《2019-2020版高中物理 第5章 磁場與回旋加速器 微型專題5 洛倫茲力作用下的實例分析講義+精練（含解析）滬科版選修3-1》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020版高中物理 第5章 磁場與回旋加速器 微型專題5 洛倫茲力作用下的實例分析講義+精練（含解析）滬科版選修3-1（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、微型專題5洛倫茲力作用下的實例分析學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求物理觀念：知道速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計和霍爾效應(yīng)的原理.科學(xué)思維：進一步了解洛倫茲力在科技生活中的應(yīng)用，提高學(xué)生的綜合分析和計算能力.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：體會洛倫茲力的應(yīng)用實例給現(xiàn)代科技生活帶來的變化.一、速度選擇器1.裝置及要求如圖1，兩極板間存在勻強電場和勻強磁場，二者方向互相垂直，帶電粒子從左側(cè)射入，不計粒子重力.圖12.帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是qEqvB，即v.3.速度選擇器的特點(1)v的大小等于E與B的比值，即v.速度選擇器只對選擇的粒子速度有要求，而對粒子的質(zhì)量、電荷量大小及帶電正、負無要求.(2)當(dāng)
2、v時，粒子向f方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做負功，粒子的動能減小，電勢能增大.(3)當(dāng)v時，粒子向F電方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做正功，粒子的動能增大，電勢能減小.例1在兩平行金屬板間，有如圖2所示的正交的勻強電場和勻強磁場.粒子以速度v0從兩板左側(cè)正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時，恰好能沿直線勻速通過.供下列各小題選擇的選項有：圖2A.不偏轉(zhuǎn)B.向上偏轉(zhuǎn)C.向下偏轉(zhuǎn)D.向紙內(nèi)或紙外偏轉(zhuǎn)(1)若質(zhì)子以速度v0從兩板左側(cè)正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時，質(zhì)子將 .(2)若電子以速度v0從兩板左側(cè)正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時，電子將 .(3)若質(zhì)子以大于v0的速度從兩板左側(cè)正中央垂直于電場方向和磁場方向射入
3、時，質(zhì)子將 .(4)若增大勻強磁場的磁感應(yīng)強度，其他條件不變，電子以速度v0沿垂直于電場和磁場的方向，從兩板左側(cè)正中央射入時，電子將 .答案(1)A(2)A(3)B(4)C解析設(shè)帶電粒子的帶電荷量為q，勻強電場的電場強度為E，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B.帶電粒子以速度v0從左側(cè)垂直射入正交的勻強電場和勻強磁場中時，若粒子帶正電荷，則所受電場力方向向下，大小為qE；所受磁場力方向向上，大小為Bqv0.沿直線勻速通過時，顯然有Bqv0qE，v0，即沿直線勻速通過時，帶電粒子的速度與其帶電荷量無關(guān).如果粒子帶負電荷，所受電場力方向向上，磁場力方向向下，上述結(jié)論仍然成立.所以，第(1)(2)兩小題應(yīng)選A
4、.若質(zhì)子以大于v0的速度從左側(cè)射向兩板之間，所受磁場力將大于電場力，質(zhì)子帶正電荷，將向上偏轉(zhuǎn)，第(3)小題應(yīng)選B.磁場的磁感應(yīng)強度B增大，其他條件不變，電子所受磁場力大于電場力，電子帶負電荷，所受磁場力方向向下，將向下偏轉(zhuǎn)，所以第(4)小題應(yīng)選C.二、磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機的發(fā)電原理圖如圖3甲所示，其平面圖如圖乙所示.圖3設(shè)帶電粒子的運動速度為v，帶電荷量為q，磁場的磁感應(yīng)強度為B，極板間距離為d，極板間電壓為U，根據(jù)FBFE，有qvBqE，得UBdv.例2(2018北京市朝陽區(qū)高二上學(xué)期期末)磁流體發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，圖4甲和乙是其工作原理示意圖.圖甲中的A、B是電阻可忽略的導(dǎo)體電極，
5、兩個電極的間距為d，這兩個電極與負載電阻相連.假設(shè)等離子體(高溫下電離的氣體，含有大量的正負帶電粒子)垂直于磁場進入兩極板間的速度均為v0.整個發(fā)電裝置處于勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為B，方向如圖乙所示.圖4(1)開關(guān)斷開時，請推導(dǎo)該磁流體發(fā)電機的電動勢E的大??；(2)開關(guān)閉合后，如果電阻R的兩端被短接，此時回路電流為I，求磁流體發(fā)電機的等效內(nèi)阻r；我們知道，電源是通過非靜電力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，請你分析磁流體發(fā)電機的非靜電力是由哪個力充當(dāng)?shù)?，其工作過程如何.答案(1)Bdv0(2)洛倫茲力，使正電荷向A板匯聚，負電荷向B板匯聚.解析(1)等離子體射入兩極板之間時，正離子受向上
6、的洛倫茲力而偏向A極板，同時負離子偏向B極板，隨著離子的不斷積聚，在兩板之間形成了從A到B向下的附加電場，當(dāng)粒子受的電場力與洛倫茲力相等時，粒子不再偏轉(zhuǎn)，此時兩板間的電勢差即為發(fā)電機的電動勢，滿足qqv0B，解得EBdv0(2)開關(guān)閉合后，如果電阻R的兩端被短接，此時回路電流為I，則磁流體發(fā)電機的等效內(nèi)阻：r由(1)的分析可知，洛倫茲力使正電荷向A板匯聚，負電荷向B板匯聚，洛倫茲力充當(dāng)非靜電力.三、電磁流量計如圖5甲、乙所示是電磁流量計的示意圖.圖5設(shè)管的直徑為D，磁感應(yīng)強度為B，a、b兩點間的電勢差是由于導(dǎo)電液體中電荷受到洛倫茲力作用，在管壁的上、下兩側(cè)堆積電荷產(chǎn)生的.到一定程度后，a、b兩
7、點間的電勢差達到穩(wěn)定值U，上、下兩側(cè)堆積的電荷不再增多，此時，洛倫茲力和電場力平衡，有qvBqEq，所以v，又圓管的橫截面積SD2，故流量QSv.例3如圖6所示是電磁流量計的示意圖.圓管由非磁性材料制成，空間有勻強磁場.當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過磁場區(qū)域時，測出管壁上MN兩點的電動勢E，就可以知道管中液體的流量Q(單位時間內(nèi)流過管道橫截面的液體的體積).已知管的直徑為d，磁感應(yīng)強度為B，則關(guān)于Q的表達式正確的是()圖6A.Q B.QC.Q D.Q答案B解析M、N兩點間的電勢差是由于帶電粒子受到洛倫茲力在管壁的上下兩側(cè)堆積電荷產(chǎn)生的.到一定程度后，上下兩側(cè)堆積的電荷不再增多，M、N兩點間的電勢差達到穩(wěn)
8、定值E，此時，洛倫茲力和電場力平衡：qvBqE場強，E場強，v，圓管的橫截面積Sd2故流量QSv，故B正確.四、霍爾效應(yīng)置于勻強磁場中的載流體，如果電流方向與磁場方向垂直，則垂直于電流和磁場的方向會出現(xiàn)電勢差，這個現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng).霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)，所以可以用高中物理中的電磁學(xué)、力學(xué)、運動學(xué)等有關(guān)知識來進行解釋.例4如圖7所示，厚度為h、寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A之間會產(chǎn)生電勢差U，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).圖7霍爾效應(yīng)可解
9、釋如下：外部磁場對運動電子的洛倫茲力使電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成電場.電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力.當(dāng)靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導(dǎo)體板上下兩側(cè)面之間就會形成穩(wěn)定的電勢差.電流I是自由電子的定向移動形成的，電子的平均定向移動速率為v，電荷量為e.回答下列問題：(1)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢 (選填“高于”“低于”或“等于”)下側(cè)面A的電勢.(2)電子所受洛倫茲力的大小為 .(3)當(dāng)導(dǎo)體板上、下兩側(cè)面之間的電勢差為UH時，電子所受靜電力的大小為 .(4)上、下兩側(cè)面產(chǎn)生的穩(wěn)定的電勢差U .答案(1)低于(2)evB(3)e(4)B
10、hv解析(1)電子向左做定向移動，由左手定則知電子受洛倫茲力的方向向上，故上側(cè)面A聚集電子，下側(cè)面A聚集正電荷，上側(cè)面的電勢低于下側(cè)面的電勢.(2)fevB.(3)F電Eee.(4)當(dāng)A、A間電勢差穩(wěn)定時，evBe，故UBhv.分析兩側(cè)面產(chǎn)生電勢高低時應(yīng)特別注意霍爾元件的材料，若霍爾元件是金屬導(dǎo)體，則參與定向移動形成電流的是電子，偏轉(zhuǎn)的也是電子；若霍爾材料是半導(dǎo)體，參與定向移動形成電流的可能是正“載流子”，此時偏轉(zhuǎn)的是正電荷.學(xué)科素養(yǎng)以上四個例題異曲同工，在穩(wěn)定狀態(tài)下，都是fF電，即qvBqE場強，通過歸納總結(jié)，提煉升華，提高了學(xué)生的綜合分析能力，這是對基于經(jīng)驗事實建構(gòu)的理想模型的應(yīng)用過程，體
11、現(xiàn)了“科學(xué)思維”的學(xué)科素養(yǎng).1.(速度選擇器)(多選)(2018菏澤市高二上學(xué)期期末)如圖8所示，在兩平行金屬板間有正交的勻強電場和勻強磁場，勻強磁場的方向垂直紙面向里，勻強電場的方向豎直向下，有一正離子恰能以速率v沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域，則()圖8A.若電子以速率v從右向左飛入，電子也沿直線運動B.若電子以速率v從右向左飛入，電子將向上偏轉(zhuǎn)C.若電子以速率v從右向左飛入，電子將向下偏轉(zhuǎn)D.若電子以速率v從左向右飛入，電子也沿直線運動答案BD解析正離子從左邊進入疊加場，在疊加場中受到向下的電場力和向上的洛倫茲力作用，因恰能沿直線從右邊水平飛出，可知電場力和洛倫茲力平衡，有qEqvB，得v
12、.若粒子帶負電，也從左邊以速率v射入，電場力和洛倫茲力的方向仍相反，還是有v，所以帶電粒子只要以速率v從左邊水平進入復(fù)合場，粒子就會沿水平方向射出，與電性和電荷量無關(guān)，選項D正確.電子從右側(cè)進入疊加場，受到的電場力方向向上，由左手定則可知，洛倫茲力方向也向上，所以電子將向上偏轉(zhuǎn)，選項A、C錯誤，B正確.2.(磁流體發(fā)電機)(多選)磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù).如圖9所示，平行金屬板之間有一個很強的勻強磁場，將一束含有大量正、負帶電粒子的等離子體，沿圖中所示方向噴入磁場，圖中虛線框部分相當(dāng)于發(fā)電機，把兩個極板與用電器相連，則()圖9A.用電器中的電流方向為從A到BB.用電器中的電流方向為從B到AC.
13、若只增強磁場，發(fā)電機的電動勢增大D.若只增大噴入粒子的速度，發(fā)電機的電動勢增大答案ACD解析首先對等離子體進行動態(tài)分析：開始時由左手定則判斷正離子所受洛倫茲力方向向上(負離子所受洛倫茲力方向向下)，則正離子向上極板聚集，負離子則向下極板聚集，兩極板間產(chǎn)生了電勢差，即金屬板變?yōu)橐浑娫?，且上極板為正極，下極板為負極，所以通過用電器的電流方向為從A到B，故A正確，B錯誤；此后的正離子除受到向上的洛倫茲力f外還受到向下的電場力F電，最終兩力達到平衡，即最終等離子體將勻速通過磁場區(qū)域，因fqvB，F(xiàn)電q，則qvBq，解得EBdv，所以電動勢E與速度v及磁場B成正比，所以C、D正確.3.(電磁流量計)(多
14、選)為監(jiān)測某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖10所示的流量計.該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口.在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場，在前后兩個內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U.若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)排出的污水體積)，下列說法中正確的是()圖10A.前表面比后表面電勢高B.前表面比后表面電勢低C.污水中離子濃度越高電壓表的示數(shù)將越大D.污水流量Q與U成正比，與a、b無關(guān)答案BD解析正負電荷從左向右移動，根據(jù)左手定則，正電荷所受的洛倫茲力指向后表面，負電荷所
15、受的洛倫茲力指向前表面，所以后表面電極的電勢比前表面電極的電勢高，故A錯誤，B正確.最終穩(wěn)定時，電荷所受洛倫茲力和電場力平衡，有qvBq，UBbv，電壓表的示數(shù)U與v成正比，與濃度無關(guān)，故C錯誤.污水的流量QvSvbc，與電壓表的示數(shù)U成正比，與a、b無關(guān)，故D正確.4.(霍爾效應(yīng))一種半導(dǎo)體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”.這種材料中有可定向移動的電荷，稱為“載流子”，每個載流子的電荷量大小為1元電荷，即q1.61019 C，霍爾元件在自動檢測、控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如錄像機中用來測量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速、電梯中用來檢測電梯門是否關(guān)閉以控制升降電動機的電源通斷等.在一次實驗中，
16、一塊霍爾材料制成的薄片寬ab1.0102 m、長bc4.0102 m、厚h1.0103 m，水平放置在豎直向上的磁感應(yīng)強度B1.5 T的勻強磁場中，bc方向通有I3.0 A的電流，如圖11所示，沿寬度產(chǎn)生1.0105 V的橫向電壓.圖11(1)假定載流子是電子， 端電勢較高.(選填“ad”或“bc”)(2)薄板中載流子定向移動的速率v m/s.答案(1)ad(2)6.71041.(多選)(2018臨沂市高二上學(xué)期期末)如圖1所示，在圖中虛線所圍區(qū)域內(nèi)，存在電場強度為E的勻強電場和磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場.已知從左方水平射入的電子，穿過此區(qū)域時未發(fā)生偏轉(zhuǎn).電子重力忽略不計，則在此區(qū)域中的E和B的
17、方向可能是()圖1A.E豎直向下，B垂直紙面向外B.E豎直向上，B垂直紙面向里C.E豎直向上，B垂直紙面向外D.E、B都沿水平方向，并與電子運行方向相同答案CD解析若E豎直向下，B垂直于紙面向外，則有電場力豎直向上，而洛倫茲力由左手定則可得方向豎直向上，兩個力方向相同，電子穿過此區(qū)域會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故A錯誤；若E豎直向上，B垂直于紙面向里，則有電場力方向豎直向下，而洛倫茲力方向由左手定則可得豎直向下，所以兩力不能使電子做直線運動，故B錯誤；若E豎直向上，B垂直于紙面向外，則有電場力豎直向下，而洛倫茲力由左手定則可得方向豎直向上，所以當(dāng)兩力大小相等時，電子穿過此區(qū)域不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故C正確；若E和B都
18、沿水平方向，并與電子運動方向相同，則有電子所受電場力方向與運動方向相反，而由于電子運動方向與B方向相互平行，所以不受洛倫茲力，因此穿過此區(qū)域不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故D正確.2.(2018邗江中學(xué)高二上學(xué)期期中)如圖2所示，水平放置的兩塊帶電平行金屬板，板間存在著方向豎直向下、場強大小為E的勻強電場和垂直于紙面的勻強磁場.假設(shè)電場、磁場只存在于兩板間.一個帶正電的粒子，以水平速度v0從兩極板的左端正中央沿垂直于電場、磁場的方向射入極板間，恰好做勻速直線運動.不計粒子的重力及空氣阻力，則()圖2A.板間所加的勻強磁場B，方向垂直于紙面向里B.若粒子電荷量加倍，將會向下偏轉(zhuǎn)C.若粒子從極板的右側(cè)射入，一定沿
19、直線運動D.若粒子帶負電，其他條件不變，將向上偏轉(zhuǎn)答案A解析因為粒子做勻速直線運動，故它受到的電場力與洛倫茲力大小相等、方向相反，粒子帶正電，電場力的方向豎直向下，故洛倫茲力的方向豎直向上，根據(jù)左手定則判斷出磁場的方向是垂直紙面向里的，因為EqBqv0，故B，所以選項A正確；若粒子電荷量加倍，將仍然做勻速直線運動，選項B錯誤；若粒子從極板的右側(cè)射入，電場力方向豎直向下，洛倫茲力方向豎直向下，故它受到的力不平衡，所以它一定不會沿直線運動，選項C錯誤；若粒子帶負電，其他條件不變，將仍做勻速直線運動，選項D錯誤.3.(多選)如圖3所示為速度選擇器裝置，場強為E的勻強電場與磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場互相
20、垂直.一帶電荷量為q、質(zhì)量為m的粒子(不計重力)以速度v水平向右射入，粒子恰好沿直線穿過，則下列說法正確的是()圖3A.若帶電粒子帶電荷量為2q，粒子將向下偏轉(zhuǎn)B.若帶電粒子帶電荷量為2q，粒子仍能沿直線穿過C.若帶電粒子速度為2v，粒子不與極板相碰，則從右側(cè)射出時電勢能一定增加D.若帶電粒子從右側(cè)水平射入，粒子仍能沿直線穿過答案BC解析粒子恰好沿直線穿過，電場力和洛倫茲力大小相等、方向相反，粒子做勻速直線運動，根據(jù)平衡條件有：qvBqE，解得：v，只要粒子速度為，就能沿直線勻速通過速度選擇器，故A錯誤，B正確；若帶電粒子速度為2v，電場力不變，洛倫茲力變?yōu)樵瓉淼?倍，將會偏轉(zhuǎn)，克服電場力做功
21、，電勢能增加，故C正確；若帶電粒子從右側(cè)水平射入，電場力方向不變，洛倫茲力方向反向，粒子一定偏轉(zhuǎn)，故D錯誤.4.(2018大連市高二上學(xué)期期末)如圖4所示，一質(zhì)子以速度v穿過互相垂直的電場和磁場區(qū)域而沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則下列說法正確的是()圖4A.若質(zhì)子的速度v，電子沿軌跡運動，出場區(qū)時速度vv0B.若v0，電子沿軌跡運動，出場區(qū)時速度vv0C.若v0v0D.若v0，電子沿軌跡運動，出場區(qū)時速度v，則qv0BqE，即洛倫茲力大于電場力，電子向下偏轉(zhuǎn)，沿軌跡運動，洛倫茲力不做功，而電場力對電子做負功，動能減小，速度減小，故出場區(qū)時速度vv0，故A錯誤，B正確；若v0，則qv0Bv0，故C正確，D錯誤
22、.7.(多選)如圖7所示為一電磁流量計(即計算單位時間內(nèi)流過某一橫截面的液體體積)的原理圖：一圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動.圖中磁場方向垂直于紙面向里，大小為B，導(dǎo)電液體中的自由電荷(負離子)在洛倫茲力作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢差.當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差就穩(wěn)定為U，則()圖7A.電勢a高b低 B.電勢b高a低C.流量Q D.流量Q答案BC解析根據(jù)左手定則可知，導(dǎo)電液體中的自由電荷(負離子)在洛倫茲力作用下向上偏轉(zhuǎn)，則a點電勢低，b點電勢高，故A錯誤，B正確；對離子有：qvBq，解得v.流量等于單位時間內(nèi)流過液體的體積，有
23、QvS()2，故C正確，D錯誤.8.(多選)(2018張家口市高二上學(xué)期期末)如圖8所示，電路中有一段金屬導(dǎo)體，它的橫截面是寬為a、高為b的長方形，放在沿y軸正方向的勻強磁場中，導(dǎo)體中通有沿x軸正方向、大小為I的電流，已知金屬導(dǎo)體中單位體積的自由電子數(shù)為n，電子電荷量為e，金屬導(dǎo)電過程中，自由電子做定向移動可視為勻速運動，測出金屬導(dǎo)體前后兩個側(cè)面間的電勢差的大小為U，則下列說法正確的是()圖8A.前側(cè)面電勢較高B.后側(cè)面電勢較高C.磁感應(yīng)強度的大小為D.磁感應(yīng)強度的大小為答案BC解析電子定向移動的方向沿x軸負方向，所以電子向前側(cè)面偏轉(zhuǎn)，則前側(cè)面帶負電，后側(cè)面失去電子帶正電，后側(cè)面的電勢較高，當(dāng)金屬導(dǎo)體中自由電子定向移動時受洛倫茲力作用向前側(cè)面偏轉(zhuǎn)，使得前后兩側(cè)面間產(chǎn)生電勢差，當(dāng)電子所受的電場力與洛倫茲力平衡時，前后兩側(cè)面間產(chǎn)生恒定的電勢差，則可得Bev，qn(abvt)e，Inevab，聯(lián)立以上幾式解得磁場的磁感應(yīng)強度：B，故B、C正確，A、D錯誤.- 12 -
2019-2020版高中物理 第5章 磁場與回旋加速器 微型專題5 洛倫茲力作用下的實例分析講義+精練（含解析）滬科版選修3-1
