磁場(chǎng)的綜合應(yīng)用

1、磁場(chǎng)的綜合應(yīng)用1一、質(zhì)譜儀二、速度選擇器三、回旋加速器06年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題807年佛山市教學(xué)質(zhì)量檢測(cè)807屆廣東省惠陽(yáng)市綜合測(cè)試卷三 22007年高考廣東卷15(3)江蘇省如東高級(jí)中學(xué)07年2月期末試卷192007年高考江蘇卷17磁場(chǎng)的綜合應(yīng)用2一、質(zhì)譜儀帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律廣泛應(yīng)用于近代物理的許多實(shí)驗(yàn)裝置中，如質(zhì)譜儀、回旋加速器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)等，因此，在復(fù)習(xí)中應(yīng)將基礎(chǔ)理論知識(shí)融入實(shí)際應(yīng)用之中，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。 以下的兩種裝置都可以用來(lái)測(cè)定帶電粒子的荷質(zhì)比.也可以在已知電量的情況下測(cè)定粒子質(zhì)量。帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,由電壓U加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)

2、度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),設(shè)軌道半徑為r,則有：NUOMB可得3帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,以速度v穿過速度選擇器(電場(chǎng)強(qiáng)度E，磁感應(yīng)強(qiáng)度B1),垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng).設(shè)軌道半徑為r,則有：MB2EB1NqE=qvB1可得：4二、速度選擇器正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)組成“速度選擇器”。帶電粒子（不計(jì)重力）必須以唯一確定的速度才能勻速（或者說沿直線）通過速度選擇器。否則將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個(gè)速度的大小可以由洛侖茲力和電場(chǎng)力的平衡得出：vBEqvB=Eq這個(gè)結(jié)論與離子帶何種電荷、電量多少都無(wú)關(guān)。若速度小于這一速度，電場(chǎng)力將大于洛侖茲力，帶電粒子向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛侖茲力也將增

3、大；若大于這一速度，將向洛侖茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將做負(fù)功，動(dòng)能將減小,洛侖茲力也將減小，粒子的軌跡既不是拋物線，也不是圓，而是一條復(fù)雜曲線。5三、回旋加速器利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度大小無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，可以作成回旋加速器。在AA和AA間加交變電壓，其周期與粒子運(yùn)動(dòng)周期相同。帶電粒子在兩個(gè)D形金屬盒之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，被電場(chǎng)加速；在D形金屬盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于D形金屬盒可以屏蔽電場(chǎng)，因此帶電粒子只受洛侖茲力作用而作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。D形金屬盒的半徑與粒子的最大動(dòng)能對(duì)應(yīng)。用此裝置可以將質(zhì)子加速到約20MeV。BAAABA0A606年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題88回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其

4、核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距離為d，勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓為U，要增大帶電粒子（電荷量為q質(zhì)量為m，不計(jì)重力）射出時(shí)的動(dòng)能，則下列方法中正確的是： ( )A增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓 B減小狹縫間的距離C增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 D增大D形金屬盒的半徑dRBU解：C D707年佛山市教學(xué)質(zhì)量檢測(cè)88回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹

5、縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)(其頻率為f ),使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距離為d，勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓為U。則下列說法中正確的是：( )A增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓，被加速粒子最終獲得的動(dòng)能將增大；B.增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度, 被加速粒子最終獲得的動(dòng)能將增大；C.被加速粒子最終速度大小不超2f R；D.增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓, 被加速粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)將減少。dRBUB C D807屆廣東省惠陽(yáng)市綜合測(cè)試卷三 22.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

6、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(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)打出的污水體積），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(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)前表面cabQB解見下頁(yè)B D9解：由左手定則，正離子向后表面集中，負(fù)離子向前表面集中，前后表面形成電勢(shì)差，前表面的電

7、勢(shì)一定低于后表面的電勢(shì)。設(shè)液體中離子的帶電量為q，污水的速度為v Bqv=qU/ b U= v Bb電壓表的示數(shù)與q無(wú)關(guān)，即與污水中離子濃度無(wú)關(guān)流量 Q=V/t=LS/t=vS=vbc=cU/B即Q與U成正比，與a、b無(wú)關(guān)102007年高考廣東卷15(3)15.(3)帶電粒子的荷質(zhì)比q/m是一個(gè)重要的物理量。某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),探究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,以求得電子的荷質(zhì)比,實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示。他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下： A首先在兩極板M1M2之間不加任何電場(chǎng)、磁場(chǎng)，開啟陰極射線管電源，發(fā)射的電子從兩極板中央通過，在熒幕的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn)； B在M1M2兩極板間加合

8、適的電場(chǎng)：加極性如圖13所示的電壓，并逐步調(diào)節(jié)增大，使熒幕上的亮點(diǎn)逐漸向熒幕下方偏移，直到熒幕上恰好看不見亮點(diǎn)為止，記下此時(shí)外加電壓為U。請(qǐng)問本步驟目的是什么？ M1M2電子束熒屏電極板d解: 使電子剛好落在正極板的近熒光屏端邊緣，利用已知量表達(dá)q/m.11根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,同學(xué)們正確推算出電子的荷質(zhì)比與外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他相關(guān)量的關(guān)系為一位同學(xué)說，這表明電子的荷質(zhì)比將由外加電壓決定，外加電壓越大則電子的荷質(zhì)比越大，你認(rèn)為他的說法正確嗎？為什么？ C保持步驟B中的電壓U不變，對(duì)M1M2區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)B，使熒幕正中心重現(xiàn)亮點(diǎn)，試問外加磁場(chǎng)的方向如何？垂直電場(chǎng)方向向外（垂直紙面向外

9、）說法不正確，電子的荷質(zhì)比是電子的固有參數(shù).12江蘇省如東高級(jí)中學(xué)07年2月期末試卷1919如圖（甲）為電視機(jī)中顯像管的原理示意圖，電子槍中的燈絲加熱陰極而逸出電子，這些電子再經(jīng)加速電場(chǎng)加速后，從O點(diǎn)進(jìn)入由磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后打到熒光屏MN上，使熒光屏發(fā)出熒光形成圖像，不計(jì)逸出電子的初速度和重力。已知電子的質(zhì)量為m、電荷量為e，加速電場(chǎng)的電壓為U0，假設(shè)偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形區(qū)域abcd內(nèi)，磁場(chǎng)方向垂直紙面，且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖（乙）所示。在每個(gè)周期內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度都是從-B0均勻變化到B0。磁場(chǎng)區(qū)域的左邊界的中點(diǎn)與O點(diǎn)重合，ab邊與OO平行，右

10、邊界bc與熒光屏之間的距離為s。由于磁場(chǎng)區(qū)域較小，電子速度很大，通過磁場(chǎng)時(shí)間t 遠(yuǎn)小于磁場(chǎng)變化周期T，不計(jì)電子之間的相互作用。 第3頁(yè)13 若電視機(jī)工作中由于故障而導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)線圈中電流突然消失（其它部分工作正常），在熒光屏中心形成亮斑。設(shè)所有電子垂直打在熒光屏上之后，全部被熒光屏吸收，且電子流形成的電流為I，求熒光屏所受平均作用力F大??；（用I、U0、e、m表示） 為使所有的電子都能從磁場(chǎng)的bc邊射出，求偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值B0； 熒光屏上亮線的最大長(zhǎng)度是多少。（假設(shè)電子不會(huì)打在熒光屏之外）0BtB0-B0乙s甲abdcU0NMOO電子槍第4頁(yè)14解: 由動(dòng)能定理得： eU0 =

11、 mv2/2 設(shè)時(shí)間t內(nèi)有N個(gè)電子打在熒光屏上，則有 I=N e/t，根據(jù)動(dòng)量定理知：F t = Nmv-0由上三式得： 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0或B0時(shí)（垂直于紙面向外為正方向），電子剛好從b點(diǎn)或c點(diǎn)射出，設(shè)此時(shí)圓周的半徑為R，如圖所示。根據(jù)幾何關(guān)系有：sLRR-L/2L/2解得： R = 5L/4電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),洛侖茲力提供向心力,因此有: 解得：題目15 設(shè)電子偏離原來(lái)方向的角度為ORRL/2LU0根據(jù)幾何關(guān)系可知：= 37設(shè)電子打在熒光屏上離O點(diǎn)的最大距離為d，則由于偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向隨時(shí)間變化，根據(jù)對(duì)稱性可知，熒光屏上的亮線最大長(zhǎng)度為： 題目第2頁(yè)162007年高考江蘇卷1717、（15分）磁譜儀是測(cè)量能譜的重要儀器。磁譜儀的工作原理如圖所示，放射源S發(fā)出質(zhì)量為m、電量為q的粒子沿垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，被限束光欄Q限制在 的小角度內(nèi)，粒子經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后打到與限束光欄平行的感光片P上。（重力影響不計(jì)）(1)若能量在EE+E（E0,且EE）范圍內(nèi)的粒子均沿垂直于限束光欄的方向進(jìn)入磁場(chǎng).試求這些粒子打在膠片上的范圍x1 (2)