2020屆高考物理一輪 專題24 磁場對運動電荷的作用學(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 專題24 磁場對運動電荷的作用 教學(xué)目標(biāo)：1．掌握洛倫茲力的特點，理解洛倫茲力對運動電荷不做功 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)磁場中做勻速圓周運動 本講重點：1．用左手定則判斷洛倫茲力方向 2．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的勻速圓周運動 本講難點：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的勻速圓周運動 考點點撥：1．洛倫茲力方向的判定 2．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動 3．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運動的實例分析 第一課時 一、考點掃描 （一）知識整合 （二）重難點闡釋 二、高考要點精析 （一）洛倫茲力方向的判定

2、☆考點點撥 在用左手定則時，四指必須指向電流方向（不是速度方向），即正電荷定向移動的方向；對負(fù)電荷，四指應(yīng)指負(fù)電荷定向移動的反方向。 ☆考點精煉 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。用以下實驗可以判定一塊半導(dǎo)體材料是p型還是n型：將材料放在勻強(qiáng)磁場中，通以圖示方向的電流I，用電壓表判定上下兩個表面的電勢高低，若上極板電勢高，就是p型半導(dǎo)體；若下極板電勢高，就是n型半導(dǎo)體。試分析原因。 （二）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動 ☆考點點撥 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中僅受洛倫茲力而做勻速圓周運

3、動時，洛倫茲力充當(dāng)向心力，由此可以推導(dǎo)出該圓周運動的半徑公式和周期公式： ，得 【例2】兩個帶電荷相等的粒子，在同一勻強(qiáng)磁場中只受磁場力作用而作勻速圓周運動，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 ☆考點精煉 第二課時 （三）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運動的實例分析 ☆考點點撥 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動往往與實際問題相聯(lián)系，近年來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、正負(fù)電子對撞機(jī)、回旋加速器、霍爾效應(yīng)等。對于這些實際問題，首先應(yīng)通過分析將其提煉成純粹的物理問題，然后用解決物理問題的方法進(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)電場的場強(qiáng)與電勢差的關(guān)系、力的平衡等多個知識點。 【例4】P x S1 U （質(zhì)譜儀）質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(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)生出來時速度很小，可以看作速度為零。產(chǎn)生的離子經(jīng)過電壓U加速，進(jìn)入磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，沿著半圓周運動，到達(dá)記錄它的照相底片上的P點。測得P點到入口處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是不能直接測量的，但通過離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)化為距離進(jìn)行測量。當(dāng)離子在電場中加速時應(yīng)用動能定理可得： qU= 當(dāng)離子在磁場中偏轉(zhuǎn)時應(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，運動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)電場和勻強(qiáng)磁場所組成的場區(qū)，已知電場強(qiáng)度大小為E、方向向下，磁場

6、的磁感強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面向里，若粒子的運動軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（重力不計），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。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)均無關(guān)，只跟粒子的速度有關(guān)，且對速度的方向進(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)磁場中，并通有沿y方向的電流時，在導(dǎo)體的上下兩側(cè)面間會出現(xiàn)電勢差，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)的原理可以制造磁強(qiáng)計，測量磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 S R B v 等離子體 磁強(qiáng)計的原理如圖所示，電路中有一段金屬導(dǎo)

7、體，它的橫截面為邊長等于a的正方形，放在沿x正方向的勻強(qiáng)磁場中，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磁場時，就可以實現(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價值的磁流體發(fā)電。設(shè)平行金屬板距離為d，金屬板長度為a，寬度為b，其間有勻強(qiáng)磁場，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)生的電動勢。 （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通過磁場，發(fā)電通道兩端需保持一定的壓強(qiáng)差△p。試計算△p。 【例10】（磁約束）核聚變反應(yīng)需要幾百萬度以上的高溫，為把高溫條件下高速運動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，都不會穿出磁場的外邊緣而被約束在該區(qū)域內(nèi)。設(shè)環(huán)狀磁場的內(nèi)半徑為R1=0.5m，外半徑R2=1.0m，磁場的磁感強(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)帶電粒子具有各個方向的速度。試計算 （1）粒子沿環(huán)狀的半徑方向射入磁場，不能穿越磁場的最大速度。 （2）所有粒子不能穿越磁場的最大速度。 考點精煉參考答案 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，上極板的電勢高；n型半導(dǎo)體中自由電子多，上極板電勢低。 注意：當(dāng)電流方向相同時，正、負(fù)離子在同一個磁場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)線正下方的磁場垂直紙面向里，且距離導(dǎo)線越遠(yuǎn)，

10、磁感應(yīng)強(qiáng)度越??；由得，，由于是電子，則B正確。 三、考點落實訓(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，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開始運動，則?。? ） v I Ⅰ Ⅱ A．將沿軌跡I運動，半徑越來越小 B．將沿軌跡I運動，半徑越來越大 C．將沿軌跡II運動，半徑越來越小 D．將沿軌跡II運動，半徑越來越大 B U O P 5．如圖所示，一帶電粒子由靜止開始經(jīng)電壓U加速后從O孔進(jìn)入垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場中，并打在了P點．測得OP=L，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則帶電粒子的荷質(zhì)比q/m＝ ．（不計重力） 考點落實訓(xùn)練參考答案 1．A 2．A 3．ABCD 4．BC 5． 6． 7．b，Bdv