高考物理一轮复习核心考点精讲精练考点44 洛伦兹力与现代科技（2份，原卷版+解析版）

这是一份高考物理一轮复习核心考点精讲精练考点44 洛伦兹力与现代科技（2份，原卷版+解析版），共6页。试卷主要包含了 高考真题考点分布， 命题规律及备考策略，25等内容，欢迎下载使用。
1. 高考真题考点分布
2. 命题规律及备考策略
【命题规律】高考对洛伦兹力与现代科技的考查除了几个省份有考查以外，其他省份考查频度不是太高，题目多以选择题或计算题的形式出现，选择题大多较为简单，计算题难度较大。
【备考策略】
1.理解和掌握电磁场中各类仪器的原理。
2.能够利用电磁场中各类仪器的工作原理处理有关问题。
【命题预测】重点关注生活和科学领域中与洛伦兹力有关的新技术的应用，明确应用的原理。
考点一 电磁组合场中的各类仪器
考向1 质谱仪
（1）作用
测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。
（2）原理(如图所示)
①加速电场：qU＝ eq \f(1,2) mv2。
②偏转磁场：qvB＝ eq \f(mv2,r) ，l＝2r，由以上两式可得r＝ eq \f(1,B) eq \r(\f(2mU,q)) ，m＝ eq \f(qr2B2,2U) ， eq \f(q,m) ＝ eq \f(2U,B2r2) 。
1．如图所示为质谱仪原理示意图。由粒子源射出的不同粒子先进入速度选择器，部分粒子沿直线通过速度选择器的小孔进入偏转磁场，最后打在MN之间的照相底片上。已知速度选择器内的电场的场强为E，磁场磁感应强度为B0，偏转磁场的磁感应强度为2B0，S1、S2、S3是三种不同的粒子在照相底片上打出的点。忽略粒子的重力以及粒子间的相互作用，下列说法正确的是（ ）
A．打在S3位置的粒子速度最大
B．打在S1位置的粒子速度最大
C．如果射入偏转磁场的粒子质量为m、电荷量为q，则粒子的轨迹半径为
D．如果氕（）核和氘（）核都进入偏转磁场，则其在磁场中运动的时间之比为1：2
2．质谱仪可用来分析带电粒子的基本性质，其示意图如图所示。a、b是某元素的两种同位素的原子核，它们具有相同的电荷量，不同的质量。a、b两种带电粒子持续从容器A下方的小孔飘入加速电场，初速度几乎为0，加速后从小孔射出，又通过小孔，沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后打到照相底片D上并被吸收。测得a、b打在底片上的位置距小孔的距离分别为、，a、b打在底片上的强度（数值上等于单位时间内打在底片上某处的粒子的总动能）分别为、。不计原子核的重力及相互作用力，下列说法正确的是（ ）
A．a、b的质量之比
B．a、b分别形成的等效电流之比
C．a、b对底片的作用力大小之比
D．a、b在磁场中运动时间之比
考向2 回旋加速器
（1）构造
如图所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源。
（2）原理
交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次。
（3）最大动能
由qvmB＝ eq \f(mvm2,R) 、Ekm＝ eq \f(1,2) mvm2得Ekm＝ eq \f(q2B2R2,2m) ，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关。
（4）总时间
粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n＝ eq \f(Ekm,qU) ，粒子在磁场中运动的总时间t＝ eq \f(n,2) T＝ eq \f(Ekm,2qU) · eq \f(2πm,qB) ＝ eq \f(πBR2,2U) 。
3．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氘核（）加速，所需的高频电源的频率为f，磁感应强度为B，已知元电荷为e，下列说法正确的是（ ）
A．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大
B．高频电源的电压越大，氘核最终射出回旋加速器的速度越大
C．氘核的质量为
D．该回旋加速器接频率为f的高频电源时，也可以对氦核（）加速
4．如图所示为回旋加速器的示意图，两D型盒所在区域加匀强磁场，狭缝间就有交变电压（电压的大小恒定），将粒子由A点静止释放，经回旋加速器加速后，粒子最终从D型盒的出口引出。已知D型盒的半径为R，粒子的质量和电荷量分别为m、q，磁感应强度大小为B，加速电压为U（不计粒子在电场中的运动时间），粒子在回旋加速器中运动的时间为（ ）
A．B．C．D．
考点二 电磁叠加场中的各类仪器
考向1 速度选择器
5．如图所示，水平放置的两平行金属板间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。一带电粒子（重力不计）从M点沿水平方向射入到两板之间，恰好沿直线从N点射出。电场强度为E，磁感应强度为B。下列说法正确的是（ ）。
A．粒子一定带正电
B．粒子射入的速度大小
C．若只改变粒子射入速度的大小，其运动轨迹为曲线
D．若粒子从N点沿水平方向射入，其运动轨迹为直线
6．如图所示，M为加速器、N为速度选择器，两平行导体板之间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度为B。从S点释放一初速度为0、质量为m、电荷量为+q的带电粒子，经M加速后恰能沿直线（图中平行于导体板的虚线）通过N，不计重力，则（ ）
A．N板间的电场强度方向垂直导体板向下
B．仅将粒子电荷量改为2q，仍能沿直线通过
C．仅将粒子质量改为2m，仍能沿直线通过
D．仅将磁感应强度改为2B，仍能沿直线通过
考向2 磁流体发电机
7．第十四届夏季达沃斯论坛发布2023年度突破性技术榜单，列出最有潜力对世界产生积极影响的十大技术，这些新技术的应用正在给我们的生活带来潜移默化的改变。磁流体发电技术是目前世界上正在研究的新兴技术。如图所示是磁流体发电机示意图，相距为d的平行金属板A、B之间的磁场可看作匀强磁场，磁感应强度大小为B，等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）以速度v垂直于B且平行于板面的方向进入磁场。金属板A、B和等离子体整体可以看作一个直流电源。将金属板A、B与电阻R相连，当发电机稳定发电时，假设两板间磁流体的等效电阻为r，则A、B两金属板间的电势差为（ ）
A．B．C．D．
8．如图所示，燃烧室在3 000 K的高温下将气体全部电离为正离子与负离子，即高温等离子体。高温等离子体经喷管提速后以1 000 m/s的速度进入矩形发电通道。发电通道有垂直于喷射速度方向的匀强磁场，磁感应强度为6 T，等离子体发生偏转，在两极间形成电势差。已知发电通道长a=50 cm，宽b=20 cm，高d=20 cm，等离子体的电阻率ρ=2 Ω·m，下列说法正确的是（ ）
A．发电机的电动势为1 200 V
B．开关S断开时，高温等离子体不能匀速通过发电通道
C．发电通道下板相当于电源正极
D．当外接电阻为6 Ω时，发电机输出功率最大
考向3 电磁流量计
9．新冠肺炎疫情持续期间，医院需要用到血液流量计检查患者身体情况。某种电磁血液流量计的原理可简化为如图所示模型。血液内含有少量正、负离子，从直径为d的血管右侧流入，左侧流出，空间有垂直纸面向里、磁感应强度大小为B的匀强磁场，M、N两点之间的电压稳定时测量值为U，流量Q等于单位时间通过横截面的液体的体积。下列说法正确的是（ ）
A．离子所受洛伦兹力方向一定竖直向下
B．M点的电势一定高于N点的电势
C．血液流量
D．电压稳定时，正、负离子不再受洛伦兹力
10．某学校安装了反渗透RO膜过滤净水器，经过过滤净化的直饮水进入了教室。净水器如果有反渗透RO膜组件，会产生一部分无法过滤的自来水，称为“废水”，或称“尾水”。“尾水”中含有较多矿物质及其他无法透过反渗透RO膜的成分，不能直接饮用，但可以浇花、拖地。该学校的物理兴趣小组为了测量直饮水供水处“尾水”的流量，将“尾水”接上电磁流量计，如图所示。已知流量计水管直径为d，垂直水管向里的匀强磁场磁感应强度大小为B，稳定后M、N两点之间电压为U。则（ ）
A．M点的电势低于N点的电势
B．“尾水”中离子所受洛伦兹力方向由M指向N
C．“尾水”的流速为
D．“尾水”的流量为
考向4 霍尔元件
11．把用金属导体制成的霍尔元件接入如图电路中，把电压表接在霍尔元件极上，调节滑动变阻器使输入电流为（导体中可自由移动的是电子），又从左向右加垂直于板面的磁感应强度为的匀强磁场，当电场力等于洛伦兹力时，电压表测出的霍尔电压为。下列判断正确的是（ ）
A．极的电势高于极的电势
B．只增大的强度，则跟着增大
C．只改变的强度，则跟的平方成正比
D．改变的方向，电压表指针会偏向另一边
12．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，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为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．前、后表面间的电压U与v成正比
D．自由电子受到的洛伦兹力大小为
13．如图，一质谱仪由加速电场、静电分析器、磁分析器构成。静电分析器通道的圆弧中心线半径为R，通道内有均匀辐向电场，方向指向圆心O，中心线处各点的电场强度大小相等。磁分析器中分布着方向垂直于纸面的有界匀强磁场，边界为矩形CNQD，，。质量为m、电荷量为q的粒子（不计重力），由静止开始从A板经电压为U的电场加速后，沿中心线通过静电分析器，再由P点垂直磁场边界进入磁分析器，最终打在胶片ON上，则（ ）
A．磁分析器中磁场方向垂直于纸面向外
B．静电分析器中心线处的电场强度
C．仅改变粒子的比荷，粒子仍能打在胶片上的同一点
D．要使粒子能到达NQ边界，磁场磁感应强度B的最小值为
14．如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是（ ）
A．在图像中应有
B．加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大
C．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积
15．速度选择器如图（a）所示，载流子为电子的霍尔元件如图（b）所示。下列说法正确的是（ ）
A．图（a）中，电子以速度大小从Q端射入，可沿直线运动从P点射出
B．图（a）中，电子以速度大小从P端射入，电子向下偏转，轨迹为抛物线
C．图（b）中，仅增大电流I，其他条件不变，将增大
D．图（b）中，稳定时元件左侧的电势高于右侧的电势
16．磁流体发电是一项新兴技术，其发电原理如图所示，平行金属板之间有方向垂直纸面向里的匀强磁场，金属板间距为d，磁感应强度大小为B。将一束含有大量正、负带电离子的等离子体，沿图中所示方向以一定的速度喷入磁场，把两个极板与一个小型电动机相连，开关S闭合，小型电动机正常工作，电动机两端电压为U，通过电动机电流为I，已知磁流体发电机的等效内阻为r，则以下判断正确的（ ）
A．流过电动机的电流方向是B．磁流体发电机的电动势大小为U
C．等离子体射入磁场的速度大小D．电动机正常工作的发热功率为
17．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。当时，测得关系图线如图（b）所示，元电荷，则此样品每平方米载流子数最接近（ ）
A．B．C．D．
18．工业上常用电磁流量计来测量高黏度及强腐蚀性流体的流量Q（单位时间内流过管道横截面的液体体积），原理如图甲所示，在非磁性材料做成的圆管处加一磁感应强度大小为B的匀强磁场，当导电液体流过此磁场区域时，测出管壁上下M、N两点间的电势差U，就可计算出管中液体的流量。为了测量某工厂的污水排放量，技术人员在充满污水的排污管末端安装了一个电磁流量计，如图乙所示，已知排污管和电磁流量计处的管道直径分别为20和10。当流经电磁流量计的液体速度为10时，其流量约为280，若某段时间内通过电磁流量计的流量为70，则在这段时间内（ ）
A．M点的电势一定低于N点的电势
B．通过排污管的污水流量约为140
C．排污管内污水的速度约为2.5
D．电势差U与磁感应强度B之比约为0.25
19．智能手机中的电子指南针利用了重力传感器和霍尔元件来确定地磁场的方向。某个智能手机中固定着一个矩形薄片霍尔元件。四个电极分别为、、、，薄片厚度为，在、间通入恒定电流同时外加与薄片垂直的匀强磁场，、间的电压为，已知半导体薄片中的载流子为正电荷，电流与磁场的方向如图所示。单位体积内正电荷的个数为，若仅某一物理变化时，下列图像可能正确的是（ ）
A． B．
C．D．
20．2020年12月2日22时，经过约19个小时的月面工作，嫦娥5号完成了月面自动采样封装，这其中要用到许多压力传感器。有些压力传感器是通过霍尔元件将压力信号转化为电信号，当压力改变时有电流通过霍尔元件。如图所示，一块宽为a、长为c、厚为h的长方体半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为-e的自由电子，通入如图所示方向的电流。若元件处于磁感应强度为B、方向垂直于上表面向下的匀强磁场中稳定时，前、后表面形成的电势差大小为U。下列说法中正确的是（ ）
A．自由电子受到洛伦兹力的方向垂直前表面向里
B．前表面电势比后表面电势高
C．自由电子受到的洛伦兹力大小为
D．电流一定时，前、后表面形成的电势差大小U与磁感应强度B成正比
21．“双聚焦分析器”是一种能同时实现速度聚焦和方向聚焦的质谱仪，其模型图如图甲．如图乙，电场分析器中与圆心O，等距离的各点场强大小相等、方向沿径向，电场强度大小为，r为入射点到圆心的距离k可调节．磁场分析器中以为圆心、圆心角为的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与电场分析器的右端面平行．若质量为m、电荷量为的离子（初速度为零），经电压为U的加速电场加速后，进入辐射状电场，恰好沿着半径为R的圆弧轨迹通过电场区域后，垂直磁场左边界从P点进入圆心为的四分之一圆形磁场区域并打在荧光屏上．图中，不计离子的重力．下列说法正确的是（ ）
A．k值应调节为
B．若离子源和加速电场整体向右平移一小段距离，则离子在电场分析器中不能做匀速圆周运动
C．若离子垂直于荧光屏打在Q点，则磁场分析器所加的磁感应强度为
D．若另有一离子经加速电场、电场分析器后从P点进入磁场分析器后打在点，该离子的比荷为
22．如图所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存在垂直于纸面、磁感应强度大小可调的匀强磁场（环形区域的宽度非常小）。质量为m、电荷量为q的带正电粒子可在环中做半径为R的圆周运动。A、B为两块中心开有小孔的距离很近的平行极板，原来电势均为零，每当带电粒子经过A板刚进入AB之间时，A板电势升高到＋U，B板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得到加速。每当粒子离开B板时，A板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速使得动能不断增大，而在环形区域内，通过调节磁感应强度大小可使绕行半径R不变。已知极板间距远小于R，则下列说法正确的是（ ）
A．环形区域内匀强磁场的磁场方向垂直于纸面向里
B．粒子从A板小孔处由静止开始在电场力作用下加速，绕行N圈后回到A板时获得的总动能为NqU
C．粒子在绕行的整个过程中，A板电势变化周期不变
D．粒子绕行第N圈时，环形区域内匀强磁场的磁感应强度为
23．1932年，劳伦斯和利文斯顿设计出了回旋加速器，回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间接交流电源，两盒间的狭缝间距离很小，带电粒子穿过狭缝的时间可以忽略不计，磁感应强度为的匀强磁场与盒面垂直，A处粒子源产生的质子，质量为m、电荷量为q，（质子初速度很小，可以忽略）在加速器中被加速，加速电压为，加速电压周期为T，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。则下列说法正确的是（ ）
A．要使质子每次经过电场都被加速，则交流电源的周期
B．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后做圆周运动的轨道半径之比
C．质子在电场中最多被加速次数
D．若已知，实际使用中磁感应强度B会出现波动，若在时第一次进入加速器被加速的质子，要实现连续n次加速（未射出D型盒），则B可波动的最大范围
24．如图所示，真空中有区域Ⅰ和Ⅱ，区域Ⅰ中存在电场强度大小为E、方向平行于纸面水平向左的匀强电场和磁感应强度大小为B1、方向垂直于纸面向里的匀强磁场；等腰直角三角形CDF区域（区域Ⅱ）内存在磁感应强度大小为B2、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。图中S、C、M三点在同一直线上，SM与DF垂直，且与电场和磁场方向均垂直。S点处的粒子源持续将同种带电粒子以不同的速率沿直线SC射入区域Ⅰ中，只有沿直线SC运动的粒子才能进入区域Ⅱ，并从CF的中点射出，它们在区域Ⅱ中运动的时间为t0。若改变电场或磁场强弱，能进入区域Ⅱ中的粒子在区域Ⅱ中运动的时间为t，不计粒子的重力及粒子之间的相互作用，下列说法中正确的是（ ）
A．若仅将区域Ⅰ中电场强度大小变为2E，则t=t0
B．若仅将区域Ⅰ中磁感应强度大小变为2B1，则t