磁场与现代科技原卷版

1、磁场与现代科技(1)重难讲练1.速度选择器如图所示，Di和D2是两个平行金属板，分别连在电源的两极上，其间有一电场强度为E的电场，同时在此空间加有垂直于电场方向的磁场，磁感应强度为Bo S、&为两个小孔，且 Si与&连线方向与金属板平行。速度沿Si、S2连线方向从Si飞入的带电粒子只有做直线运动才可以从 S2飞出。因此能从&飞出的带电粒子所受的电场力与洛伦兹力平衡，即qE=qvBo故只要带电粒子的速度满足v=即使电性不同，比B荷不同，也可沿直线穿出右侧的小孔S2,而其他速度的粒子要么上偏，要么下偏，无法穿出S2。因此利用这个装置可以达到选择某一速度带电粒子的目的，故称为速度选择器。.质谱仪(1

2、)原理图：如图所示.(2)加速带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU = 2mv2.偏转带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：迪=%.(4)由两式可以求出粒子的运动半径r、质量m、比荷非等.其中由r = B、/2mU可知电荷量相同时,半径将随质量变化.(5)质谱仪的应用可以测定带电粒子的质量和分析同位素.回旋加速器两个中空的半圆金属盒 Di和D2,处于与盒面垂直的匀强磁场中，Di和D2间有一定的电势差，如图所示.接交流Ft!源u(1)磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动.其周期在 q、m、B不变的情况下与

3、速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期”后平行电场方向进入电场加速.如图所示.qU= AEk.(6)粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为ti,在磁场中运动的时间为t2=nT=Jq|Bm(2)电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速.根据动能定理:(3)交变电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在 D形盒中运动周期相同的交变电压.(4)带电粒子的最终能量：由 r = m学口，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若 D形盒

4、半 径为巳则带电粒子的最终动能Ekm=qBmR2.可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径 R(5)粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n=Em(U是加速电压的大小)，一个q J周期加速两次.(n是粒子被加速次数)，总时间为t=ti+t2,因为ti? t2, 一般认为在盒内的时间近似等于t2.磁流体发电机如图所示，将一束等离子体 (即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，从整体上来说是呈电中性)喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B,则高速射入的离子在洛伦兹力的作用下向A、B两板聚集，使两板间产生电势差，若平行金属板间距为d,匀强磁场的磁

5、感应强度为B,等离子体流速为 v,气体从一侧面垂直磁场射入板间，不计气体电阻，外电路电阻为 R,则两板间可能达到的最大电压和最大电流为多少？如图所示，运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用发生偏转，正、负离子分别到达 B、A极板(B为电源正极,故电流方向从 B到A),使A、B板间产生匀强电场，在电场力的作用下偏转逐渐减弱，当等离子体不发生偏转即匀速穿过时，有 qvB=qE,所以此时两极板间电势差U = Ed=Bdv,据闭合电路欧姆定律可得电流大Bdv小 I = -Ro.霍尔效应如图所示，厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中。当电流按如图方向通过导体板时，在导体板的上侧面A

6、和下侧面A之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差 U、电流I和B的关系为U = k!B,式中的比例系数 k称为霍尔系数。 d霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会U=喟可得B =号，这也是出现多余的正电荷，从而形成横向电场。横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电场力。当静电场 力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差。由 一种测量磁感应强度 B的方法。.电磁流量计原理如图所示是电磁流量计的示意图，在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区域，当管中的导电液体流过此磁场区域时， 测出管壁

7、上a、b两点间的电势差U,就可以知道管中液体的流量Q(m3/s)单位时间内流过液体的体积。甲从网管的仰面看(2)流量的计算电荷随液体流动，受到竖直方向的洛伦兹力，使正负电荷在上下两侧聚积，形成电场。当电场力与洛2伦兹力平衡时，达到稳态，此时qU=qvB得v=自，液体流量Q = 7v=/。（不计粒子的【典例1】如图所示，两平行金属板中有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，带正电的粒子 重力）从两板中央垂直电场、磁场入射.它在金属板间运动的轨迹为水平直线，如图中虚线所示.若使粒子飞越金属板间的过程中向上板偏移，则可以采取下列的正确措施为（A.使入射速度增大B.使粒子电量增大C.使电场强度增大D.使磁感应

8、强度增大【典例2如图所示是质谱仪的工作原理示意图。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的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片AiA2。平板卜列表述正确的是（A.质谱仪是分析同位素的重要工具B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小D形金属【典例3】 劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于高真空中的B的匀强磁场与盒面垂直,盒半径为 R,两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略.磁感应强度为高频交流电频率为f

9、,加速电压为U。若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为+ q,在加速器中被加速， 且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说法正确的是UA.质子被加速后的最大速度不可能超过2TRfB.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比C.质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为，2 ： 1D.不改变磁感应强度B和交流电频率f,该回旋加速器的最大动能不变【典例4】如图所示，将一束等离子体喷射入磁场，在场中有两块金属板A、B,这时金属板上就会聚集电荷，产生电压。如果射入的等离子体速度均为v,两金属板的板长为 L,板间距离为d,板平面的面积为S,匀强磁场的磁感应强度为 B,方向垂

10、直于速度方向，负载电阻为R,电离气体充满两板间的空间。当发电机稳定发电时，电流表示数为I,那么板间电离气体的电阻率为 （）dAS【典例5】为了诊断病人心脏功能和动脉血液粘情况，需测量血管中血液的流量，如图示为电磁流量计示意图，将血管置于磁感强度为B的磁场中，测得血管两侧 a、b两点电压为U,已知管的直径为 d,则血管中血液的流量 Q （单位时间内流过的体积）。（）【典例6】 磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器，其原理可理解为：如图所示，一块导体接上a、b、c、d四个电极，将导体放在匀强磁场之中，a、b间通以电流I, c、d间就会出现电势差，只要测出c、d间的电势差U,就可以测得 Bo

11、试证明之。. 1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D .离子从电场中获得能量Di、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是.美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量.如图3-6-18所示为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场的场强大小恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从 Po处由静止释放，并沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D

12、形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动.对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（A.带电粒子每运动一周被加速一次B. P1P2=P2P3C.粒子能获得的最大速度与D形盒的尺寸有关D. A、C板间的加速电场的方向需要做周期性的变化.为了测量某化肥厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口，在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧面固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压 U。若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积 ），下列说法正确的是（）QA.若污水中正离子较多，则前内侧面比后内侧面电势高B.前内侧面的电势一定低于后内侧面的电势，与哪种离子多无关C.污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大D.污水流量 Q与电压U成正比，与a、b有关.利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图是霍尔元件的工作原理示CD。意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I, C、D两侧面会形成电势差 U卜列说法中正确的是（）A,电势差Ucd仅与材料有关B