高中物理教科版 (2019)選擇性必修第二冊3 洛倫茲力獲獎?wù)n件ppt-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

專題強(qiáng)化3　洛倫茲力與現(xiàn)代科技
1.知道速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾元件的工作原理(重點(diǎn))。2.學(xué)會應(yīng)用工作原理解決實(shí)際問題(難點(diǎn))。
速度選擇器是近代物理學(xué)研究中常用的一種實(shí)驗(yàn)工具，其功能是可以選擇某種速度的帶電粒子。如圖，兩極板間存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，二者方向互相垂直，帶電粒子從左側(cè)射入，不計(jì)粒子重力。
(1)帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是，即v＝_____。(2)速度選擇器中偏轉(zhuǎn)情況：①當(dāng)v＞時(shí)，粒子向方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做功，粒子的動能，電勢能。②當(dāng)v＜時(shí)，粒子向方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做功，粒子的動能，電勢能。
某粒子在速度選擇器中勻速運(yùn)動，若只改變其電性或電荷量，粒子能否勻速通過？
(多選)(2023·唐山市開灤第一中學(xué)統(tǒng)考期末)如圖所示為一速度選擇器的原理圖。K為電子槍(加速電壓為U)，由槍中沿水平方向射出的電子(從A點(diǎn)進(jìn)入速度選擇器，電荷量大小為e，質(zhì)量為m，不計(jì)電子重力)，速率大小不一，當(dāng)電子通過方向互相垂直的勻強(qiáng)電場(場強(qiáng)為E)和勻強(qiáng)磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)后，只有一定速率的電子能沿直線前進(jìn)，并通過小孔S，下列說法正確的是A.磁場方向必須垂直紙面向外
C.只有帶負(fù)電的粒子(不計(jì)重力)才能通過此速度選擇器
若勻強(qiáng)電場方向向下，則電子所受電場力向上，要想使電子沿直線通過小孔S，則所受洛倫茲力向下，此時(shí)磁場方向必須垂直紙面向里，選項(xiàng)A錯誤；
要想使電子沿直線通過小孔S，則Ee＝evB
(多選)(2023·四川涼山高二?？茧A段練習(xí))不計(jì)重力的負(fù)粒子能夠從如圖所示的正交勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中勻速直線穿出。設(shè)產(chǎn)生勻強(qiáng)電場的兩極板間電壓為U，距離為d，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子電荷量大小為q，進(jìn)入兩極板間時(shí)的速度為v，以下說法正確的是
A.若同時(shí)增大U和B，其他條件不變，則粒子一定能夠直線穿過B.若同時(shí)減小d和增大v，其他條件不變，則粒子可能直線穿過C.若粒子向下偏轉(zhuǎn)能夠飛出極板間，則粒子動能一定減小D.若粒子向下偏轉(zhuǎn)能夠飛出極板間，則粒子的動能有可能不變
負(fù)粒子沿直線運(yùn)動滿足Eq＝Bqv，而E＝，整理得U＝dvB。若同時(shí)增大U和B，其他條件不變，如果增大相同的倍數(shù)，粒子仍受力平衡勻速直線穿過，否則不能勻速直線穿過，A錯誤；若同時(shí)減小d和增大v，其他條件不變，如果滿足d與v的乘積保持不變，粒子仍能做勻速運(yùn)動沿直線穿過，B正確；若粒子向下偏轉(zhuǎn)能夠飛出極板間，洛倫茲力不做功，電場力做負(fù)功，粒子動能一定減小，C正確，D錯誤。
磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理圖如圖甲所示，其平面圖如圖乙所示。
將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子)以速度v噴入磁場，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，極板間距離為d，開關(guān)斷開，電路穩(wěn)定時(shí)極板間電壓為U，重力不計(jì)，根據(jù)F洛＝F電，有＝＝____，得U＝。上極板是正極。
若圖乙中平行金屬板A、B的面積均為S，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩板間的垂直距離為d，等離子體的電阻率為ρ，速度為v，電路電阻為R，則閉合開關(guān)后電路中電流多大？
(2023·湛江市高二統(tǒng)考期末)如圖所示是磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖，兩平行金屬板P、Q之間存在很強(qiáng)的磁場，一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子)沿垂直于磁場的方向噴入磁場。把P、Q與電阻R相連接。下列說法正確的是A.Q板的電勢高于P板的電勢B.R中流過由b向a方向的電流C.若只改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，R中電流保持不變D.若只增大粒子入射速度，R中電流增大
等離子體進(jìn)入磁場，根據(jù)左手定則可知正電荷向上偏，打在上極板上，負(fù)電荷向下偏，打在下極板上，所以上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，則P板的電勢高于Q板的電勢，流過電阻R的電流方向由a到b，A、B錯誤；根據(jù)穩(wěn)定時(shí)電場力等于洛倫茲力，即
可知電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，R中電流也改變，C錯誤；
如圖所示，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(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上表面A和下表面A′之間會產(chǎn)生電勢差U，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)可解釋為：外部磁場對運(yùn)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電場力。當(dāng)電場力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩面之間就會形成穩(wěn)定的電勢差。電流是自由電子的定向移動形成的，電子的定向移動平均速率為v，電荷量為e?；卮鹣铝袉栴}：
(1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上表面A的電勢______(選填“高于”“低于”或“等于”)下表面A′的電勢。
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，故上表面A聚集電子，下表面A′會出現(xiàn)多余的正電荷，上表面的電勢低于下表面的電勢。
(2)電子所受洛倫茲力的大小為__________。(3)當(dāng)導(dǎo)體板上、下兩表面之間的電勢差為UH時(shí)，電子所受電場力的大小為______________。
(4)上、下兩表面產(chǎn)生的穩(wěn)定的電勢差U＝______。
若電流為正電荷定向移動形成的，在上述問題中A和A′哪個(gè)面電勢高？
(2023·北京市海淀區(qū)高二?？计谀?利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件以及傳感器，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域。圖中一塊長為a、寬為b、厚為c的半導(dǎo)體樣品薄片放在沿y軸正方向的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。當(dāng)有大小為I、沿x軸正方向的恒定電流通過樣品板時(shí)，會在與z軸垂直的兩個(gè)側(cè)面之間產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。其原理是薄片中的帶電粒子受洛倫茲力的作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)和積累，于是上、下表面間建立起電場EH，同時(shí)產(chǎn)生霍爾電壓UH。當(dāng)導(dǎo)電粒子所受的電場力與洛倫茲力處處相等時(shí)，EH和UH達(dá)到穩(wěn)定值，UH的大小與I和B滿足關(guān)系UH＝kHIB，其中kH稱為霍爾元
件靈敏度，kH越大，靈敏度越高。半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)電粒子——“載流子”有兩種：自由電子和空穴(空穴可視為能自由移動的帶正電粒子)，若每個(gè)載流子所帶電荷量的絕對值為e，薄片內(nèi)單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)為n。下列說法中正確的是
A.若載流子是自由電子，半導(dǎo)體樣品的上表面電勢高
C.在其他條件不變時(shí)，半導(dǎo)體薄片的厚度c越大，霍爾元件靈敏度越高D.在其他條件不變時(shí)，單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)n越大，霍爾元件靈敏度越低
根據(jù)左手定則，電子向上表面偏轉(zhuǎn)，所以上表面的電勢低，故A錯誤；設(shè)電子移動速度為v，則電流I＝neSv由題圖，面積為S＝bc當(dāng)電場力與洛倫茲力相等時(shí)有
半導(dǎo)體薄片厚度c越大，靈敏度越低，單位體積內(nèi)電子數(shù)n越大，靈敏度越低，故C錯誤，D正確。
分析兩側(cè)面產(chǎn)生電勢高低時(shí)應(yīng)特別注意霍爾元件的材料，若霍爾元件的材料是金屬，則參與定向移動形成電流的是電子，偏轉(zhuǎn)的也是電子；若霍爾元件的材料是半導(dǎo)體，則參與定向移動形成電流的可能是正“載流子”，此時(shí)偏轉(zhuǎn)的是正電荷。
1.(2023·寶雞市高二期末)磁流體發(fā)電機(jī)是利用洛倫茲力的偏轉(zhuǎn)作用發(fā)電的。如圖所示，A、B是兩塊處在磁場中相互平行的金屬板，一束在高溫下形成的等離子束(氣體在高溫下發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的帶等量異種電荷的粒子)射入磁場。下列說法正確的是A.B板是電源的正極B.A板是電源的正極C.電流從上往下流過電流表D.等離子體中帶正電荷的粒子受到豎直向上的洛倫茲力
根據(jù)左手定則可知，等離子體中帶正電荷的粒子在磁場中將受到豎直向下的洛倫茲力從而向B板偏轉(zhuǎn)，帶負(fù)電的粒子將向A板偏轉(zhuǎn)，因此B板將帶正電，B板是電源的正
極，而在外電路，電流是從正極流向負(fù)極的，因此，電流將從下往上流過電流表。故選A。
2.(2023·北京海淀101中學(xué)高二期末)如圖所示為一速度選擇器，內(nèi)有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場，一束粒子流以速度v水平射入，為使粒子流經(jīng)磁場時(shí)不偏轉(zhuǎn)(不計(jì)重力)，則磁場區(qū)域內(nèi)必須同時(shí)存在一個(gè)勻強(qiáng)電場，關(guān)于這個(gè)電場強(qiáng)度大小和方向的說法中，正確的是
C.大小為Bv，方向向下，與粒子帶何種電荷無關(guān)D.大小為Bv，方向向上，與粒子帶何種電荷無關(guān)
為使粒子流經(jīng)磁場時(shí)不偏轉(zhuǎn)(不計(jì)重力)，當(dāng)粒子帶正電時(shí)，所受洛倫茲力向下，則電場力方向應(yīng)向上，電場方向向上，由平衡條件qvB＝qE，得E＝vB，A錯誤；為使粒子流經(jīng)磁場時(shí)不偏轉(zhuǎn)(不計(jì)重力)，當(dāng)粒子帶負(fù)電時(shí)，所受洛倫茲力向上，則電場力方向應(yīng)向下，電場方向向上，由平衡條件qvB＝qE，得E＝vB，B錯誤；由A、B中分析可知，不論粒子帶何種電荷，電場強(qiáng)度方向都向上，大小等于vB，粒子流經(jīng)磁場時(shí)不偏轉(zhuǎn)，C錯誤，D正確。
3.(2023·重慶北碚西南大學(xué)附中高二期末)如圖所示，方形金屬棒放在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直前后表面向外，金屬棒通有從左到右的恒定電流I后將會產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，a、b、c分別表示長方體的長、寬、高，則
A.金屬棒上表面的電勢低于下表面的電勢B.僅增大金屬棒長度a，霍爾電壓將變小C.僅增大金屬棒寬度b，霍爾電壓將變小D.僅增大金屬棒高度c，霍爾電壓將變小
金屬中的自由電荷是電子，電流方向從左向右，根據(jù)左手定則，電子受到洛倫茲力方向向下，則金屬棒上表面的電勢高于下表面的電勢，A錯誤；
根據(jù)上述分析，僅增大金屬棒寬度b，霍爾電壓將變小，C正確。
4.(多選)如圖所示，在帶電的兩平行金屬板間有相互垂直的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度為E，現(xiàn)有一電子(不計(jì)重力)以速度v0平行金屬板射入場區(qū)，則
5.(多選)(2022·承德一中高二月考)磁流體發(fā)電機(jī)可簡化為如圖所示模型：兩塊長、寬分別為a、b的平行板，彼此相距L，板間通入已電離的速度為v的氣流，兩板間存在一磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，磁場方向與兩板平行，并與氣流速度方向垂直，如圖所示。把兩板與外電阻R連接起來，在洛倫茲力作用下，氣流中的正、負(fù)離子分別向兩板移動形成電流。設(shè)該氣流的導(dǎo)電率(電阻率的倒數(shù))為σ，則
6.(多選)(2023·廣安二中?？茧A段練習(xí))如圖所示，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，滑動變阻器最大電阻為R，開關(guān)K閉合。兩平行金屬極板a、b間有勻強(qiáng)磁場，一帶負(fù)電的粒子(不計(jì)重力)以速度v水平勻速穿過兩極板。下列說法正確的是A.若將滑片P向上滑動，粒子將向b板偏轉(zhuǎn)B.若將a極板向上移動，粒子將向b板偏轉(zhuǎn)C.若增大帶電粒子的速度，粒子將向b板偏轉(zhuǎn)D.若增大帶電粒子帶電荷量，粒子將向b板偏轉(zhuǎn)
因電容器與滑動變阻器并聯(lián)，將滑片P向上滑動，滑動變阻器兩端的電壓減小，故兩板間的電場強(qiáng)度減小，故所受電場力減小，因粒子帶負(fù)電，電場力向上，則粒子將向b板偏轉(zhuǎn)，故A正確；保持開關(guān)閉合，將a極板向上移動，板間距離增大，電壓不變，由E＝可知，板間場強(qiáng)減小，帶電粒子所受電場力變小，則粒子將向b板偏轉(zhuǎn)，故B正確；
由題圖可知a板帶正電，b板帶負(fù)電，由上述分析可知開始時(shí)電場力、重力二力應(yīng)大小相等，粒子才能做勻速直線運(yùn)動，若增大帶電粒子的速度，所受洛倫茲力增大，而所受電場力不變，故粒子將向b板偏轉(zhuǎn)，故C正確；若增大帶電粒子帶電荷量，所受電場力增大，而所受洛倫茲力也增大，但兩者仍相等，故粒子將不會偏轉(zhuǎn)，故D錯誤。
7.(多選)(2023·江蘇南通海安高級中學(xué)高二階段練習(xí))自行車速度計(jì)可以利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車的運(yùn)動速率。如圖甲所示，一塊磁鐵安裝在前輪上，輪子每轉(zhuǎn)一圈，磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器就會輸出一個(gè)脈沖電壓。如圖乙所示，電源輸出電壓為U1，當(dāng)磁場靠近霍爾元件時(shí)，在導(dǎo)體前后表面間出現(xiàn)電勢差U2(前表面的電勢低于后表面的電勢)。下列說法中正確的是A.圖乙中霍爾元件的載流子帶負(fù)電B.已知自行車車輪的半徑，再根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，即獲得車速大小C.若傳感器的電源輸出電壓U1變大，則電勢差U2變大D.若自行車的車速越大，則電勢差U2越大
由題意可知，前表面的電勢低于后表面的電勢，結(jié)合左手定則可知，霍爾元件的電流I是由負(fù)電荷定向運(yùn)動形成的，A正確；
根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可求得車輪轉(zhuǎn)動周期，從而求得車輪的角速度，最后由線速度公式v＝rω，結(jié)合車輪半徑，即可求解車輪的速度大小，B正確；
由以上分析可知U2與車速無關(guān)，D錯誤。
8.(多選)(2023·四川成都七中高二?？茧A段練習(xí))如圖所示為磁流體發(fā)電機(jī)的原理圖。金屬板M、N間距d＝20 cm，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B＝5 T，方向垂直紙面向里?，F(xiàn)將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負(fù)電的離子，整體呈中性)從M、N板間的左側(cè)射入磁場，電路穩(wěn)定后圖中額定功率P＝100 W的燈泡恰好正常發(fā)光，且此時(shí)燈泡電阻R＝100 Ω。不計(jì)離子重力和發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，每個(gè)離子電荷量數(shù)值為1.6×10－19 C，則下列說法中正確的是
A.金屬板M上聚集負(fù)電荷，金屬板N上聚集正電荷B.該發(fā)電機(jī)的電動勢為100 VC.離子從左側(cè)噴射入磁場的初速度大小為100 m/sD.每秒鐘有6.25×1018個(gè)離子打在金屬板N上
離子進(jìn)入磁場區(qū)域，由左手定則知正離子向上偏轉(zhuǎn)，所以金屬板M聚集正電荷，帶正電，故A錯誤；

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