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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）質譜儀的應用：可以測定帶電粒子的質量和分析________． 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R的電流強度為I＝ D．流經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，則粒子的質量與電量之比一定越大 D．x越大，則粒子的質量與電量之比一定越小 6.隨著社會生產的發(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.今有一質量為m、電荷量為e的正電子(不計重力)，由靜止經加速后，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。一質量為m,帶電量為q的粒子每次經過間隙時都被加速，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