2023高考物理一輪復(fù)習(xí)學(xué)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(shí)構(gòu)建】1．質(zhì)譜儀如圖所示，離子源A產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為q的正離子(所受重力不計(jì))，這些正離子無(wú)初速度地經(jīng)過(guò)電壓為U的電場(chǎng)加速后，進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后到達(dá)記錄它位置的感光片的P點(diǎn)．測(cè)得P點(diǎn)到入口S的距離為l，則：各種同位素的電荷量q相同，質(zhì)量m不同．因?yàn)閙∝l2，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(gè)D形金屬盒，兩盒之間留下一個(gè)窄縫，在中心附近放有粒子源，D形盒在真空容器中，整個(gè)裝置放在巨大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并把兩個(gè)D形盒分別接在高頻電源的兩極上，帶電粒子在做圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每次經(jīng)過(guò)D形盒縫隙都會(huì)被加速一次．其工作原理是：電場(chǎng)加速—磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)．(1)電場(chǎng)的加速：qU＝ΔEk；(2)磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)：qvB＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB)∝v；(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(yùn)動(dòng)的周期相同，即T電場(chǎng)＝T回旋＝eq\f(2πm,qB).3．速度選擇器如圖所示，兩平行金屬板中勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)互相垂直，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.帶電粒子沿垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向射入復(fù)合場(chǎng)．若帶電粒子所受洛倫茲力和電場(chǎng)力等大、反向，則粒子沿直線勻速通過(guò)場(chǎng)區(qū)而被選擇．(1)由qvB＝qE可得，被選擇的粒子的速度大小v＝eq\f(E,B)，方向由左向右．調(diào)節(jié)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的強(qiáng)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(fù)無(wú)關(guān)，與粒子的質(zhì)量也無(wú)關(guān)．(3)速度選擇器中電場(chǎng)、磁場(chǎng)和速度的方向兩兩垂直、互相約束，改變其中任何一個(gè)方向都不能正常工作．1.(2022·廣東潮州期末)(多選)英國(guó)物理學(xué)家阿斯頓首次制成質(zhì)譜儀，并用此對(duì)同位素進(jìn)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(jì)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(shuō)法中正確的是()A．射出的帶電粒子一定帶負(fù)電B．速度選擇器的上極板一定帶正電C．沿虛線水平射出的帶電粒子的速率一定等于eq\f(E,B)D．若帶電粒子的入射速度v＞eq\f(E,B)，則粒子一定向上偏轉(zhuǎn)4．磁流體發(fā)電機(jī)和電磁流量計(jì)裝置名稱(chēng)磁流體發(fā)電機(jī)電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖示工作原理等離子體以速度v噴入兩平行極板A、B之間的磁場(chǎng)空間，正、負(fù)離子在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)而聚集在兩極板A、B上，產(chǎn)生電勢(shì)差，從而對(duì)負(fù)載R供電導(dǎo)電液體在管中流動(dòng)，空間加有與速度v垂直的磁場(chǎng)，液體中的正、負(fù)離子在洛倫茲力的作用下偏轉(zhuǎn)，在a、b間形成電勢(shì)差，測(cè)量a、b間的電勢(shì)差U，即可確定液體的流量相關(guān)計(jì)算設(shè)兩A、B極板間的距離為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，當(dāng)離子所受的電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，兩極板間的電勢(shì)差達(dá)到最大，即qvB＝qeq\f(U,d)，則U＝Bdv，此即發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)設(shè)導(dǎo)管的直徑為d，當(dāng)正、負(fù)離子所受的電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差保持穩(wěn)定，即qvB＝qeq\f(U,d)，則v＝eq\f(U,Bd)，故流量Q＝Sv＝eq\f(πd2,4)·eq\f(U,Bd)＝eq\f(πdU,4B)共同特點(diǎn)設(shè)備穩(wěn)定工作時(shí)，帶電粒子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡，電勢(shì)差U＝Bdv5.霍爾效應(yīng)如圖所示，導(dǎo)體的高為h、寬為d，置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，定向移動(dòng)的自由電荷會(huì)在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在導(dǎo)體的上表面A和下表面A′之間產(chǎn)生電勢(shì)差．這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)．(1)電勢(shì)高低的判斷：用左手定則判斷，圖中，若導(dǎo)體中定向移動(dòng)的電荷帶正電，則上表面A的電勢(shì)高；若定向移動(dòng)的電荷帶負(fù)電，則下表面A′的電勢(shì)高．(2)霍爾電壓的計(jì)算：當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時(shí)，霍爾電壓穩(wěn)定．2.(2016·全國(guó)卷Ⅰ)現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)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(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)．若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍．此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為()A．11 B．12 C．121 D．1443．(2022·安徽阜陽(yáng)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m1和m2，從容器A下方的小孔S1進(jìn)入電勢(shì)差為U的電場(chǎng)，初速度忽略不計(jì)，經(jīng)電場(chǎng)加速后從S2射出，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上．則照相底片上碘131和碘127與S2之間的距離之比為()A.eq\f(m1,m2)B.eq\f(m2,m1)C.eq\r(\f(m1,m2)) D.eq\r(\f(m2,m1))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(wú)疑具有里程碑式的意義．質(zhì)譜儀的發(fā)現(xiàn)對(duì)證明同位素的存在功不可沒(méi)，1922年英國(guó)物理學(xué)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(xué)獎(jiǎng)．若速度相同的一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，不計(jì)粒子重力，則下列說(shuō)法中正確的是()A．該束粒子帶負(fù)電B．速度選擇器的P1極板帶正電C．在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子，比荷eq\f(q,m)越小D．在B2磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子，質(zhì)量越大5．(2022·遼寧沈陽(yáng)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(gè)D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并與高頻電源相連．現(xiàn)分別加速氘核(eq\o\al(2,1)H)和氦核(eq\o\al(4,2)He)．下列說(shuō)法中正確的是()A．它們的最大速度相同B．它們的最大動(dòng)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(dòng)能6．(2022·黑龍江佳木斯調(diào)研)一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖如圖所示，其中盒縫間的加速電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小恒定，且被限制在A、C板間，虛線中間不需加電場(chǎng)，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場(chǎng)線方向射入加速電場(chǎng)，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說(shuō)法正確的是()A．帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速兩次B．圖中P1、P2、P3、P4間距滿足關(guān)系P1P2＝P3P4C．加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸有關(guān)D．加速電場(chǎng)方向需要做周期性的變化7.(2022·浙江山水聯(lián)盟測(cè)試)(多選)磁流體發(fā)電機(jī)又叫等離子體發(fā)電機(jī)，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(jìn)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(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為6T．等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩極間形成電勢(shì)差．已知發(fā)電通道長(zhǎng)a＝50cm，寬b＝20cm，高d＝20cm，等離子體的電阻率ρ＝2Ω·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(fù)電B．開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，高溫等離子體不能勻速通過(guò)發(fā)電通道C．當(dāng)外接電阻為8Ω時(shí)，電流表示數(shù)為150AD．當(dāng)外接電阻為4Ω時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率最大8.(2022·黑龍江哈爾濱模擬)霍爾元件廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，霍爾元件一般用半導(dǎo)體材料制成，有的半導(dǎo)體中的載流子(自由電荷)是自由電子，有的半導(dǎo)體中的載流子是空穴(相當(dāng)于正電荷)．用半導(dǎo)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h，寬度為d，當(dāng)磁場(chǎng)B的方向與電流I的方向垂直時(shí)，在導(dǎo)體的上、下表面會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，下列說(shuō)法正確的是()A．若元件的載流子是自由電子，上表面的電勢(shì)低于下表面的電勢(shì)B．若元件的載流子是空穴，上表面的電勢(shì)低于下表面的電勢(shì)C．保持電流I不變，僅增大h時(shí)，上、下表面的電勢(shì)差增大D．保持電流I不變，僅增大d時(shí)，上、下表面的電勢(shì)差增大9．(2022·河北高考卷)如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場(chǎng)噴入板間．相距為L(zhǎng)的兩光滑平行金屬導(dǎo)軌固定在與導(dǎo)軌平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2，導(dǎo)軌平面與水平面的夾角為θ，兩導(dǎo)軌分別與P、Q相連．質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置，恰好靜止．重力加速度為g，不計(jì)導(dǎo)軌電阻、板間電阻和等離子體中的粒子重力，下