理防护性条件下操作.武汉病毒研究所是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7丙所示模型：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.带电粒子所受洛伦兹力方向水平向左
B.正、负离子所受洛伦兹力方向是相同的
C.测量M、N两点间的电压就能够推算废液的流量
D.M点电势高于N点电势
图7
√
解析　根据左手定则，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，则正电荷聚集在N一侧，负电荷聚集在M一侧，则M点的电势低于N点的电势，A、B、D错误；
即只需要测量M、N两点间的电压就能够推算废液的流量，选项C正确.
四、霍尔元件(*)
例4　如图8所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差U，这种现象称为霍尔效应.
图8
霍尔效应可解释如下：外部磁场对运动电子的洛伦兹力使电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成电场.电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力.当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上、下两侧面之间就会形成稳定的电势差.电流I是自由电子的定向移动形成的，电子的平均定向移动速率为v，电荷量为e.
回答下列问题：
(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势_____(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A′的电势.
低于
解析　电子向左做定向移动，由左手定则知电子所受洛伦兹力的方向向上，故上侧面A聚集电子，下侧面A′聚集正电荷，上侧面A的电势低于下侧面A′的电势.
(2)电子所受洛伦兹力的大小为______.
evB
解析　F洛＝evB.
(3)当导体板上、下两侧面之间的电势差为UH时，电子所受电场力的大小
为_____.
(4)导体板上、下两侧面产生的稳定的电势差U＝_____.
Bhv
分析两侧面产生电势高低时应特别注意霍尔元件的材料，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；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.
总结提升
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SUITANGYANLIAN　 ZHUDIANLUOSHI
随堂演练　逐点落实
2
1.(速度选择器)如图9所示的平行板器件中有方向相互垂直的匀强电场和匀强磁场.一带正电的粒子以某一速度从该装置的左端水平向右进入两板间后，恰好能做直线运动.忽略粒子重力的影响，则
A.若只将粒子改为带负电，其将往上偏
B.若只增大粒子进入该装置的速度，其
将往上偏
C.若只增大粒子的电荷量，其将往下偏
D.若粒子从右端水平进入，则仍沿直线水平飞出
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图9
解析　带正电的粒子在该装置中恰好做直线运动，向上的洛伦兹力和向下的电场力平衡，
若只将粒子改为带负电，则所受洛伦兹力和电场力的方向均反向，粒子仍沿直线通过，选项A错误；
若只增大粒子进入该装置的速度，则洛伦兹力变大，粒子将往上偏，选项B正确；
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若只增大粒子的电荷量，向上的洛伦兹力和向下的电场力仍平衡，粒子仍将沿直线通过，选项C错误；
若粒子从右端水平进入，则所受电场力和洛伦兹力均向下，粒子不可能仍沿直线水平飞出，选项D错误.
2.(磁流体发电机)(2021·广东深圳高二期末)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把气体的内能直接转化为电能，图10是它的示意图，平行金属板A、B之间有一个很强的匀强磁场，磁感应强度为B，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)垂直于磁场且平行于A、B板平面的方向喷入磁场，每个离子的速度为v，电荷量大小为q，A、B两板间的距离为d，装置稳定时，下列说法中正确的是
A.B板的电势比A板的高
B.图中通过电阻R的电流方向是向下的
C.离子只受到电场力作用
D.图中电阻R两端电压为Bvq
√
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图10
解析　根据左手定则，正离子偏向B板，所以B板带正电，A板带负电，即B板的电势比A板的高，通过电阻R的电流方向是向上的，A正确，B错误；
两板带电后，离子受到电场力和洛伦兹力，C错误；
电动势E＝U＝Bvd，
设磁流体发电机的内阻为r，
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3.(电磁流量计)(2021·江苏宿迁高二期末)江苏启动“263”专项行动，打响碧水蓝天保卫战，根据群众举报“263”暗访组对某化工厂的排污管进行了测量.如图11所示，是排污管末端安装的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，匀强磁场方向垂直纸面向里，在上下两个内侧面a、b固定有金属板作为电极，a、b两端连接显示器(图中未画出).污水充满管口从左向右流经测量管时，a、b两端电压为U，显示仪器显示污水流量为Q(单位时间内排出的污水体积).则
A.a侧电势比b侧电势低
B.由题中条件可得污水流量Q＝
C.该流量计也能检测出离子的浓度
D.若污水从右侧流入测量管，则不能测出流量
√
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2
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图11
返回
ZHUANTIQIANGHUALIAN
专题强化练
3
1.如图1所示，在两水平极板间存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向下，磁场方向垂直于纸面向里(图中未画出).一带电粒子以某一速度沿水平直线通过两极板.若不计重力，下列四个物理量中哪一个改变时，粒子运动轨迹不会改变
A.粒子速度的大小
B.粒子所带的电荷量
C.电场强度
D.磁感应强度
基础强化练
√
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图1
A.若改变带电粒子电性，即使它以同样的速度v射入
该区域，其运动方向也一定会发生偏转
B.带电粒子无论带上何种电荷，只要以同样的速度v
入射，都不会发生偏转
C.若带电粒子的入射速度v′>v，它将做匀变速曲线运动
D.若带电粒子的入射速度v′2.(2021·江苏盐城市东台中学高二期中)如图2所示，M、N为一对水平放置的平行金属板，一带电粒子以平行于金属板方向的速度v穿过平行金属板.若在两板间存在互相垂直的匀强电场和匀强磁场，可使带电粒子的运动不发生偏转.不计粒子所受的重力，则以下叙述正确的是
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图2
√
若带电粒子的入射速度v′>v，则有qv′B>qE，洛伦兹力大于电场力，粒子将向洛伦兹力方向偏转而做曲线运动，故电场力做负功，粒子的速度将减小，当粒子速度变化，洛伦兹力也随之发生变化，所以粒子所受合外力时刻发生变化，因此粒子不做匀变速曲线运动，故C错误；
若带电粒子的入射速度v′解析　粒子的运动不发生偏转，故粒子所受电场力和洛伦兹力平衡，粒子做匀速直线运动，根据平衡条件，有qvB＝qE，故v＝ ，若改变带电粒子的电性，电场力和洛伦兹力方向同时改变，当它以同样的速度v射入该区域时，其运动方向一定不会发生偏转，故A错误，B正确；
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解析　磁场力即洛伦兹力，不做功，故W＝0，D错误；
分析可知，有磁场时，带正电的离子受到洛伦兹力的作用，使其所受的电场力做功减少，A、C错误，B正确.
3.有一个带正电荷的离子沿垂直于电场的方向射入带电平行板的匀强电场，离子飞出电场后的动能为Ek.当在带电平行板间再加上一个垂直纸面向里的如图3所示的匀强磁场后，离子飞出电场后的动能为Ek′，磁场力做功为W，则下列判断正确的是
A.EkEk′，W＝0
C.Ek＝Ek′，W＝0 D.Ek>Ek′，W>0
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图3
4.(2020·济南市历城第二中学期中)如图4所示为磁流体发电机发电原理示意图，将一束等离子体(高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的离子)射入磁场，磁场中有两块金属板P、Q，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压.两金属板的板长为L1，板间距离为L2，匀强磁场的磁感应强度为B且平行于两金属板，等离子体充满两板间的空间.
等离子体的初速度v与磁场方向垂直，当发电机稳定
发电时，P板和Q板间电势差UPQ为
√
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图4
解析　等离子体进入两金属板间，在洛伦兹力作用下带正电的离子向P板运动，带负电的离子向Q板运动，金属板间形成一个向下的匀强电场，并且场强越来越大，
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当离子受到的洛伦兹力和电场力平衡时，正、负离子做匀速直线运动通过金属板，发电机稳定发电，
则有qE＝qvB，又UPQ＝EL2，可得UPQ＝vBL2，选项B对.
5.(2020·江苏苏北期末)如图5所示，宽度为h、厚度为d的霍尔元件放在与它垂直的磁感应强度大小为B的匀强磁场中，当恒定电流I通过霍尔元件时，在它的前、后两个侧面之间会产生电压，这样就实现了将电流输入转化为电压输出.为提高输出的电压，可采取的措施是
A.增大d
B.减小d
C.增大h
D.减小h
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图5
能力综合练
解析　当自由电子受力稳定后，受到的电场力和洛伦兹力平衡，
故Eq＝Bqv
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电流I＝neSv＝nehdv
故要使U变大，需要减小d，与h无关.故B正确.
6.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度.电磁血流计由一对电极a和b以及磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的.使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图6所示.由于血液中的正、负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差.在达到平衡时，血管内部的电场可看作匀强电场，血液中的离子所受的电场
力和磁场力的合力为零.在某次监测中，两触点的
距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间
的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.04 T.
则血流速度的近似值和电极a、b的正负为
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图6
A.1.3 m/s，a正、b负
B.2.7 m/s，a正、b负
C.1.3 m/s，a负、b正
D.2.7 m/s，a负、b正
√
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解析　血液中正、负离子流动时，根据左手定则，正离子受到向上的洛伦兹力，负离子受到向下的洛伦兹力，所以正离子向上偏转，负离子向下偏转，则a极带正电，b极带负电.
7.(2021·浙江丽水高二期末)磁流体发电的原理如图7所示，将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，在面积为ab、间距为d的两平行金属板间产生电动势.将其上下极板与阻值为R的定值电阻和电容为C的电容器相连，间距为L的电容器极板间有一带电微粒处于静止状态，不计其他电阻，重力加速度为g.下列说法正确的是
A.平行金属板上极板比下极板电势高
B.磁流体发电机的电动势为BLv
C.电容器所带电荷量为CBav
D.微粒的比荷＝
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图7
√
解析　将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场时，由左手定则可以判断正离子受到的洛伦兹力向下，
所以正离子会聚集到下极板上，负离子受到的洛伦兹力向上，负离子聚集到上极板上，故平行金属板上极板比下极板电势低，故A错误；
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电容器两端的电势差等于电源电动势，根据 ，联立方程，可得电容器所带电荷量为Q＝CBdv，故C错误；
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8.为加大环保督查力度，打响碧水蓝天保卫战，督查暗访组在某化工厂的排污管末端安装了如图8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＝
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图8
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，负离子向前表面偏，所以a侧电势比c侧电势高，故A错误；
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可知Q与U、D成正比，与L无关；
最终正、负离子受到的电场力、洛伦兹力处于平衡，有qE＝qvB，
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