2012屆高考物理電磁場(chǎng)在實(shí)際中的應(yīng)用第一輪復(fù)習(xí)學(xué)案

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高三 來(lái)源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)
第五課時(shí) 電磁場(chǎng)在實(shí)際中的應(yīng)用
【要求】
1.了解回旋加速器、磁流體發(fā)電機(jī)、速度選擇器、電磁流量計(jì)、霍耳效應(yīng)磁喲計(jì)、質(zhì)譜儀等。
2.學(xué)會(huì)分析實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的解決方案。
知識(shí)點(diǎn)一帶電粒子速度選擇器
如圖是一種質(zhì)譜儀的示意圖,其中MN板的左方是帶電粒子速度選擇器.選擇器內(nèi)有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)E和勻強(qiáng)磁場(chǎng)B,一束有不同速率的正離子水平地由小孔S進(jìn)入場(chǎng)區(qū),路徑不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子的條件是_____________,即能通過(guò)速度選擇器的帶電粒子必是速度為v=_______的粒子,與它帶多少電和電性,質(zhì)量為多少都無(wú)關(guān)。
【應(yīng)用1】如圖所示不同元素的二價(jià)離子經(jīng)加速后豎直向下射入由正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)組成的粒子速度選擇器,恰好都能沿直線(xiàn)穿過(guò),然后垂直于磁感線(xiàn)進(jìn)入速度選擇器下方另一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng),偏轉(zhuǎn)半周后分別打在熒屏上的M、N兩點(diǎn).下列說(shuō)法中不正確的有( )
A.這兩種二價(jià)離子一定都是負(fù)離子
B.速度選擇器中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里
C.打在M、N兩點(diǎn)的離子的質(zhì)量之比為OM:ON
D.打在M、N兩點(diǎn)的離子在下面的磁場(chǎng)中經(jīng)歷的時(shí)間相等
導(dǎo)示: 由左手定則知,這兩種二價(jià)離子都是負(fù)離子,速度選擇器中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里AB對(duì)。二價(jià)離子垂直于磁感線(xiàn)進(jìn)入下方勻強(qiáng)磁場(chǎng)后由于速度、電量、磁感應(yīng)強(qiáng)度都相等,打在M、N兩點(diǎn)的離子的質(zhì)量之比為OM:ON,C對(duì)。但打在M、N兩點(diǎn)的離子在下面的磁場(chǎng)中經(jīng)歷的路程不等,所以經(jīng)過(guò)的時(shí)間也不等,D錯(cuò)。故選D。
知識(shí)點(diǎn)二回旋加速器
回旋加速器是利用電場(chǎng)對(duì)電荷的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來(lái)獲得高能粒子的裝置,由于帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T= 與速率和半徑無(wú)關(guān),所以只要交變電場(chǎng)的變化周期等于粒子運(yùn)動(dòng)的周期,就可以使粒子每次通過(guò)電場(chǎng)時(shí)都能得到加速;粒子通過(guò)D形金屬扁盒時(shí),由于金屬盒的靜電屏蔽作用,盒內(nèi)空間的電場(chǎng)極弱.所以粒子只受洛倫茲力作用而做勻速圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)D盒的半徑為r,則粒子獲得的最大動(dòng)能為: 。
【應(yīng)用2】如圖所示為一回旋加速器的示意圖,已知 D形盒的半徑為R,中心O處放有質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子源,若磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,求:
(1)加在D形盒間的高頻電源的頻率。(2)離子加速后的最大能量;(3)離子在第n次通過(guò)窄縫前后的速度和半徑之比。
導(dǎo)示: (1)加在D形盒間的高頻電源的頻率與正離子做圓周運(yùn)動(dòng)的頻率相等 。
(2)離子加速后的最大能量由D形盒半徑?jīng)Q定,

(3)第n次通過(guò)窄縫后的速度
,同理,
所以
知識(shí)點(diǎn)三質(zhì)譜儀
如圖所示的是一種質(zhì)譜儀的示意圖,其中MN板的左方是帶電粒子速度選擇器,選擇器內(nèi)有正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng),一束有不同速率的正離子水平地由小孔進(jìn)入場(chǎng)區(qū).經(jīng)過(guò)速度選擇器后的相同速率的不同離子在右側(cè)的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),不同比荷的離子 不同.P位置為照相底片記錄 。
【應(yīng)用2】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)生的帶電量為q的某種正離子,離子產(chǎn)生出來(lái)時(shí)速度很小,可以看做是靜止的.離子產(chǎn)生出來(lái)后經(jīng)過(guò)電壓U加速后形成離子束流,然后垂直于磁場(chǎng)方向、進(jìn)人磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),沿著半圓周運(yùn)動(dòng)而達(dá)到記錄它的照相底片P上.實(shí)驗(yàn)測(cè)得:它在P上的位置到入口處a的距離為l,離子束流的電流強(qiáng)度為I.求(1)t秒內(nèi)射到照相底片P上的離子的數(shù)目。(2)單位時(shí)間穿過(guò)入口處S1離子束流的能量。(3)試證明這種離子的質(zhì)量為m=qB2a2/8U
導(dǎo)示: (1)根據(jù)電流求電量: ,
根據(jù)電量求離子數(shù)目:
(2)單位時(shí)間內(nèi)離子能量為:
(3)加速過(guò)程:
由牛頓第二定律得: ,
可求得:m=qB2a2/8U
知識(shí)點(diǎn)三磁流體發(fā)電機(jī)
如圖是磁流體發(fā)電機(jī),其原理是:等離子氣體噴入磁場(chǎng),正、負(fù)離子在洛侖茲力作用下發(fā)生上、下偏轉(zhuǎn)而聚集到A、B板上,產(chǎn)生電勢(shì)差.設(shè)A、B平行金屬板的面積為 S,相距 l,等離子氣體的電阻率為ρ,噴入氣體速度為v,板間磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度為B,板外電阻為R,當(dāng)?shù)入x子氣體勻速通過(guò)AB板間時(shí),A、B板上聚集的電荷最多,板間電勢(shì)差最大,即為電源電動(dòng)勢(shì).電動(dòng)勢(shì) E= 。 R中電流I= 。
【應(yīng)用2】如圖所示為磁流體發(fā)電機(jī)示意圖.其中兩極板間距d=20cm,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=5T,若接入額定功率 P=100 W的燈泡,燈泡正好正常發(fā)光,燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻R=400 Ω.不計(jì)發(fā)電機(jī)內(nèi)阻,求:
(1)等離子體的流速多大?
(2)若等離子體均為一價(jià)離子,則每秒鐘有多少個(gè)什么性質(zhì)的離子打在下極板.
導(dǎo)示: (1)設(shè)板間電壓為U,對(duì)最終射出的等離子: ,燈泡功率:
代入數(shù)據(jù),求得v=200m/s。
(2)打在下極板上是正離子。
離子數(shù)目為: 。
知識(shí)點(diǎn)四電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)原理可解釋為:如圖所示,一圓形導(dǎo)管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動(dòng).導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛侖茲力作用下橫向偏轉(zhuǎn),a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差.當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛侖茲力平衡時(shí),a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定.流量Q= 。
【應(yīng)用2】一種測(cè)量血管中血流速度儀器的原理如圖所示,在動(dòng)脈血管左右兩側(cè)加有勻強(qiáng)磁場(chǎng),上下兩側(cè)安裝電極并連接電壓表,設(shè)血管直徑是2.0mm,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.080 T,電壓表測(cè)出的電壓為 0.10 mV,則血流速度大小為_(kāi)_____m/s.(取兩位有效數(shù)字)
導(dǎo)示: 對(duì)血液中的離子,在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),使血管上下產(chǎn)生電勢(shì)差,平衡時(shí),
所以,
知識(shí)點(diǎn)五霍耳效應(yīng)、磁強(qiáng)計(jì)
如圖所示,厚度為h,寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中,當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體板時(shí),在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面 A’之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差,這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng),實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),電勢(shì)差U、電流I和B的關(guān)系為U=kIB/d.式中的比例系數(shù)k稱(chēng)為霍爾系數(shù).
【應(yīng)用2】(08淮陰中學(xué)月考)如圖所示,一厚為d、寬為b、長(zhǎng)為L(zhǎng)的載流導(dǎo)體薄板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,電流強(qiáng)度為I,薄板中單位體積內(nèi)自由電荷的數(shù)目為n,自由電荷的電量為 -e,如果磁場(chǎng)與薄板前后表面垂直,則板的上下兩表面AA' 間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差,這一現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng),AA′間的電勢(shì)差叫霍爾電勢(shì)差UH(或霍爾電壓),
(1)試判斷上下兩表面的電勢(shì)高低情況;
(2)試說(shuō)明霍爾電勢(shì)差UH與題述中的哪些物理量有關(guān),并推證出關(guān)系式。
導(dǎo)示:(1)A' 面電勢(shì)高。
(2)UH與I、B、n、e、d有關(guān)。
證明:載流子在磁場(chǎng)中定向運(yùn)動(dòng),受洛倫茲力向上,形成從下向上的電場(chǎng),穩(wěn)定時(shí),Bev=eE ,E=Bv ;
由導(dǎo)體中電流的表達(dá)式 I=nevs ,
可得:I=nevbd ;
AA' 兩面電勢(shì)差:UH =Eb=Bvb , 。
1.(08淮陰中學(xué)月考)一回旋加速器,可把α粒子加速到最大速率v,其加速電場(chǎng)的變化頻率為f,在保持磁感強(qiáng)度不變的條件下,若用這一回旋加速器對(duì)質(zhì)子進(jìn)行加速,則加速電場(chǎng)的變化頻率應(yīng)為 ,質(zhì)子能加速到的最大速率為 。
2.(07佛山質(zhì)量檢測(cè))回旋加速器是加速帶電粒子的裝置,其核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)(其頻率為f),使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,如圖6所示,設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,D形金屬盒的半徑為R,狹縫間的距離為d,勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓為U。則下列說(shuō)法中正確的是 ( )
A.增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓,被加速粒子最終獲得的動(dòng)能將增大;
B.增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,被加速粒子最終獲得的動(dòng)能將增大;
C.被加速粒子最終速度大小不超2πfR;
D.增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓,被加速粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)將減少。
3.(07廣東卷)帶電粒子的荷質(zhì)比q/m是一個(gè)重要的物理量。某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),探究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,以求得電子的荷質(zhì)比,實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。
①他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:
A.首先在兩極板M1M2之間不加任何電場(chǎng)、磁場(chǎng),開(kāi)啟陰極射線(xiàn)管電源,發(fā)射的電子從兩極板中央通過(guò),在熒幕的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn);
B.在M1M2兩極板間加合適的電場(chǎng):加極性如圖所示的電壓,并逐步調(diào)節(jié)增大,使熒幕上的亮點(diǎn)逐漸向熒幕下方偏移,直到熒幕上恰好看不見(jiàn)亮點(diǎn)為止,記下此時(shí)外加電壓為U。請(qǐng)問(wèn)本步驟目的是什么?
C.保持步驟B中的電壓U不變,對(duì)M1M2區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)B,使熒幕正中心重現(xiàn)亮點(diǎn),試問(wèn)外加磁場(chǎng)的方向如何?
②根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,同學(xué)們正確推算出電子的荷質(zhì)比與外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他相關(guān)量的關(guān)系為 。一位同學(xué)說(shuō),這表明電子的荷質(zhì)比將由外加電壓決定,外加電壓越大則電子的荷質(zhì)比越大,你認(rèn)為他的說(shuō)法正確嗎?為什么?
參考答案
1.2f,2v
2.B C D
3.①B.使電子剛好落在正極板的近熒光屏端邊緣,利用已知量表達(dá)q/m.
C.垂直電場(chǎng)方向向外(垂直紙面向外)
②說(shuō)法不正確,電子的荷質(zhì)比是電子的固有參數(shù).


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