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,知识梳理深化拓展,栏目索引,知识梳理深化拓展,栏目索引,*,*,知识梳理深化拓展,栏目索引,考点一,*,*,知识梳理深化拓展,栏目索引,*,*,知识梳理深化拓展,栏目索引,知识梳理,知识梳理深化拓展,栏目索引,深化拓展,知识梳理深化拓展,栏目索引,*,*,第,4,讲带电粒子在复合场中运动实际应用,1/34,知识梳理,一、速度选择器,在如图所表示平行板器件中,电场强度,E,与磁感应强度,B,相互垂直,含有,不一样水平速度带电粒子射入平行板器件后发生偏转情况不一样,从,左,侧射入,能把初速度大小,v,=,粒子选择出来。这个速度,与粒子,电性,、,电荷量,、,质量,均无关。,2/34,二、质谱仪,质量为,m,、电荷量为,q,粒子,从容器下方小孔,S,1,飘入电势差为,U,加,速电场,其初速度几乎为零,从,S,2,射出电场时速度,v,=,然后,3/34,经过,S,3,沿着与磁场垂直方向进入磁感应强度为,B,匀强磁场中,最终,打到摄影底片,D,上某点,则,S,3,与该点距离,d,=,跟带电粒,子,比荷平方根,成反比。,4/34,盘旋加速器是利用,电场,对电荷加速作用和,磁场,对运动,电荷偏转作用来取得高能粒子装置。因为带电粒子在匀强磁场中,做匀速圆周运动周期,T,=,与速率无关,所以只要交变电场,改变周期等于,粒子运动周期,就能够使粒子每次经过电场时,都能得到加速。粒子经过D形金属盒时,因为金属盒静电屏蔽作用,盒,内空间电场极弱,所以粒子只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动,设D,形盒半径为,r,则粒子取得最大动能为,。,三、盘旋加速器,5/34,四、磁流体发电机,(1)磁流体发电是一项新兴技术,它能够把,内,能直接转化为,电能,。,(2)依据左手定则,如图所表示中,B,是发电机,正极,。,6/34,(3)磁流体发电机两极板间距离为,d,等离子体速度为,v,磁感应强度,为,B,则两极板间能到达最大电势差,U,=,Bdv,。,7/34,工作原理:如图所表示,圆形导管直径为,d,用非磁性材料制成,导电液体在,管中向左流动,导电液体中自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用,下偏转,a,、,b,间出现电势差,形成电场,当自由电荷所受,电场力,和,洛伦兹力,平衡时,a,、,b,间电势差就保持稳定,即:,qvB,=,qE,=,q,所以,v,=,所以液体流量,Q,=,Sv,=,=,。,五、电磁流量计,8/34,工作原理:如图所表示,厚度为,h,、宽度为,d,导体板放在垂直于它磁感,应强度为,B,匀强磁场中,当电流经过导体板时,在导体板上侧面,A,和,下侧面,A,之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。试验表明,当磁,场不太强时,电势差,U,、电流,I,和,B,关系为,U,=,k,式中百分比系数,k,称,为霍尔系数。,六、霍尔效应,9/34,1.(多项选择)如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速,后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交匀强磁场磁感应强度,和匀强电场电场强度分别为,B,和,E,。平板,S,上有可让粒子经过狭缝,P,和统计粒子位置胶片,A,1,A,2,。平板,S,下方有磁感应强度为,B,0,匀强磁,场。以下表述正确是,(),A.质谱仪是分析同位素主要工具,B.速度选择器中磁场方向垂直纸面向外,C.能经过狭缝,P,带电粒子速率等于,E,/,B,D.粒子打在胶片上位置越靠近狭缝,P,粒子比荷越小,ABC,10/34,答案,ABC质谱仪是分析同位素主要工具,A正确。在速度选择器,中,带电粒子沿直线运动时,所受电场力和洛伦兹力等大反向,结合左手,定则可知B正确。由,qE,=,qvB,有,v,=,C正确。在匀强磁场,B,0,中,R,=,所,以,=,D错误。,11/34,2.盘旋加速器是加速带电粒子装置。其关键部分是分别与高频交流,电源两极相连接两个D形金属盒,两盒间狭缝中形成周期性改变,电场,使粒子在经过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于方向垂直,于盒底匀强磁场中,如图所表示,要增大带电粒子射出时动能,则以下,说法中正确是,(),A.减小磁场磁感应强度,B.增大匀强电场间加速电压,C.增大D形金属盒半径,D.减小狭缝间距离,C,12/34,答案,C由,Bqv,=,得,v,=,则粒子动能,E,k,=,mv,2,=,则能够,经过增大D形金属盒半径或增加磁场磁感应强度来实现增大带电,粒子射出时动能目标,故C正确。,13/34,3.如图所表示,在两个水平放置平行金属板之间,电场和磁场方向相互,垂直。一束带电粒子(不计重力)沿着直线穿过两板间空间而不发生,偏转。则这些粒子一定含有相同,(),A.质量,m,B.电荷量,q,C.运动速度,v,D.比荷,C,答案,C因粒子运动过程中所受电场力与洛伦兹力与速度方向垂直,则粒子能沿直线运动时必是匀速直线运动,电场力与洛伦兹力相平衡,即,qE,=,Bqv,可得,v,是一定值,则C正确。,14/34,4.(多项选择)如图所表示方法可测得金属导体中单位体积内自由电子数,n,现测得一块横截面为矩形金属导体宽为,b,厚为,d,并加有与侧面垂,直匀强磁场,B,当通以图示方向电流,I,时,在导体上、下表面间用电压,表可测得电压为,U,。已知自由电子电荷量为,e,则以下判断正确是,(),BD,A.上表面电势高,B.下表面电势高,C.该导体单位体积内自由电子数为,D.该导体单位体积内自由电子数为,15/34,答案,BD画出平面图如图所表示,由左手定则,自由电子向上表面偏转,故下表面电势高,故B正确,A错误。由,e,=,evB,I,=,neSv,=,ne,bd,v,得,n,=,故D正确,C错误。,16/34,深化拓展,考点一,应用“,qE,=,qvB,”关系相关技术,考点二,利用电场加速和磁场盘旋相关技术,17/34,深化拓展,考点一应用“,qE,=,qvB,”关系相关技术,装置,原理图,规律公式,速度选择器,若,qv,0,B,=,Eq,即,v,0,=,粒子做匀速直线运动,磁流体发电机,等离子体射入,受洛伦兹力偏转,使两极板带,正、负电,两极板间电压为,U,时稳定,有,q,=,qv,0,B,U,=,v,0,Bd,电磁流量计,当,q,=,qvB,时,有,v,=,则,Q,=,vS,=,(,),2,=,霍尔效应,因为,Bqv,=,Eq,电流,I,=,nqSv,S,=,hd,得,B,=,=,=,18/34,1-1如图是磁流体发电机工作原理示意图。发电通道是个长方体,其,中空部分长、高、宽分别为,l,、,a,、,b,前后两个侧面是绝缘体,上下两,个侧面是电阻可忽略导体电极,这两个电极与负载电阻,R,相连。发电,通道处于匀强磁场里,磁感应强度为,B,方向如图。发电通道内有电阻率,为,高温等离子电离气体沿导管高速向右流动,运动电离气体受到,磁场作用,产生了电动势。发电通道两端必须保持一定压强差,使得电,离气体以不变流速,v,经过发电通道。不计电离气体所受摩擦阻,力。依据提供信息完成以下问题:,(1)判断发电机导体电极正负极,求发电机电动势,E,;,19/34,(2)发电通道两端压强差,p,;,(3)若负载电阻,R,阻值能够改变,当,R,减小时,电路中电流会增大;但当,R,减小到,R,0,时,电流到达最大值(饱和值),I,m,;当,R,继续减小时,电流就不再增,大,而保持不变。设改变过程中,发电通道内电离气体电阻率保持不,变。求,R,0,和,I,m,。,答案,(1)上导体电极为正极,下导体电极为负极,Bav,(2),(3),-,nqabv,20/34,解析,(1)由左手定则可知,发电机上导体电极为正极、下导体电极为,负极,发电机电动势,E,=,Bav,(2)外电路闭合后:,I,=,=,发电通道内电离气体等效电阻为,r,=,等离子电离气体等效电流受到安培力为,F,=,BIa,等离子电离气体水平方向由平衡条件得,ab,p,-,BIa,=0,21/34,联立解得,p,=,=,(3)当全部进入发电机等离子全都偏转到导体电极上形成电流时,电,流到达最大值,I,m,I,m,=,=,=,nqabv,联立解得,R,0,=,-,22/34,1-2利用霍尔效应制作霍尔元件以及传感器,广泛应用于测量和自,动控制等领域。,如图1,将一金属或半导体薄片垂直置于磁场,B,中,在薄片两个侧面,a,、,b,间通以电流,I,时,另外两侧,c,、,f,间产生电势差,这一现象称为霍尔效,应。其原因是薄片中移动电荷受洛伦兹力作用向一侧偏转和积累,于是,c,、,f,间建立起电场,E,H,同时产生霍尔电势差,U,H,。当电荷所受电,场力与洛伦兹力处处相等时,E,H,和,U,H,到达稳定值,U,H,大小与,I,和,B,以及,霍尔元件厚度,d,之间满足关系式,U,H,=,R,H,其中百分比系数,R,H,称为霍尔系,数,仅与材料性质相关。,23/34,(1)设半导体薄片宽度(,c,、,f,间距)为,l,请写出,U,H,和,E,H,关系式;若半导,体材料是经过电子导电,请判断图1中,c,、,f,哪端电势高;,(2)已知半导体薄片内单位体积中导电电子数为,n,电子电荷量为,e,请导出霍尔系数,R,H,表示式。(经过横截面积,S,电流,I,=,nevS,其中,v,是导,电电子定向移动平均速率);,(3)图2是霍尔测速仪示意图,将非磁性圆盘固定在转轴上,圆盘周围,等距离地嵌装着,m,个永磁体,相邻永磁体极性相反。霍尔元件置于被,24/34,答案,看法析,解析,(1),U,H,=,E,H,l,;,c,端电势高,(2)由,U,H,=,R,H,得,R,H,=,U,H,=,E,H,l,测圆盘边缘附近。当圆盘匀速转动时,霍尔元件输出电压脉冲信号图像如图,3,所表示。,a.,若在时间,t,内,霍尔元件输出脉冲数目为,P,请导出圆盘转速,N,表示式。,b.,利用霍尔测速仪能够测量汽车行驶里程。除此之外,请你展开“智慧翅膀”,提出另一个实例或构想。,25/34,当电场力与洛伦兹力相等时,eE,H,=,evB,得,E,H,=,vB,又,I,=,nevS,将、代入,得,R,H,=,vBl,=,vl,=,=,(3)a.因为在时间,t,内,霍尔元件输出脉冲数目为,P,则,P,=,mNt,圆盘转速为,N,=,b.提出实例或构想合理即可,26/34,考点二利用电场加速和磁场盘旋相关技术,盘旋加速器是利用带电粒子在电场中加速和带电粒子在磁场中做,匀速圆周运动特点使带电粒子在磁场中改变运动方向,再利用加速电,场对带电粒子做正功使带电粒子动能增加。,质谱仪是利用电场加速和磁场盘旋,实现带电粒子分离和搜集器,材。,27/34,2-1(,北京西城一模,22),质谱仪是一个精密仪器,是测量带电粒子,质量和分析同位素主要工具。图中所表示质谱仪由加速电场和偏,转磁场组成。带电粒子从容器,A,下方小孔,S,1,飘入电势差为,U,加速电,场,其初速度几乎为,0,然后经过,S,3,沿着与磁场垂直方向进入磁感应强,度为,B,匀强磁场中,最终打到摄影底片,D,上。不计粒子重力。,(1)若由容器,A,进入电场是质量为,m,、电荷量为,q,粒子,求:,a.粒子进入磁场时速度大小,v,;,b.粒子在磁场中运动轨道半径,R,。,(2)若由容器,A,进入电场是互为同位素两种原子核,P,1,、,P,2,由底片上,获知,P,1,、,P,2,在磁场中运动轨迹直径之比是,1。求,P,1,、,P,2,质量之,比,m,1,m,2,。,28/34,答案,(1)a.,b.,(2)21,解析,(1)a.带电粒子进入电场做匀加速直线运动,由动能定理有,qU,=,mv,2,29/34,解得:,v,=,。,b.粒子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力,qvB,=,m,解得:,R,=,。,(2)原子核,P,1,、,P,2,互为同位素,所以电荷量相同,由,R,=,可知,=,由题目条件可知,R,1,R,2,=,1,解得:,m,1,m,2,=21。,30/34,2-21932年,劳伦斯和利文斯顿设计出了盘旋加速器。盘旋加速器,工作原理如图所表示,置于高真空中D形金属盒半径为,R,两盒间狭缝,很小,带电粒子穿过时间能够忽略不计,磁感应强度为,B,匀强磁场与,盒面垂直,A,处粒子源产生粒子,质量为,m,、电荷量为+,q,在加速器中被,加速,加速电压为,U,。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。,(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比;,(2)求粒子从静止开始加速到出口处所需时间,t,;,(3)实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值限制。若某,一加速器磁感应强度和加速电场频率最大值分别为,B,m,、,f,m,试讨论粒,子能取得最大动能,E,km,。,31/34,答案,(1),1(2),(3)看法析,32/34,解析,(1)设粒子第1次经过狭缝后半径为,r,1,速度为,v,1,qU,=,m,qv,1,B,=,m,解得,r,1,=,同理,粒子第2次经过狭缝后半径,r,2,=,则,r,2,r,1,=,1,(2)设粒子到出口处被加速了,n,圈,2,nqU,=,mv,2,qvB,=,m,T,=,t,=,nT,33/34,解得,t,=,(3)加速电场频率应等于粒子在磁场中做圆周运动频率,即,f,=,当磁感应强度为,B,m,时,加速电场频率应为,f,B,m,=,粒子动能,E,k,=,mv,2,当,f,B,m,f,m,时,粒子最大动能由,B,m,决定,qv,m,B,m,=,m,解得,E,km,=,当,f,B,m,f,m,时,粒子最大动能由,f,m,决定,v,m,=2,f,m,R,解得,E,km,=2,2,m,R,2,34/34,
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