2026年高考物理一轮复习精讲精练第55讲洛伦兹力与现代科技(练习)(学生版+解析)

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1．（2025·广西·高考真题）如图，带等量正电荷q的M、N两种粒子，以几乎为0的初速度从S飘入电势差为U的加速电场，经加速后从O点沿水平方向进入速度选择器（简称选择器）。选择器中有竖直向上的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场。当选择器的电场强度大小为E，磁感应强度大小为B1，右端开口宽度为2d时，M粒子沿轴线OO′穿过选择器后，沿水平方向进入磁感应强度大小为B2、方向垂直纸面向外的匀强磁场（偏转磁场），并最终打在探测器上；N粒子以与水平方向夹角为θ的速度从开口的下边缘进入偏转磁场，并与M粒子打在同一位置，忽略粒子重力和粒子间的相互作用及边界效应，则（ ）
A．M粒子质量为
B．刚进入选择器时，N粒子的速度小于M粒子的速度
C．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′穿过选择器，此时选择器的电场强度与磁感应强度大小之比为
D．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′进入偏转磁场，打在探测器上的位置与调节前M粒子打在探测器上的位置间距为
2．（2024·甘肃·高考真题）质谱仪是科学研究中的重要仪器，其原理如图所示。Ⅰ为粒子加速器，加速电压为U；Ⅱ为速度选择器，匀强电场的电场强度大小为，方向沿纸面向下，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里；Ⅲ为偏转分离器，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里。从S点释放初速度为零的带电粒子（不计重力），加速后进入速度选择器做直线运动、再由O点进入分离器做圆周运动，最后打到照相底片的P点处，运动轨迹如图中虚线所示。
（1）粒子带正电还是负电？求粒子的比荷。
（2）求O点到P点的距离。
（3）若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为（略大于），方向不变，粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的点上。求粒子打在点的速度大小。
3．（2018·全国III卷·高考真题）如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为L。不计重力影响和离子间的相互作用。求：
（1）磁场的磁感应强度B的大小。
（2）甲、乙两种离子的比荷之比。
4．（2025·广东·高考真题）某同步加速器简化模型如图所示，其中仅直通道PQ内有加速电场，三段圆弧内均有可调的匀强偏转磁场B。带电荷量为、质量为m的离子以初速度从P处进入加速电场后，沿顺时针方向在加速器内循环加速。已知加速电压为U，磁场区域中离子的偏转半径均为R。忽略离子重力和相对论效应，下列说法正确的是（ ）
A．偏转磁场的方向垂直纸面向里
B．第1次加速后，离子的动能增加了
C．第k次加速后．离子的速度大小变为
D．第k次加速后，偏转磁场的磁感应强度大小应为
5．（2023·浙江·高考真题）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，通有待测电流的直导线垂直穿过螺绕环中心，在霍尔元件处产生的磁场。调节电阻R，当电流表示数为时，元件输出霍尔电压为零，则待测电流的方向和大小分别为（ ）
A．，B．，
C．，D．，
模拟冲关
6．（2025·湖南·三模）质谱仪可以进行同位素分析，其原理如图所示。两平行竖直放置的极板间距为，两板间加恒定电压。板间加有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为，板间电场可视为匀强电场，不考虑边界效应。水平边界下方空间加有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为，照相底片位于边界处。现有某种元素的一价正离子从极板中间沿直线竖直飞入下方磁场，分成两股，最后打在照相底片上形成两个亮斑，亮斑间距为。电子电荷量大小为，则互为同位素的离子质量差为（ ）
A．B．
C．D．
7．（2025·广东清远·二模）左装置为回旋加速器的示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在磁感应强度大小为B且垂直盒面的匀强磁场中。右装置为质谱仪的示意图，离子源S产生质量不同带电量相同的离子（速度可看作零），经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P点。不计粒子的重力，以下说法正确的是（ ）
A．右装置中，加速电场方向竖直向上
B．左装置中，带电粒子通过磁场后动能增大
C．左装置中，电压U越大，带电粒子获得的最大动能也越大
D．右装置中，打在P点的粒子质量大，在磁场中运动的速率大
8．（2025·辽宁·模拟预测）如图所示的装置，从灯丝K发出连续电子流，经过的电压加速后，从小孔S垂直进入垂直于纸面向外的匀强磁场中，电子偏转后都能打在荧光屏EF上发出荧光，EF与加速电极CD在同一条直线上。若电子在加速电场中运动的时间极短，电子离开灯丝时的初速度可认为是零，电子带电荷量为e，质量为m。已知EF上发出荧光部分的长度为L，求：
(1)到达小孔S处电子的速度大小的区间范围；
(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小。
9．（2025·广东·二模）如图所示为某质谱仪的简化示意图，它由加速电场、静电偏转区、真空通道和磁场偏转区组成。现有一粒子在点从静止开始经电压恒定的电场加速后进入静电偏转区，然后匀速通过真空通道后进入磁场偏转区，最终打到点，运动轨迹如图中虚线所示。粒子在静电偏转区和磁场偏转区中均做匀速圆周运动。下列说法正确的是（ ）
A．静电偏转区内的电场是匀强电场
B．磁场偏转区内磁场方向垂直于纸面向里
C．仅将粒子改为质子，质子仍能在静电偏转区沿虚线运动
D．仅将粒子改为氘核（），氘核不会沿虚线运动到点
10．（2025·天津和平·一模）质谱仪可用来对同位素进行分析，其主要由加速电场和直线PQ下方的足够大匀强偏转磁场组成，如图甲所示。某次研究的粒子束是氘核（）和氕核（）组成的，粒子从静止开始经过电场加速后，从边界上的O点垂直于边界进入偏转磁场，氘核最终到达照相底片上的M点，测得O、M间的距离为d，粒子的重力忽略不计，求：
(1)若使本次研究的粒子在照相底片上都能检测到，照相底片沿PQ方向的长度L至少多大？
(2)某次研究只分析氘核，但粒子从O点进入磁场时与垂直磁场边界方向存在一个很小的散射角θ（如图乙所示），若使所有粒子在照相底片沿PQ方向上都能检测到，照相底片的长度L'至少多大？
11．（24-25高三下·山西太原·阶段练习）如图所示是某种质谱仪的结构简化图。质量为m、电荷量为的粒子束恰能沿直线通过速度选择器，并从半圆环状D形盒的中缝垂直射入环形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里。D形盒的外半径为2R，内半径为R，壳的厚度不计，出口M、N之间放置照相底片，底片能记录粒子经过出口时的位置。已知速度选择器中电场强度大小为E，方向水平向左，磁感应强度大小为B（磁场方向未画出）。不计粒子重力，若带电粒子能够打到照相底片，则（ ）

A．B的方向垂直纸面向里
B．粒子进入D形盒时的速度大小
C．打在底片M点的粒子在D形盒中运动的时间为
D．D形盒中的磁感应强度的大小范围
12．（24-25高二上·湖北·期末）质谱仪在众多科学研究和实际应用领域中都发挥着重要作用。如图所示为某一质谱仪，某种带电粒子从O点由静止出发，经过加速电场和速度选择器，进入磁场后打在荧光屏上，粒子轨迹如图中虚线所示。若、、以及圆周运动的半径为已知量，下列说法正确的是（ ）
A．该粒子带负电
B．该粒子的速度为
C．该粒子的比荷为
D．该速度选择器中电场强度为
13．（24-25高二上·浙江台州·期末）某质谱仪原理如图所示，在平面内，Ⅰ为粒子加速器，加速电压为；Ⅱ为速度选择器，其中金属板MN长均为L、间距为d、两端电压为，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里；Ⅲ为偏转分离器，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里。从S点释放初速度为零的带电粒子（不计重力），加速后以比较大的速度沿着Ⅱ的中轴线做直线运动，再由O点进入Ⅲ做圆周运动，最后打到荧光屏的P点处，运动轨迹如图中虚线所示。求：
(1)MN极板的电势高低和粒子的比荷；
(2)O点到P点的距离y；
(3)假设质量分析器两极板间电势差在内小幅波动，则离子在质量分析器中不再沿直线运动，可近似看做匀变速曲线运动。
①进入Ⅲ时粒子与x轴的最大发散角（用三角函数表示）；
②荧光屏上被击中的区域长度s。
14．（2025·北京东城·二模）回旋加速器的工作原理如图所示，其主体部分是两个D形金属盒，两金属盒处在垂直于盒底面的匀强磁场中。现用该回旋加速器对氦核进行加速，高频交流电源的电压最大值为、频率为，匀强磁场的磁感应强度大小为。已知元电荷为，氦核的质量为。不计粒子在两D形盒之间的运动时间，不考虑相对论效应。下列说法正确的是（ ）
A．氦核能够从形盒内的磁场中直接获得能量
B．仅增大电压，氦核最终获得的动能一定变大
C．若满足，可对氦核加速
D．若保持加速氦核时的各参数不变，则也能加速氚核
15．（2025·河北邯郸·模拟预测）回旋加速器广泛应用于高能物理研究、医学诊疗等领域，其结构如图甲，置于真空中半径为R的两D形金属盒的圆心分别为，盒内的匀强磁场与盒面垂直，磁感应强度的大小均为B，加在狭缝上下边界间的交变电压的变化规律如图乙所示，已知。时刻，在点由静止释放质量为m、电荷量为的氕粒子，经多次加速后出射，忽略带电粒子穿过狭缝的时间，不计粒子重力及相对论效应。下列说法正确的是（ ）
A．氕粒子出射时获得的最大动能为
B．氕粒子第2次与第4次加速后，刚进入时的位置间距离为
C．该回旋加速器不能使质量为、电荷量为的粒子一直加速并最终出射
D．时将质量为、电荷量为的粒子由点释放后，只能被加速2次
16．（2025·重庆·模拟预测）如图所示，用某一回旋加速器分别加速两个不同的粒子，与加速器平面垂直的磁场的磁感应强度恒定不变，交变电压的频率可调，即两粒子各自在磁场中做匀速圆周运动的频率与相应的交变电压频率相同。则下列说法可能正确的是（ ）
A．电量大的粒子最后的动量大B．电量小的粒子最后的动量大
C．电量大的粒子最后的动能大D．电量小的粒子最后的动能大
17．（2025·海南省直辖县级单位·模拟预测）如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，所加磁场的磁感应强度大小为B、方向垂直D形盒向下。质子从D形盒中央由静止出发，经电压为U的交变电场加速后进入磁场，若质子的质量为m，带电荷量为e，质子在电场中运动的时间忽略不计，则下列分析正确的是（ ）
A．质子在回旋加速器中加速后获得的最大动能为
B．质子在回旋加速器中加速的次数为
C．质子在回旋加速器中加速的次数为
D．质子在回旋加速器中运动的时间为
18．（2025·河北沧州·一模）用如图所示的回旋加速器加速电荷量为、质量为的带电粒子，已知形盒半径为，所加磁场磁感应强度大小为间所接电压为，粒子从图中点开始加速，忽略两形盒间狭缝的宽度。下列说法正确的是（ ）
A．图中回旋加速器加速的带电粒子一定带正电
B．回旋加速器、之间所接高频交流电的周期为
C．回旋加速器加速后粒子的最大动能为
D．回旋加速器形盒的半径、磁感应强度不变，则加速电压越高，粒子飞出形盒的动能越大
19．（2025·浙江绍兴·模拟预测）利用霍尔元件可以进行微小位移的测量。如图甲所示，将固定有霍尔元件的物体置于两块磁性强弱相同、同极相对放置的磁体缝隙中，建立如图乙所示的空间坐标系。保持沿x方向通过霍尔元件的电流I不变，当物体沿z轴方向移动时，由于不同位置处磁感应强度B不同，霍尔元件将在y轴方向的上、下表面间产生不同的霍尔电压。当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度，，将该点作为位移的零点。在小范围内，磁感应强度B的大小和坐标z成正比，这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表。下列说法中正确的是（ ）
A．在小范围内，霍尔电压的大小和坐标z成正比
B．其他条件相同的情况下，电流I越大，霍尔电压越小
C．其他条件相同的情况下，霍尔元件沿z轴方向的长度越小，霍尔电压越小
D．若霍尔元件中的载流子为电子，测得霍尔元件上表面电势高，说明元件向z轴正方向移动
20．（2025·陕西咸阳·模拟预测）传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器，其中压力传感器的应用较为广泛。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大小为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外
B．前表面电势比后表面电势高
C．若仅增大霍尔元件的宽度a，则元件的前、后表面间电压U会减小
D．工作稳定后，前后表面间电势差为
21．（2025·河南·模拟预测）某物流公司研发了一款智能货架，用于实时监测仓库中金属货箱的位置和数量。货架每层轨道内嵌霍尔元件阵列，当装有磁铁的货箱滑过轨道时，霍尔元件触发信号，其简化电路如图所示。则下列说法正确的是（ ）
A．若霍尔元件内部的自由电荷带正电，则货箱滑过轨道时，M点的电势低于N点的电势
B．若霍尔元件内部的自由电荷带负电，则货箱滑过轨道时，M点的电势低于N点的电势
C．保证霍尔元件中的电流大小不变，减小霍尔元件的厚度，则该装置灵敏度升高
D．保证霍尔元件中的电流大小不变，该装置的灵敏度与霍尔元件的厚度无关
22．（2025·辽宁·模拟预测）空间中存在着沿水平方向的匀强磁场，某兴趣小组设计的测量匀强磁场大小和方向的实验装置如图所示。通有电流的螺线管水平固定，其轴线与匀强磁场平行，螺线管在霍尔元件处产生的磁场的磁感应强度，其中k为比例常数，I为电流表示数。霍尔元件的工作面A向左且与匀强磁场垂直，霍尔元件的载流子为电子。调节滑动变阻器R接入电路的阻值，当电流表示数为时，霍尔元件输出的霍尔电压，下列说法正确的是（ ）
A．匀强磁场的方向水平向左
B．匀强磁场的磁感应强度大小为
C．若电流表示数小于，则a、b端的电势满足
D．若电流表示数大于，则a、b端的电势满足
23．（2025·福建龙岩·二模）自行车速度计可以利用霍尔效应传感器获知自行车车轮的运动速率。如图甲所示，自行车前轮半径R，霍尔效应传感器固定于前叉距轴r处。一块磁体安装在前轮上，轮子每转一圈，磁体就靠近传感器一次，传感器就会输出一个脉冲电压，若每秒触发n次脉冲。如图乙所示，电源输出电压为U1当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现电势差U2（前表面的电势低于后表面的电势）。则（ ）
A．自行车的速度为2πnr
B．车速越大A、B间电势差越大
C．霍尔元件的载流子是正电荷
D．电源长时间使用后电动势减小，A、B间电势差将减小
24．（2025·北京东城·二模）石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维蜂窝状结构的新材料，其导电能力远超银和铜等传统材料。现设计一电路测量石墨烯样品的载流子（自由导电粒子）浓度，为单位面积上的载流子个数。该载流子的电性及所带电荷量均与电子相同。
图甲为测量原理图，长为、宽为的石墨烯材料垂直于磁场放置，P、Q、M、N为电极。电极P、Q间通以恒定电流，电极M、N间产生大小为的霍尔电压。改变磁场的磁感应强度，测量霍尔电压，获得多组数据，得到关系图线如图乙所示。已知某次测量中所通电流大小，元电荷。下列说法正确的是（ ）
A．石墨烯与半导体的导电能力相当
B．电极的电势比电极的电势高
C．图乙中图线的斜率
D．该样品的载流子浓度约为个
25．（2025·河南·一模）如图所示，竖直导线中通有向上的恒定电流，水平放置在甲处的长方体霍尔元件上有M、N、O、P、R、Q六个接线柱，用以连接直流电源（提供的电流恒为）和测量霍尔电压的仪器，图中，，，霍尔元件单位体积中自由电荷的个数为n，每个电荷的电荷量为q，正确连接电源和测量仪器后，按图示方式放在甲处，测量仪器的示数为；将霍尔元件水平向右移至乙处时（图中未画出），测量仪器的示数为，视霍尔元件所在处的磁场为匀强磁场，已知甲、乙两处与导线相距分别为和，通电导线周围磁场的磁感应强度大小与导线中的电流大小成正比，与到导线的距离成反比，该霍尔元件中的自由电荷为正电荷。则下列说法正确的是（ ）
A．若M、N间接测量仪器，则O、P间应接直流电源
B．若M、N间接直流电源，甲处磁感应强度大小为B，则
C．若M接电源正极，N接负极，则接线柱R的电势高于Q的电势
D．若在甲处时M、N间接直流电源，在乙处时R、Q间接直流电源，则
26．（2025·四川成都·三模）如图所示，已知截面为矩形的管道长度为l，宽度为a，高度为b。其中相距为a的两侧面是电阻可忽略的导体，该两侧导体与某种金属直导体连成闭合电路，相距为b的顶面和底面是绝缘体，将电阻率为的水银沿图示方向通过矩形导管，假设沿流速方向上管道任意横截面上各点流速相等，且水银流动过程中所受管壁摩擦力与水银流速成正比。为使水银在管道中匀速流过，就需要在管道两端加上压强差。初始状态下，整个空间范围内无磁场，此时测得在管道两端加上大小为的压强差时水银的流速为，则：

(1)求水银受到管壁的摩擦力与其流速的比例系数k；
(2)在管道上加上垂直于两绝缘面，方向向上，磁感应强度大小为B的匀强磁场，若水银的流速仍为不变，已知金属直导体电阻为R，求电路中电流I；
(3)在（2）问的情况下，求此时管道两端的压强差p。
27．（2025·湖南·模拟预测）磁流体发电技术指的是利用高温加热使气体电离，再让已电离的气体在磁场中高速运动而产生电动势，以实现将内能转化为电能的目的。本题我们通过一个简化的模型更好地了解这一技术。如图所示，现有一横截面为矩形的管道，长为l，高为b，宽为a。与宽垂直的两个侧面是电阻可以忽略的导体，将它们用电阻不计的导线和阻值为R的电阻连接在一起。与高垂直的两个侧面为绝缘体，一匀强磁场垂直于该侧面，方向向上，大小为B。再让大量电阻率为的已电离气体以一定速度在管道中流动，假设同一横截面上各点气体的流速都相同。
(1)若忽略气体和管道间的摩擦，当气体以速度v匀速流动时，求此时回路中的电流和管道两端气体的压强差；
(2)若气体和管道之间的摩擦力和气体的流速平方成正比，且管道两端气体的压强差始终保持为，求无磁场时和有磁场B时管道内单位质量的气体动能之比。
28．（24-25高二上·河南·阶段练习）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，等离子体进入两平行极板之间的区域，速度为v，两金属板的板长（沿初速度方向）为L，板间距离为d，金属板的正对面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于等离子体初速度方向，并与极板平行，负载电阻为R，等离子体充满两板间的空间。当稳定发电时，电流表的示数为I。下列说法正确的是（ ）
A．稳定发电时，带电粒子受到的洛伦兹力和电场力等大反向
B．稳定发电时，正电荷受洛伦兹力向上，负电荷受洛伦兹力向下
C．稳定发电时，产生的电动势大小为BLv
D．稳定发电时，板间等离子体的等效阻值为
29．（2025·北京通州·一模）电磁血流量计的原理是基于法拉第电磁感应定律，可用于心血管手术的精密监控，其原理如图所示。空间存在竖直向下、磁感应强度大小为的匀强磁场。当血液从内径为的水平血管左侧流入、右侧流出时，因为血液中含有大量的正、负离子，血管上下两侧间将形成电势差。当血液的流量（单位时间内流过血管横截面的血液体积）一定时，下列说法正确的是（ ）
A．血管上侧电势低，血管下侧电势高B．若血管内径变大，则血液流速变大
C．若血管内径变大，则变小D．的大小与血液流速无关
30．（2025·内蒙古通辽·三模）电磁流量计是一种用于测量导电液体流量（单位时间内流过管道横截面的液体的体积）的仪器。它利用法拉第电磁感应原理来测量液体流过管道的速度，从而计算出流量。某电磁流量计如图所示，形状为立方体的流量计的长、宽、高分别为a、b、c，匀强磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度大小为B，导电液体从左到右时的流速为v。下列说法正确的是（ ）
A．通过电阻R的电流方向为从下到上
B．导电液体的流量为bcv
C．若仅把导电液体改成靠近N板的带正电粒子（不计重力），恰好没有电流通过电阻R，则粒子所带电荷量与其质量之比可能为
D．若仅把导电液体改成靠近N板的带正电粒子（不计重力），恰好没有电流通过电阻R，则粒子所带电荷量与其质量之比可能为