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2019-2020年高三物理一輪復習 帶電粒子在勻強磁場中的運動（4）-洛倫茲力與現(xiàn)代科技導學案 【學習目標】 掌握各個儀器的構造及工作原理。 【課中學習】 1．速度選擇器 (1)平行板間電場強度E和磁感應強度B互相 .這種裝置能把具有一定 的粒子選擇出來,所以叫做速度選擇器． (2)粒子能夠通過選擇器的條件是qE＝qvB，即v＝. (3)速度選擇器只選擇速度(大小、方向)，而不選擇粒子的質(zhì)量和電荷量． (4)若射入的是正電荷，當v′＞v＝E/B時，則qv′B＞qE，粒子向 偏轉； 當v′＜v＝E/B時，qv′B＜qE，粒子向 偏轉． 2.磁流體發(fā)電機 (1)磁流體發(fā)電是一項新興技術，它可以把 能直接轉化為 能． (2)根據(jù)左手定則，如圖中的B板是發(fā)電機 ． (3)磁流體發(fā)電機兩極板間的距離為d，等離子體速度為v，磁場磁感應強度為B，則兩極板間能達到的最大電勢差U＝___ _.電源電阻r = ρd/S，外電阻R中的電流可由閉合電路歐姆定律求出，即I = E/(R + r) = BdvS/(RS +ρd)． 3．電磁流量計 (1)如圖所示，一圓形導管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導電的液體流過導管． (2)原理：如圖所示，圓形導管直徑為d，用非磁性材料制成，導電液體在管中向左流動，導電液體中的自由電荷（正、負離子），在洛倫茲力的作用下橫向偏轉，a、b間出現(xiàn)電勢差，形成電場，當自由電荷所受的電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定，即： qvB = qE = qU/D，所以v = ，因此液體流量所以Q = vS = 。 4.質(zhì)譜儀 （1）構造：如圖所示，由粒子源、加速電場、偏轉磁場和照相底片等組成． （2）原理圖：如圖所示． （3）加速：帶電粒子進入質(zhì)譜儀的加速電場，由動能定理得：________＝mv2 （4）偏轉：帶電粒子進入偏轉磁場做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力：___ ＝ （5）由上述兩式可以求出粒子的________、________、________等，其中由r＝可知電荷量相同時，半徑將隨________變化． （6）質(zhì)譜儀的應用：可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析________． 5.回旋加速器 (1)構造：如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接 電源．D形盒處于勻強磁場中． (2)工作原理： ①電場加速qU＝ . ②磁場約束偏轉qvB＝m，r＝. ③加速條件：高頻電源的周期與帶電粒子在D形盒中運動的周期 ，即T電場＝T回旋＝. (3)決定其最終能量的因素： 由qvB＝，得Ekm＝，可見粒子獲得的最大動能由 和D形盒半徑R決定，與加速電壓____. 6.霍爾效應 （1）霍爾效應：在勻強磁場中放置一矩形截面的載流導體，當磁場方向和電流方向垂直時，導體在磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。 （2）如圖所示，截面為矩形的金屬導體，在x方向通以電流Ｉ，在y方向加磁場Ｂ，導體中自由電子的運動方向與電流方向____________。由可以判斷，運動的電子在洛倫茲力作用下向_____________表面聚集，在導體的另一側表面就會出現(xiàn)多余的正電荷，形成下表面電勢_______，上表面電勢________的電勢差，導體內(nèi)部出現(xiàn)電場，電場方向由______表面指向_______表面，以后運的電子將同時受方向相反的洛倫茲力和電場力作用，隨著表面電荷聚集，電場強度增加，電場力也增加，____________________時出現(xiàn)穩(wěn)定的電勢差。若測得電勢差為U，由________________,可得B=__________ （3）若導體中的電流由自由正電荷定向移動形成，則在磁場作用下會形成下表面電勢_______，上表面電勢________的電勢差 （4）應用：測磁感應強度。 【課后作業(yè)】 1.如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器．速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場的磁感應強度和勻強電場的場強分別為B和E.平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板S下方有磁感應強度為B0的勻強磁場．下列表述正確的是(　 　) A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B．速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外 C．能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于 D．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越小 2.如圖所示，兩平行、正對金屬板水平放置，使上面金屬板帶上一定量正電荷，下面金屬板帶上等量的負電荷，再在它們之間加上垂直紙面向里的勻強磁場，一個帶電粒子以初速度v0沿垂直于電場和磁場的方向從兩金屬板左端中央射入后向上偏轉。若帶電粒子所受重力可忽略不計，仍按上述方式將帶電粒子射入兩板間，為使其向下偏轉，下列措施中可能可行的是(　 　) A．僅增大帶電粒子射入時的速度 B．僅增大兩金屬板所帶的電荷量 C．僅減小粒子所帶電荷量 D．僅改變粒子的電性 3.磁流體發(fā)電機可以把氣體的內(nèi)能直接轉化為電能，是一種低碳環(huán)保發(fā)電機，有著廣泛的發(fā)展前景．其發(fā)電原理示意圖如圖所示，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負電的微粒，整體上呈電中性)噴射入磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場區(qū)域有兩塊面積為S，相距為d的平行金屬板與外電阻R相連構成一電路，設氣流的速度為v，氣體的電導率(電阻率的倒數(shù))為g.則(　　) A．兩板間的電勢差為U＝Bdv B．上板是電源的正極，下板是電源的負極 C．流經(jīng)R的電流強度為I＝ D．流經(jīng)R的電流強度為I＝ 4.回旋加速器是加速帶電粒子的裝置．其主體部分是兩個D形金屬盒，兩金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，并分別與高頻交流電源有兩極相連接，從而使粒子每次經(jīng)過兩盒間的狹縫時都得到加速，如圖所示．現(xiàn)要增大帶電粒子從回旋加速器射出時的動能，下列方法可行的是(　　) A．增大金屬盒的半徑 B．減小狹縫間的距離 C．增大高頻交流電壓 D．減小磁場的磁感應強度 5.質(zhì)譜議的構造原理如圖所示．從粒子源S出來時的粒子速度很小，可以看作初速為零，粒子經(jīng)過電場加速后進入有界的垂直紙面向里的勻強磁場區(qū)域，并沿著半圓周運動而達到照相底片上的P點，測得P點到入口的距離為x，則以下說法正確的是（ ） A．粒子一定帶正電 B．粒子一定帶負電 C．x越大，則粒子的質(zhì)量與電量之比一定越大 D．x越大，則粒子的質(zhì)量與電量之比一定越小 6.隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，大型化工廠已越來越多，環(huán)境污染也越來越嚴重．為減少環(huán)境污染，技術人員在排污管末端安裝了如圖8－3－16所示的流量計．該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口．在垂直于上下底面方向加磁感應強度為B的勻強磁場，在前后兩個內(nèi)側面分別固定有金屬板作為電極．污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U.若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)排出的污水體積)，下列說法中正確的是(　　) A．若污水中正離子較多，則前表面比后表面電勢高 B．若污水中負離子較多，則前表面比后表面電勢高 C．污水中離子濃度越高，電壓表的示數(shù)將越大 D．所測的污水流量Q與U成正比 7．利用霍爾效應制作的霍爾元件，廣泛應用于測量和自動控制等領域。如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應強度B垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流I，C、D兩側面會形成電勢差UCD，下列說法中正確的是(　 　) A．電勢差UCD僅與材料有關 B．若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢差UCD<0 C．僅增大磁感應強度時，電勢差UCD變大 D．在測定地球赤道上方的地磁場強弱時，元件的工作面應保持水平 8質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應強度為B1，板間距離為d；c為偏轉分離器，磁感應強度為B2.今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的正電子(不計重力)，由靜止經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器．粒子進入分離器后做勻速圓周運動．求： (1)粒子的速度v為多少？ (2)速度選擇器的電壓U2為多少？ (3)粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？ 9. 如圖所示，回旋加速器D形盒的最大半徑為R，勻強磁場垂直穿過D形盒面，兩D形盒的間距為d。一質(zhì)量為m,帶電量為q的粒子每次經(jīng)過間隙時都被加速，加速電壓大小為U。粒子從靜止開始多次加速，當速度達到v時粒子從D形盒的邊緣引出。求： B ~ (1)磁感應強度B的大小 (2)帶電粒子在磁場中運動的圈數(shù) (3)粒子在磁場和電場中運動的總時間