专题10-7-洛伦兹力的科技应用实例(原卷版)

2021年一轮考点扫描微专题专题10.7洛伦兹力的科技应用实例目录TOC\o"1-3"\h\u【考点扫描】 1实例一质谱仪 1实例二回旋加速器 1实例三速度选择器 1实例四电磁流量计 2实例五霍尔元件 2实例六磁流体发电机 2【典例分析】 2【专题精练】 5【考点扫描】实例一质谱仪装置原理图规律质谱仪带电粒子由静止被加速电场加速qU＝eq\f(1,2)mv2，在磁场中做匀速圆周运动qvB＝meq\f(v2,r)，则比荷eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2r2)实例二回旋加速器装置原理图规律回旋加速器交变电流的周期和带电粒子做圆周运动的周期相同，带电粒子在圆周运动过程中每次经过D形盒缝隙都会被加速。由qvB＝meq\f(v2,r)得Ekm＝eq\f(q2B2r2,2m)实例三速度选择器装置原理图规律速度选择器若qv0B＝Eq，即v0＝eq\f(E,B)，带电粒子做匀速运动实例四电磁流量计装置原理图规律电磁流量计eq\f(U,D)q＝qvB，所以v＝eq\f(U,DB)，所以Q＝vS＝eq\f(U,DB)π(eq\f(D,2))2＝eq\f(πUD,4B)实例五霍尔元件装置原理图规律霍尔元件当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差实例六磁流体发电机(1)原理：如图所示，等离子体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在B、A板上，产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能．(2)电源正、负极判断：根据左手定则可判断出图中的B是发电机的正极．(3)电源电动势U：设A、B平行金属板的面积为S，两极板间的距离为l，磁场磁感应强度为B，等离子体的电阻率为ρ，喷入气体的速度为v，板外电阻为R.当正、负离子所受电场力和洛伦兹力平衡时，两极板间达到的最大电势差为U(即电源电动势)，则qeq\f(U,l)＝qvB，即U＝Blv.(4)电源内阻：r＝ρeq\f(l,S).(5)回路电流：I＝eq\f(U,r＋R).【典例分析】【例1】(2019·天津高考)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v无关C．前、后表面间的电压U与c成正比D．自由电子受到的洛伦兹力大小为eq\f(eU,a)【例2】．(2018·全国卷Ⅲ)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)磁场的磁感应强度大小；(2)甲、乙两种离子的比荷之比。【例3】(2020·湖南常德高三一模)2018年，我省加大环保督查力度，打响碧水蓝天保卫战。督查暗访组在某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，其长为L、直径为D，左右两端开口，在前后两个内侧面a、c固定有金属板作为电极，匀强磁场方向竖直向下。污水(含有大量的正、负离子)充满管口从左向右流经该测量管时，a、c两端的电压为U，显示仪器显示污水流量Q(单位时间内排出的污水体积)。则()A．a侧电势比c侧电势低B．污水中离子浓度越高，显示仪器的示数越大C．污水流量Q与U成正比，与L、D无关D．匀强磁场的磁感应强度B＝eq\f(πDU,4Q)【例4】(2020·名师原创预测)某回旋加速器的示意图如图11，两个半径均为R的D形盒置于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，并与高频电源两极相连，现对氚核(eq\o\al(3,1)H)加速，所需的高频电源的频率为f。已知元电荷为e。下列说法正确的是()A．D形盒可以用玻璃制成B．氚核的质量为eq\f(eBf,2π)C．高频电源的电压越大，氚核从P处射出的速度越大D．若对氦核(eq\o\al(4,2)He)加速，则高频电源的频率应调为eq\f(3,2)f【专题精练】1.中国科学家发现了量子反常霍尔效应，杨振宁称这一发现是诺贝尔奖级的成果．如图所示，厚度为h、宽度为d的金属导体，当磁场方向与电流方向垂直时，在导体上、下表面会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．下列说法正确的是()A．上表面的电势高于下表面的电势B．仅增大h时，上、下表面的电势差增大C．仅增大d时，上、下表面的电势差减小D．仅增大电流I时，上、下表面的电势差减小2.如图所示为一速度选择器，内有一磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场，一束粒子流以速度v水平射入，为使粒子流经过磁场时不偏转(不计重力)，则磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，关于此电场场强大小和方向的说法中，正确的是()A．大小为eq\f(B,v)，粒子带正电时，方向向上B．大小为eq\f(B,v)，粒子带负电时，方向向上C．大小为Bv，方向向下，与粒子带何种电荷无关D．大小为Bv，方向向上，与粒子带何种电荷无关3.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度．电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示．由于血液中的正、负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差．在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零．在某次监测中，两触点间的距离为3.0mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160μV，磁感应强度的大小为0.040T．则血流速度的近似值和电极a、b的正、负为()A．1.3m/s，a正、b负 B．2.7m/s，a正、b负C．1.3m/s，a负、b正 D．2.7m/s，a负、b正4.(多选)如图所示为磁流体发电机的原理图．金属板M、N之间的距离为d＝20cm，磁场的磁感应强度大小为B＝5T，方向垂直纸面向里．现将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，整体呈中性)从左侧喷射入磁场，发现在M、N两板间接入的额定功率为P＝100W的灯泡正常发光，且此时灯泡电阻为R＝100Ω，不计离子重力和发电机内阻，且认为离子均为一价离子，则下列说法中正确的是()A．金属板M上聚集负电荷，金属板N上聚集正电荷B．该发电机的电动势为100VC．离子从左侧喷射入磁场的初速度大小为103m/sD．每秒钟有6.25×1018个离子打在金属板N上5.(2020·湖北省七市州教科研协作体高三联考)如图表示磁流体发电机的原理：将一束等离子体以速度v喷射入磁感应强度为B的磁场中(速度方向水平向里且垂直磁场)，在磁场中有两块金属板A、B，板间距离为d，金属板上会聚集电荷，产生电压，不计等离子体重力和电阻，以下说法正确的是()A．流过R的电流方向为从上向下B．R上电压最终会稳定且等于BdvC．其他条件不变，只增大磁感应强度，A、B间电势差减小D．其他条件不变，只增大射入速度，A、B间电势差减小6.(2020·辽宁大连双基模拟)信息时代，霍尔元件被广泛应用。如图所示，宽度为h、厚度为d的金属霍尔元件，单位体积内自由电子数为n，电子电量为e。将它放在与之垂直的磁感应强度大小为B＝B0sinωt的匀强磁场中。当恒定电流I通过霍尔元件时，在它的前后两个侧面之间会产生交流电压，这样就实现了将直流输入转化为交流输出。在元件的前后两个侧面接入交流电压表(图中未画出)，则电压表示数为()A.eq\f(IB0,ned)sinωt B.eq\f(IB0,\r(2)ned)C.eq\f(IB0,neh)sinωt D.eq\f(IB0,\r(2)neh)7.(多选)(2020·福建龙岩市3月质量检查)回旋加速器是加速带电粒子的装置，如图所示．其核心部件是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒(D1、D2)，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，D形盒的半径为R.质量为m、电荷量为q的质子从D1半盒的质子源(A点)由静止释放，加速到最大动能Ekm后经粒子出口处射出．若忽略质子在电场中的加速时间，且不考虑相对论效应，则下列说法正确的是()A．质子加速后的最大动能Ekm与交变电压U大小无关B．质子在加速器中的运行时间与交变电压U大小无关C．回旋加速器所加交变电压的周期为πReq\r(\f(2m,Ekm))D．D2盒内质子的轨道半径由小到大之比为1∶eq\r(3)∶eq\r(5)∶…8.(2020·湖南长沙第一中学高三下学期模拟卷一)质谱仪可测定同位素的组成。现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后，沿着与磁场和边界均垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示。测试时规定加速电压大小为U0，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小ΔU。为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则ΔU不得超过()A.eq\f(39,40)U0 B.eq\f(39,41)U0C.eq\f(2,41)U0 D.eq\f(1,40)U09.(2020·黑龙江牡丹江模拟)如图所示为质谱仪的原理图，M为粒子加速器，电压为U1＝5000V；N为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1＝0.2T，板间距离为d＝0.06m；P为一个边长为l的正方形abcd磁场区，磁感应强度为B2＝0.1T，方向垂直纸面向外，其中dc的中点S开有小孔，外侧紧贴dc放置一块荧光屏。今有一比荷为eq\f(q,m)＝108C/kg的正离子从静止开始经加速后，恰好通过速度选择器，从a孔以平行于ab方向进入abcd磁场区，正离子刚好经过小孔S打在荧光屏上。求：(1)粒子离开加速器时的速度v；(2)速度选择器的电压U2；(3)正方形abcd的边长l。10.(2020·福建厦门市上学期期末质检)如图为一装放射源氡(eq\o\al(222,86)Rn)的盒子，静止的氡核经过一次α衰变成钋(eq\o\al(218,84)Po)，产生的α粒子