2020屆高考物理一輪 專(zhuān)題24 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用學(xué)案 新課標(biāo)

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1、2020屆高三新課標(biāo)物理一輪原創(chuàng)精品學(xué)案 專(zhuān)題24 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 教學(xué)目標(biāo)：1．掌握洛倫茲力的特點(diǎn)，理解洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功 2．熟練應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力方向 3．理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 本講重點(diǎn)：1．用左手定則判斷洛倫茲力方向 2．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 本講難點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 考點(diǎn)點(diǎn)撥：1．洛倫茲力方向的判定 2．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 3．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析 第一課時(shí) 一、考點(diǎn)掃描 （一）知識(shí)整合 （二）重難點(diǎn)闡釋 二、高考要點(diǎn)精析 （一）洛倫茲力方向的判定

2、☆考點(diǎn)點(diǎn)撥 在用左手定則時(shí)，四指必須指向電流方向（不是速度方向），即正電荷定向移動(dòng)的方向；對(duì)負(fù)電荷，四指應(yīng)指負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向。 ☆考點(diǎn)精煉 I 1．半導(dǎo)體靠自由電子（帶負(fù)電）和空穴（相當(dāng)于帶正電）導(dǎo)電，分為p型和n型兩種。p型中空穴為多數(shù)載流子；n型中自由電子為多數(shù)載流子。用以下實(shí)驗(yàn)可以判定一塊半導(dǎo)體材料是p型還是n型：將材料放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，通以圖示方向的電流I，用電壓表判定上下兩個(gè)表面的電勢(shì)高低，若上極板電勢(shì)高，就是p型半導(dǎo)體；若下極板電勢(shì)高，就是n型半導(dǎo)體。試分析原因。 （二）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) ☆考點(diǎn)點(diǎn)撥 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中僅受洛倫茲力而做勻速圓周運(yùn)

3、動(dòng)時(shí)，洛倫茲力充當(dāng)向心力，由此可以推導(dǎo)出該圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式和周期公式： ，得 【例2】?jī)蓚€(gè)帶電荷相等的粒子，在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中只受磁場(chǎng)力作用而作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則（ ） A．若速率相等，則半徑必相等 B．若質(zhì)量相等，則半徑必相等 C．若速率相等，則周期必相等 D．若質(zhì)量相等，則周期必相等 解析：由得，，且，所以D正確 答案：D ☆考點(diǎn)精煉 第二課時(shí) （三）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析 ☆考點(diǎn)點(diǎn)撥 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)往往與實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系，近年來(lái)在高考試題中頻頻出現(xiàn)。如速度選擇器、質(zhì)譜儀、電磁泵、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁

4、流量計(jì)、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、回旋加速器、霍爾效應(yīng)等。對(duì)于這些實(shí)際問(wèn)題，首先應(yīng)通過(guò)分析將其提煉成純粹的物理問(wèn)題，然后用解決物理問(wèn)題的方法進(jìn)行分析求解。試題涉及到洛倫茲力方向的判定、電流的微觀表達(dá)式、勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差的關(guān)系、力的平衡等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。 【例4】P x S1 U （質(zhì)譜儀）質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖所示。離子源S產(chǎn)生質(zhì)量為m、電量為q的正離子，離子產(chǎn)生出來(lái)時(shí)速度很小，可以看作速度為零。產(chǎn)生的離子經(jīng)過(guò)電壓U加速，進(jìn)入磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，沿著半圓周運(yùn)動(dòng)，到達(dá)記錄它的照相底片上的P點(diǎn)。測(cè)得P點(diǎn)到入口處S1的距離為x。試求離子的質(zhì)量m

5、。 解析：離子的質(zhì)量m是不能直接測(cè)量的，但通過(guò)離子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)化為距離進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)離子在電場(chǎng)中加速時(shí)應(yīng)用動(dòng)能定理可得： qU= 當(dāng)離子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)用牛頓定律可得： Bqv= 由上述二式求得 m=. 【例5】（回旋加速器）如圖所示回旋加速器示意圖，在D型盒上半面出口處有一正離子源，試問(wèn)該離子在下半盒中每相鄰兩軌道半徑之比為多少？ + - v 【例6】（速度選擇器）如圖所示，由于電子等基本粒子所受重力可忽略不計(jì)，運(yùn)動(dòng)方向相同而速率不同的正離子組成的離子束射入相互正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)所組成的場(chǎng)區(qū)，已知電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E、方向向下，磁場(chǎng)

6、的磁感強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面向里，若粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（重力不計(jì)），必須滿足平衡條件：Bqv=qE，故v=E/B，這樣就把滿足v=E/B的粒子從速度選擇器中選擇了出來(lái)。帶電粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的條件跟粒子的質(zhì)量、所帶電荷量、電荷的性質(zhì)均無(wú)關(guān)，只跟粒子的速度有關(guān)，且對(duì)速度的方向進(jìn)行選擇。若粒子從圖中右側(cè)入射則不能穿出場(chǎng)區(qū)。 【例8】（霍爾效應(yīng)）將導(dǎo)體放在沿x方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并通有沿y方向的電流時(shí)，在導(dǎo)體的上下兩側(cè)面間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)的原理可以制造磁強(qiáng)計(jì)，測(cè)量磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 S R B v 等離子體 磁強(qiáng)計(jì)的原理如圖所示，電路中有一段金屬導(dǎo)

7、體，它的橫截面為邊長(zhǎng)等于a的正方形，放在沿x正方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)體中通有沿y方向、電流強(qiáng)度為I的電流，已知金屬導(dǎo)體單位【例9】（磁流體發(fā)電機(jī)）如圖所示是磁流體發(fā)電機(jī)的原理圖。磁流體發(fā)電中所采用的導(dǎo)電流體一般是導(dǎo)電的氣體，也可以是液態(tài)金屬。我們知道，常溫下的氣體是絕緣體，只有在很高的溫度下，例如6000K以上，才能電離，才能導(dǎo)電。當(dāng)這種氣體到很高的速度通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的磁流體發(fā)電。設(shè)平行金屬板距離為d，金屬板長(zhǎng)度為a，寬度為b，其間有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向如圖所示。導(dǎo)電流體的流速為v，電阻率為ρ。負(fù)載電阻為R。導(dǎo)電流體從一側(cè)沿垂直磁場(chǎng)且與極板平行的方向射入極板間。

8、 （1）求該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。 （2）求負(fù)載R上的電流I。 （3）證明磁流體發(fā)電機(jī)的總功率P與發(fā)電通道的體積成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。 （4）為了使導(dǎo)電流體以恒定的速度v通過(guò)磁場(chǎng)，發(fā)電通道兩端需保持一定的壓強(qiáng)差△p。試計(jì)算△p。 【例10】（磁約束）核聚變反應(yīng)需要幾百萬(wàn)度以上的高溫，為把高溫條件下高速運(yùn)動(dòng)的離子約束在小范圍內(nèi)（否則不可能發(fā)生核反應(yīng)），通常采用磁約束的方法（托卡馬克裝置）。如圖所示，環(huán)狀勻強(qiáng)磁場(chǎng)圍成中空區(qū)域，中空區(qū)域中的帶電粒子只要速度不是很大，都不會(huì)穿出磁場(chǎng)的外邊緣而被約束在該區(qū)域內(nèi)。設(shè)環(huán)狀磁場(chǎng)的內(nèi)半徑為R1=0.5m，外半徑R2=1.0m，磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)

9、度B=1.0T，若被束縛帶電粒子的荷質(zhì)比為q/m=4×C/㎏，中空區(qū)域內(nèi)帶電粒子具有各個(gè)方向的速度。試計(jì)算 （1）粒子沿環(huán)狀的半徑方向射入磁場(chǎng)，不能穿越磁場(chǎng)的最大速度。 （2）所有粒子不能穿越磁場(chǎng)的最大速度。 考點(diǎn)精煉參考答案 1．解：分別判定空穴和自由電子所受的洛倫茲力的方向，由于四指指電流方向，都向右，所以洛倫茲力方向都向上，它們都將向上偏轉(zhuǎn)。p型半導(dǎo)體中空穴多，上極板的電勢(shì)高；n型半導(dǎo)體中自由電子多，上極板電勢(shì)低。 注意：當(dāng)電流方向相同時(shí)，正、負(fù)離子在同一個(gè)磁場(chǎng)中的所受的洛倫茲力方向相同，所以偏轉(zhuǎn)方向相同。 2．解析：導(dǎo)線正下方的磁場(chǎng)垂直紙面向里，且距離導(dǎo)線越遠(yuǎn)，

10、磁感應(yīng)強(qiáng)度越?。挥傻?，，由于是電子，則B正確。 三、考點(diǎn)落實(shí)訓(xùn)練 a b I I 1．如圖所示，在鐵環(huán)上用絕緣導(dǎo)線纏繞兩個(gè)相同的線圈a和b．a(chǎn)、b串聯(lián)后通入方向如圖所示的電流I，一束電子從紙里經(jīng)鐵環(huán)中心射向紙外時(shí)，電子將 （ ） A．向下偏轉(zhuǎn) B．向上偏轉(zhuǎn) C．向左偏轉(zhuǎn) D．向右偏轉(zhuǎn) 2．如圖所示，在通電直導(dǎo)線下方，有一電子沿平行導(dǎo)線方向以速度v開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，則　（ ） v I Ⅰ Ⅱ A．將沿軌跡I運(yùn)動(dòng)，半徑越來(lái)越小 B．將沿軌跡I運(yùn)動(dòng)，半徑越來(lái)越大 C．將沿軌跡II運(yùn)動(dòng)，半徑越來(lái)越小 D．將沿軌跡II運(yùn)動(dòng)，半徑越來(lái)越大 B U O P 5．如圖所示，一帶電粒子由靜止開(kāi)始經(jīng)電壓U加速后從O孔進(jìn)入垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并打在了P點(diǎn)．測(cè)得OP=L，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則帶電粒子的荷質(zhì)比q/m＝ ．（不計(jì)重力） 考點(diǎn)落實(shí)訓(xùn)練參考答案 1．A 2．A 3．ABCD 4．BC 5． 6． 7．b，Bdv