霍爾效應在高考試題中的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上霍爾效應在高考試題中的應用南海區(qū)黃岐高級中學 張 葆摘 要：高考內容改革的方向總體上注重能力和素質的考查，命題的原則遵循教學大綱，但是不拘泥于大綱，特別是加大應用性和能力的考查?；魻栃緛硎谴髮W物理的內容，但它依然可以用高中所學的物理知識來解釋，由于它與現代科技應用聯系緊密，是考查學生能力的很好的材料，命題者把它融入到現代科技的實際應用中可作為信息遷移題來考查學生的能力，所以在物理高考備考復習中應該引起注意。關鍵詞：霍爾效應 霍爾元件 磁流體發(fā)電機 電磁流量計 磁強計霍爾效應：置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場方向垂直，則垂直于電流和磁場方向會產生一個附加的橫向

2、電場，這個現象是霍普金斯大學研究生霍爾于1879年發(fā)現的，后被稱為霍爾效應?；魻栃獜谋举|上講是運動的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用而引起的偏轉，所以可以用高中物理中的電磁學、力學、運動學等有關知識來進行解釋。霍爾效應原理的應用常見的有：霍爾元件、磁流體發(fā)電機、電磁流量計、磁強計等。 B d h I 圖-1A A考題一（全國高考題）：如圖-1所示，厚度為h、寬度為d的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B 的均勻磁場中，當電流通過導體板時，在導體的上側面A和下側面A之間會產生電勢差，這種現象稱為霍爾效應，實驗表明：當磁場不太強時，電勢差U，電流I和B的關系為：,式中的比例系數K稱為霍爾系數?；魻?/p>

3、效應可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導體板的一側，在導體板的另一側會出現多余的正電荷，從而形成橫向電場，橫向電場對電子施加與方向相反的靜電力，當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體板上下兩側之間就會形成穩(wěn)定的電勢差。設電流I是由電子的定向流動形成的，電子的平均定向速度為v,電荷量為e，回答下列問題：（1）達到穩(wěn)定狀態(tài)時，導體板上的側面A的電勢 下側面A的電勢（填高于、低于或等于）.（2）電子所受洛倫茲力的大小為 .（3）當導體板上、下兩側面之間的地勢差為U時，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，證明霍爾系數為（其中n代表導體板單位體積中電子的個數）。答案

4、（1）低于（2）電子所受洛倫茲力的大小f =evB (3) 電子所受靜電力的大小F = (4)略這是一道信息遷移題，此題出于命題者別具匠心的取材，全題所提供的材料可以說是完全參考于大學物理內容，對中學生來說，霍爾效應是一個陌生的規(guī)律，要求考生必須通過仔細讀題，對霍爾效應的原理深入分析，透徹理解，熟練結合高中物理所學的知識才能正確求解。這充分體現了高考“依據中學教學大綱，但又不拘泥于大綱”的命題原則，不是中學教材上敘述什么，高考試題才考什么，特別是命題者在超出中學教材內容部分，均作了較為詳細的闡述，因此學生絕不會因為沒有自學過大學物理教材，因不懂得超出中學物理內容的知識而失分，所以對每位考生來說

5、是公平的。 B a d I b c 圖-2I考題二（北京東城區(qū)試題）：一種半導體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”。這種材料有可定向移動的電荷，稱為“載流子”，每個載流子的電量大小為1元電荷，即q =1.6×10-19C. 霍爾元件在自動檢測、控制領域得到廣泛應用，如錄象機中用來測量錄象磁鼓的轉速、電梯中用來檢測電梯門是否關閉以控制升降電動機的電源通斷等。在一次實驗中，一塊霍爾材料制成的薄片寬ab=1.0×10-2m、長bc=4.0×10-2m、厚h=1.0×10-3m，水平放置在豎直向上的磁感應強度B=1.5T的勻強磁場中，bc方向通

6、有I=3.0A的電流，如圖-2所示，沿寬度產生1.0×10-5V的橫向電壓。（1）假定載流子是電子，a、b兩端中哪端電勢較高？（2）薄板中形成電流I的載流子定向運動的速率多大？答案（1）b端電勢較高（2）載流子定向運動速率v =6.7×10-4m/s。S N R A B 等離子束 圖-3磁流體發(fā)電機所依據的基本原理就是霍爾效應。如圖-3所示，等離子氣體噴入磁場，正、負離子在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉而聚集到A、B板上，產生電勢差。設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，噴入氣體速度為v，板間磁場的磁感應強度為B，板外電阻為R，當等離子氣體勻速通過A、B板間時

7、，A、B板上聚集的電荷最多，板間電勢差最大，即為電源電動勢。此時離子受力平衡：Eq=qvB，E=Bv，=EL=BLv。電源內阻。 S××××××B×××××× R導電流體 圖-4考題三（江西省試題）：圖-4為磁流體發(fā)電機的示意圖。設兩金屬板間的距離為d，兩極板間勻強磁場的磁感應強度為B。等離子體垂直進入磁場的速度為v,單個離子所帶的電量為q。離子通道（即兩極板內所圍成空間）的等效電阻為r，負載電阻為R。求（1）該發(fā)電機的電動勢；（2）發(fā)電機的總功率。答案（1）電動勢E=Bdv

8、 (2)總功率××××a××××Bd ××××××××× v××××b×××× 圖-5電磁流量計根據霍爾效應其原理可解釋為：如圖-5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向左流動。導電液體中的自由電荷（正負離子）在洛倫茲力作用下橫向偏轉，a、b間出現電勢差。當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定。

9、由qvB=Eq=，可得v=，流量Q=sv=考題四（湖北省高考題）：電磁流量計廣泛應用于測量可導電流體（如污水）在管中的流量（單位時間內通過管內橫截面的流體的體積）。為了簡化，假設流量計是如圖-6所示的橫截面為長方形的一段管道，其中空部分的長、寬、 高分別為圖中的a、b、c。流量計的兩端與輸送流體的管道連接（圖中虛 bc a 圖-6線）。圖中流量計的上下兩面是金屬材料，前后兩側面是絕緣材料。現于流量計所在處加磁感應強度為B的勻強磁場，磁場方向垂直于前后兩面。當導電流體穩(wěn)定地流經流量計時，在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值。已知流體的電阻率為，不計

10、電流表的內阻，則可求得流量為（ ）。答案AA. B. C. D. c B da I b d 圖-7磁強計是利用霍爾效應來測量磁感應強度B的儀器。其原理可解為：如圖-7所示，一塊導體接上a、b、c、d四個電極，將導體放在勻強磁場之中，a、b間通以電流I，c、d間就會出現電勢差，只要測出c、d間的電勢差U，就可測得B。L設c、d間電勢差達到穩(wěn)定，則U=EL，此時導電的自由電荷受到的電場力與洛倫茲力相平衡，Eq=qvB，式中v為自由電荷的定向移動速度。由此可知， 。設導體中單位體積內的自由電荷數為n，則電流I=nqsv，式中S為導體橫截面積，S=Ld。因此，由此可知BU。這樣只要將裝置先在已知磁場中定出標度，就可通過測定U來確定B的大小了。高考大