高中物理-8個(gè)電磁場儀器

1、、速度選擇器有關(guān)電磁場的儀器如圖所示平行板器件中，電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度 E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。置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來，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：.粒子受力特點(diǎn)：同時(shí)受方向相反的電場力和磁場力作用。.粒子勻速通過速度選擇器的條件：電場力和洛倫茲力平衡： 足v=E/B的粒子才能沿直線勻速通過。注意：.速度選擇器對正、負(fù)電荷均適用。.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，就不能對速度做出選擇。.速度選擇器只能單向選擇，如上圖中粒子從右側(cè)進(jìn)入會(huì)受到相同方向的電場力和洛倫茲力而打到板上【例1】如圖

2、所示，一個(gè)電子經(jīng)加速電壓U后得到一定的速度，然后進(jìn)入正交的電場和磁場，電子沿直線qE=qvB , v=E/B速度大小只有滿經(jīng)過經(jīng)過偏轉(zhuǎn)極板后從右邊 S板中央孔穿出，已知磁場強(qiáng)度為 B,上下極板間距為 量為-e）.問：（1）水平極板間的電場強(qiáng)度為多少？（2）若電場強(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 前的速度是大??？d （電子質(zhì)量為簿帶電S板上，問打在板上二、質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀是測量帶電粒子荷質(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)分開來（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中，做圓周運(yùn)動(dòng)的圓周半徑與質(zhì)量有關(guān)（ r=mv/qB

3、）,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S以很小的速度進(jìn)入電壓為 U的加速電場區(qū)（初速不計(jì)），加速后，再通過狹縫 S2、4射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場，方向垂直于磁場區(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。1【變式1】如圖為質(zhì)譜儀原理示意圖，電荷量為 q、質(zhì)量為 m的帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)過電勢差為

4、U 的加速電場后進(jìn)入粒子速度選擇器。 選擇器中存在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場， 勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)為 E、方向水平向右。已知帶電粒子能夠沿直線穿過速度選擇器，從 G點(diǎn)垂直MNS入偏轉(zhuǎn)磁場，該偏轉(zhuǎn)磁場是一個(gè)以直線 MN為邊界、方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場。帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場后，最終到達(dá)照相底片的H點(diǎn)?？蓽y量出 G H間的距離為l。帶電粒子的重力可忽略不計(jì)。求:(1)粒子從加速電場射出時(shí)速度 v的大小。(2)粒子速度選擇器中勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi的大小和方向。(3)偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B2的大小。三、回旋加速器 1它是利用磁場使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置。2它的核心結(jié)構(gòu)是

5、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型盒之間的電場加速后， 垂直磁場方向進(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)過一個(gè)周期，被電場加速兩次。5對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的。由最大半做;R譚一Ef八誓卜可旋周航T【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)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B,方向如圖所示。粒子質(zhì)量為

6、 m電荷量為q。設(shè) 帶電粒子從粒子源 S進(jìn)入加速電場時(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.dx(1)粒子加速后能獲得最大的動(dòng)能E為多大？(2)交變電流的周期 T為多大？(3)求粒子在電場中加速次數(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？“粒子從某點(diǎn)以【變式2】如圖所示，PQ是勻強(qiáng)磁場中的一片薄金屬片，其平面與磁場方向平行，一個(gè) 與PQ垂直的速度V射出，動(dòng)能為 E,射出后a粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。 徑之比為10:9,若穿越板的過程中粒子受到的阻力大小及電荷量恒定，則(12a粒子母

7、分過一次金屬片，速度減小了 A / 10 ma粒子每穿過一次金屬片，動(dòng)能減小了0.19 Eka粒子穿過5次后陷在金屬片里a粒子穿過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，與磁場相對運(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。已知它在金屬片兩邊的軌跡半 )等離子體路中可變負(fù)載 R用導(dǎo)線與極板相連.電離氣體以速率 r=0.1 Q ,求：(1)哪塊板

8、電勢高？求發(fā)電機(jī)兩極板間的電動(dòng)勢E(2)求此發(fā)電機(jī)的最大輸出功率Pnv=1100m/s沿極板射入，極板間電離氣體等效內(nèi)阻五、電磁流量計(jì)【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，邊長分別為答案：220V , 121kwa、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，磁感應(yīng)強(qiáng)度為 電液體的流量QBo現(xiàn)測得上下管壁 MN司的電勢差為 U,求管內(nèi)導(dǎo)【例4】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)磁場如圖，B=1.0T ,外電【變式3】為了測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、寬、

9、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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，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.前表面的電勢一定低于后表面的電勢，與哪種離子多無關(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無關(guān)【變式4】（01全國理綜）電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測量可導(dǎo)電流體（如污水）在管中白流量（在單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積 ）.為了簡化，假設(shè)流量計(jì)是如圖所示的

10、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(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，磁場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P,不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流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 量為（）A. L（aR + Pb）B. （bR+ P-）BcBaC. （cR a）D. （R ?-bc）B bB a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

11、板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，當(dāng)電流通過導(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)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場不太強(qiáng)時(shí)電勢差U,電流I和B的關(guān)系為U=kIE/d, 式中的比例系數(shù) k稱為霍爾系數(shù)?；魻栃?yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運(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，橫向電場對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,回答下列問題： TOC o 1-5 h z （1）達(dá)到穩(wěn)定

12、狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢 下側(cè)面A的電勢（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)之間的電勢差為U時(shí)，電子所受的靜電力的右3/大小為 .（4）由靜電力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數(shù)K=1/ne,其中 不 ,產(chǎn)n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個(gè)數(shù)。r七、電磁泵【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)磁場垂直，并有長為 l的部分在磁場中，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I。，若其他條件不變，勻強(qiáng)磁場的寬度l至少為ap Ppab =BIb 得， ；BBI0/八，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都沿 方向，保持線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安培力的大小不受磁場影響，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方向 ，使表盤 刻度,如圖5所示.4.優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測出 的電流.缺