教科版高中物理选择性必修第二册第一章磁场对电流的作用专题强化2洛伦兹力与现代科技课件(60页PPT)

(共60张PPT)
[学习目标]
1.知道磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理。
2.能运用工作原理解决生产和生活中的实际问题。
1.原理
磁流体发电机的发电原理图如图甲所示，其平面图如图乙所示。
2.电动势
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。
3.电源正、负极的判断：根据左手定则可判断，正离子向M极板偏转，M极板积聚正离子，电势高，为发电机正极，N极板积聚负离子，电势低，为发电机负极。
[思考探究]
若平行金属板A、B的面积均为S，磁场的磁感应强度为B，两板间的垂直距离为d，等离子体的电阻率为ρ，速度为v，电路电阻为R，则闭合开关后电路中电流多大？理想电压表的示数为多大？
角度1　磁流体发电机的原理
[例1]　(2024·湖北卷)(多选)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
角度2　电路中的计算
[例2]　(2025·长沙市高二期中)磁流体发电机可简化为如下模型：两块长、宽分别为a、b的平行板，彼此相距L，板间通入已电离的速度为v的气流，两板间存在一磁感应强度大小为B的匀强磁场，磁场方向与两板平行，并与气流速度方向垂直，如图所示，把两板与外电阻R连接起来，在洛伦兹力作用下，气流中的正、负离子分别向两板移动形成电流，该气流的电阻率为ρ，则(　　)
B
如图甲、乙所示是电磁流量计的示意图。
[例3]　(2025·重庆市高二期末)某化工企业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，匀强磁场方向竖直向下，大小为B，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经测量管时，a、c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(　　)
D
[例4]　(2024·江西卷)石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维蜂窝状晶格结构新材料，具有丰富的电学性能。现设计一电路测量某二维石墨烯样品的载流子(电子)浓度。如图(a)所示，在长为a，宽为b的石墨烯表面加一垂直向里的匀强磁场，磁感应强度为B，电极1、3间通以恒定电流I，电极2、4间将产生电压U。当I＝1.00×10-3 A时，测得U－B关系图线如图(b)所示，元电荷e＝1.60×10-19 C，则此样品每平方米载流子数最接近(　　)
D
A.1.7×1019 B.1.7×1015
C.2.3×1020 D.2.3×1016
1.作用：利用霍尔效应的原理可以制造特斯拉计，测量磁场的磁感应强度。
2.原理：
霍尔传感器用到了霍尔效应，如图所示，设霍尔元件的厚度为d，长为a，宽为b，通上图示方向的电流为I，加上竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B。
[思考探究]
某实验小组用如图所示霍尔元件来测量匀强磁场的磁感应强度。已知单位体积自由电子的个数为n，实验中通过霍尔元件的电流为I，用电压表测量CD间的电压为U，请同学们用U、e、I等已知量表示磁感应强度B的大小。
[例5]　利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。图中一块长为a、宽为b、厚为c的半导体样品薄片放在沿y轴正方向的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。当有大小为I、沿x轴正方向的恒定电流通过样品板时，会在与z轴垂直的两个侧面之间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原理是薄片中的带电粒子受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是上、下表面间建立起电场EH，同时产生霍尔电压UH。当导电粒子所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，EH和UH达到稳定值，UH的大小与I和B满足关系UH＝kHIB，其中kH称为霍
尔元件灵敏度，kH越大，灵敏度越高。半导体内导电粒子——“载流子”有两种：自由电子和空穴(空穴可视为能自由移动的带正电粒子)，若每个载流子所带电荷量的绝对值为e，薄片内单位体积中导电的电子数为n。下列说法正确的是(　　)
A.若载流子是自由电子，半导体样品的上表面电势高
D
[例6]　(多选)共享电动单车大大方便了市民出行，骑行者通过拧动手把来改变车速，手把内部结构如图甲所示，其截面如图乙所示。稍微拧动手把，霍尔元件保持不动，磁铁随手把转动，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大小随之变化。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(　　)
AC
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方向稍微拧动手把，可以增大vm
D.提速过程，洛伦兹力对运动电子做正功
1.(磁流体发电机)如图所示是磁流体发电机的示意图，两平行金属板P、Q之间存在很强的磁场，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中流过由b向a方向的电流
C.若只改变磁感应强度大小，R中电流保持不变
D.若只增大粒子入射速度，R中电流增大
D
2.(电磁流量计)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静电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(　　)
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
A
3.(霍尔元件)(2023·浙江1月选考)某兴趣小组设计的测量大电流的装置如图所示，通有电流I的螺绕环在霍尔元件处产生的磁场B＝k1I，通有待测电流I′的直导线ab垂直穿过螺绕环中心，在霍尔元件处产生的磁场B′＝k2I′。调节电阻R，当电流表示数为I0时，元件输出霍尔电压UH为零，则待测电流I′的方向和大小分别为(　　)
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[基础巩固练]
1.如图所示为磁流体发电机原理图，足够大平行金属板A、B之间有一个很强的磁场，将一束带正电的等离子体(重力不计)喷入磁场，A、B两板间便产生电压从而向外供电，下列说法正确的是(　　)
A.A金属板为发电机正极
B.仅减小金属板间距，发电机电动势增大
C.仅提高喷射的速度，发电机电动势增大
D.仅提高磁场的磁感应强度，发电机电动势保持不变
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2.磁流体发电机的发电原理如图所示，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(　　)
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3.(多选)电磁流量计是用来测管内电介质流量的感应式仪表，单位时间内流过管道横截面的液体体积为流量。如图为电磁流量计示意图和匀强磁场方向，磁感应强度大小为B。当管中有导电液体流过时，测得管壁上M、N两点间的电压为U，已知管道直径为d，则(　　)
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4.笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向从左向右的电流时，电子的定向移动速率为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的(　　)
A.前表面的电势比后表面的低
B.前后表面间的电压U与a无关
C.增大磁感应强度B，前后表面间的电压U增大
D.将磁场方向变为与元件的上下表面平行，U不变
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5.霍尔元件是把磁学量转换为电学量的电学元件，如图所示，某元件的宽度为h，厚度为d，磁感应强度为B的磁场垂直于该元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差U，设元件中能够自由移动的电荷带正电，电荷量为q，且元件单位体积内自由电荷的个数为n，则下列说法正确的是(　　)
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6.(多选)应用霍尔效应可以测量车轮转动的角速度ω，如图所
示为轮速传感器的原理示意图，假设齿轮为五齿结构，且均
匀分布，当齿轮凸起部分靠近磁体时，磁体与齿轮间的磁场
增强，凹陷部分靠近磁体时，磁体与齿轮间的磁场减弱。工作时，通过霍尔元件上、下两面通入电流I，前后两面连接控制电路。下列说法正确的是(　　)
A.若霍尔元件内部是通过负电荷导电的，则前表面比后表面的电势高
B.增大通过霍尔元件的电流，可以使控制电路监测到的电压变大
C.控制电路接收到的电压升高，说明齿轮的凹陷部分在靠近霍尔元件
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[能力提升练]
7.(2025·成都市高二期末)(多选)如图所示为磁流体发电机的原理图。金属板M、N间距d＝20 cm，匀强磁场的磁感应强度大小B＝5 T，方向垂直纸面向里。现将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的离子，整体呈电中性)从M、N板间的左侧射入磁场，电路稳定后图中额定功率P＝100 W的灯泡恰好正常发光，且此时灯泡电阻R＝100 Ω。不计离子重力和发电机内阻，每个离子电荷量绝对值为1.6×10-19 C，则下列说法正确的是(　　)
BCD
A.金属板M上聚集负电荷，金属板N上聚集正电荷
B.该发电机的电动势为100 V
C.离子从左侧喷射入磁场的初速度大小为100 m/s
D.每秒钟有6.25×1018个离子打在金属板N上
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A.电阻R中的电流方向为从Q到P
B.洛伦兹力对高温粒子做了正功
C.当外接电阻为R＝9 Ω时，电压表的示数为900 V
D.当外接电阻为R＝9 Ω时，发电机的输出功率最大
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9.(多选)如图所示，流量计由一长、宽、高分别为a、b、c的绝缘矩形通道制成。其左右两端开口，前后内侧面固定有金属板作为电极M、N，并与电压表相连。已知垂直于上下面板匀强磁场的磁感应强度大小为B，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表示数为U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，则(　　)
A.N端的电势比M端的高
B.电压表的示数U跟污水的流量Q成正比
C.电压表的示数U跟a和b都成正比，跟c无关
D.若污水中正、负离子数相同，则前后表面的电势差为零
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10.如图所示，一块长方体半导体材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。当通以从左到右的恒定电流I时，半导体材料上、下表面电势分别为φ1、φ2。该半导体材料垂直电流方向的截面为长方形，其与磁场垂直的边长为a、与磁场平行的边长为b，半导体材料单位体积内自由移动的带电粒子数为n，每个粒子的带电荷量大小为q。那么(　　)
A.若φ1>φ2，则半导体中自由移动的粒子带负电
B.若φ1<φ2，则半导体中自由移动的粒子带正电
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A.霍尔元件前表面的电势低于后表面
B.若电源的正、负极对调，电压表将反偏
C.电压表的示数与R消耗的电功率成正比
D.IH与I不成正比
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[拓展培优练]
12.如图所示，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，导轨平面与水平面夹角为θ，两导轨分别与P、Q相连。质量为m、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(　　)
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