高中物理------8個(gè)電磁場(chǎng)儀器

1、.有關(guān)電磁場(chǎng)的儀器一、速度選擇器 如圖所示平行板器件中，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直。 具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來(lái)，所以叫做速度選擇器,這是質(zhì)譜儀的重要組成部分。速度選擇器原理：1.粒子受力特點(diǎn)：同時(shí)受方向相反的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力作用。 2.粒子勻速通過(guò)速度選擇器的條件：電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡：qE=qvB，v=E/B速度大小只有滿足v=E/B的粒子才能沿直線勻速通過(guò)。 注意： 1.速度選擇器對(duì)正、負(fù)電荷均適用。 2.速度選擇器中的E、B的方向具有確定的關(guān)系，僅改變其中一個(gè)方向，就不能對(duì)速度做出選擇。 3.速度選擇器只能單向選擇

2、，如上圖中粒子從右側(cè)進(jìn)入會(huì)受到相同方向的電場(chǎng)力和洛倫玆力而打到板上【例1】如圖所示，一個(gè)電子經(jīng)加速電壓U1后得到一定的速度，然后進(jìn)入正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電子沿直線經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)極板后從右邊S板中央孔穿出，已知磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，上下極板間距為d（電子質(zhì)量為m，帶電量為-e）. 問(wèn)：（1）水平極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度為多少？+-（2）若電場(chǎng)強(qiáng)度不變，調(diào)節(jié)B的大小，使得電子恰好從水平極板的下邊緣射出打在S板上，問(wèn)打在板上前的速度是大?。慷?、質(zhì)譜儀 質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子荷質(zhì)比的工具。質(zhì)譜儀的作用，就是把同一種元素的各種同位素都區(qū)分開(kāi)來(lái)（各同位素按質(zhì)量大小排列，形成一個(gè)譜）。原理：帶電粒子垂直入射到磁場(chǎng)中，做圓周運(yùn)動(dòng)的

3、圓周半徑與質(zhì)量有關(guān)（r=mv/qB），根據(jù)半徑與質(zhì)量的關(guān)系就可以區(qū)別各個(gè)同位素?！纠?】（2001年高考理綜卷）如圖是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量的儀器工作原理示意圖。設(shè)法使某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖中所示的容器A中，使它受到電子束轟擊，失去一個(gè)電子變成正一價(jià)的離子。離子從狹縫S1以很小的速度進(jìn)入電壓為U的加速電場(chǎng)區(qū)（初速不計(jì)），加速后，再通過(guò)狹縫S2、S3射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直于磁場(chǎng)區(qū)的界面PQ。最后，離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫S3的細(xì)線。若測(cè)得細(xì)線到狹縫S3的距離為d，導(dǎo)出離子的質(zhì)量m的表達(dá)式?！咀兪?】如圖為質(zhì)譜儀原理示意圖，電荷量為q、質(zhì)量為m的帶正電的粒子從

4、靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)后進(jìn)入粒子速度選擇器。選擇器中存在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E、方向水平向右。已知帶電粒子能夠沿直線穿過(guò)速度選擇器，從G點(diǎn)垂直MN進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是一個(gè)以直線MN為邊界、方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后，最終到達(dá)照相底片的H點(diǎn)?？蓽y(cè)量出G、H間的距離為l。帶電粒子的重力可忽略不計(jì)。求：加速電場(chǎng)速度選擇器偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)UGHMN+-+高頻電源d（1）粒子從加速電場(chǎng)射出時(shí)速度v的大小。（2）粒子速度選擇器中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的大小和方向。（3）偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小。三、回旋加速器1它是利用磁場(chǎng)使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)

5、，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速的裝置。2它的核心結(jié)構(gòu)是兩個(gè)D型的金屬盒接在電極上。D型盒中間有一條小縫，中心附近有一個(gè)粒子源.整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵的兩極之間。3帶電粒子經(jīng)兩D型盒之間的電場(chǎng)加速后，垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入某一D型盒內(nèi)，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。4帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次，每次增加的動(dòng)能為Ek=qu，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速兩次。5對(duì)于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的。 【例3】下圖為回旋加速器工作示意圖，其中置于真空中的金屬D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，在左側(cè)D形盒圓心處放有粒子源S，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向如圖所示。粒子質(zhì)量為m

6、，電荷量為q。設(shè)帶電粒子從粒子源S進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)的初速度不計(jì)。假設(shè)加在兩個(gè)金屬D形盒上的高頻交流電壓大小為U.Sd導(dǎo)向板B（1）粒子加速后能獲得最大的動(dòng)能Ek為多大？（2）交變電流的周期T為多大？（3）求粒子在電場(chǎng)中加速次數(shù)n（4）求粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間t1（略去了在加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間）。（5）如果不能略去加速時(shí)間，那總時(shí)間又為t2多少?【變式2】如圖所示，PQ是勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的一片薄金屬片，其平面與磁場(chǎng)方向平行，一個(gè)粒子從某點(diǎn)以與PQ垂直的速度v射出，動(dòng)能為Ek，射出后粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。已知它在金屬片兩邊的軌跡半徑之比為10:9，若穿越板的過(guò)程中粒子受到的阻力大小及電荷量恒定，則（

7、 ）A. 粒子每穿過(guò)一次金屬片，速度減小了 B. 粒子每穿過(guò)一次金屬片，動(dòng)能減小了0.19EkC. 粒子穿過(guò)5次后陷在金屬片里D. 粒子穿過(guò)9次后陷在金屬片里四、磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子發(fā)電機(jī)，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用導(dǎo)電流體，例如空氣或液體，與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電的一種設(shè)備。原理：將等離子體以超音速的速度噴射到一個(gè)加有強(qiáng)磁場(chǎng)的管道里面，等離子體中帶有正、負(fù)電荷的高速粒子，在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極偏移，于是在兩極之間產(chǎn)生電壓，用導(dǎo)線將電壓接入電路中就可以使用了?！纠?】磁流體發(fā)電機(jī)的A、B兩極板相距d=0.2m，極板間有永磁體產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)如圖，B=1.0T，外電路中可變負(fù)載

8、R用導(dǎo)線與極板相連.電離氣體以速率v=1100m/s沿極板射入，極板間電離氣體等效內(nèi)阻r=0.1，求：（1）哪塊板電勢(shì)高？求發(fā)電機(jī)兩極板間的電動(dòng)勢(shì)E（2）求此發(fā)電機(jī)的最大輸出功率Pm答案：220V ，121kw五、電磁流量計(jì)液體aMNb【例5】如圖為電磁流量計(jì)的示意圖，截面為矩形的非磁性導(dǎo)電管，邊長(zhǎng)分別為a、b，內(nèi)有導(dǎo)電液流動(dòng)，在垂直液體流動(dòng)方向加如圖的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。現(xiàn)測(cè)得上下管壁MN間的電勢(shì)差為U，求管內(nèi)導(dǎo)電液體的流量Q?！咀兪?】為了測(cè)量某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計(jì)，該裝置由絕緣材料制成，長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開(kāi)口，在垂直

9、于上下底面方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在前后兩個(gè)內(nèi)側(cè)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(shí)，電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U若用Q表示污水流量（單位時(shí)間內(nèi)排出的污水體積），下列說(shuō)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(shì)高B前表面的電勢(shì)一定低于后表面的電勢(shì)，與哪種離子多無(wú)關(guān)C污水中離子濃度越高，電壓表的示數(shù)將越大D污水流量Q與U成正比，與a、b無(wú)關(guān)【變式4】（01全國(guó)理綜）電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管內(nèi)橫截面的流體的體積)為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如圖所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中

10、的a、b、c流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道相連接(圖中虛線)圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測(cè)得的電流值已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為（ ）A BC D六、霍爾效應(yīng)【例6】（2000年高考理綜卷）如圖所示，厚度為h、寬為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)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

11、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)。霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng)的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場(chǎng)，橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。設(shè)電流I是由電子定向流動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e，回答下列問(wèn)題：（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面的電勢(shì) 下側(cè)面的電勢(shì)（填高于、低于或等于）。（2）電子所受的洛倫茲力的大小為 。 （3）當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間的電勢(shì)差為U時(shí)，電子所受的靜電力的大小為 （4）由靜電力和洛倫茲力平衡的條件，

12、證明霍爾系數(shù)K=1/ne，其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個(gè)數(shù)。七、電磁泵血液【例7】作用在導(dǎo)電液體上的安培力能起到推動(dòng)液體流動(dòng)的作用，這樣的裝置稱(chēng)為電磁泵，它在醫(yī)學(xué)技術(shù)上有多種應(yīng)用，血液含有離子，在人工心肺機(jī)里的電磁泵就可作為輸送血液的動(dòng)力。某電磁泵及尺寸如圖所示，矩形截面的水平管道上下表面是導(dǎo)體，它與磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直，并有長(zhǎng)為l的部分在磁場(chǎng)中，當(dāng)管內(nèi)充滿血液并通以橫穿管子的電流時(shí)血液便能向前流動(dòng)。為使血液在管內(nèi)不流動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生向前壓強(qiáng)P，電流強(qiáng)度應(yīng)調(diào)節(jié)為 。由于血液的特殊性，在電流方向上單位截面承受的電流強(qiáng)度不能超過(guò)I0，若其他條件不變，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的寬度l至少為 。答案：由得，八 ，磁電式電表特點(diǎn)：兩磁極間裝有極靴，極靴中間的鐵質(zhì)圓柱，使極靴與圓柱間的磁場(chǎng)都沿 方向，保持線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安培力的大小不受磁場(chǎng)影響，電流所受安培力的方向總與線圈平面垂直.使線圈平面都與磁場(chǎng)方向 ，使表盤(pán)刻度 ，如圖5所示.4.優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測(cè)出 的電流.缺點(diǎn)：