磁场与现代科技应用

泰州试验中学高三物理教学案泰州试验中学高三物理教学案第三章磁场与现代科技应用课前自主学习〔学案〕课前自主学习〔学案〕5、6P104至P107。二、结合复习的内容思考如下问题：1、质普仪、速度选择器、磁流体发电机、盘旋的构造、原理以及主要用途是什么？2择的目的？3、霍尔元件为什么会产生电势差？哪个侧面电势差较高？4、盘旋与直线的优缺点是什么？三、自主解答几道题目1、右图为云室中某粒子穿过铅板P前后的轨迹，室中匀强磁场的方向与轨迹所在平面垂直〔图中垂直于低面对里〕，由此可知此粒子〔A 〕A.肯定带正电B.肯定带负电C.不带电D.可能带正电，也可能带负电2、以下图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法是某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器As1

U的加速电场区〔初速不计ss射入磁感强度为B的匀强磁场，2 3方向垂直于磁场区的界面PQ。最终，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3

的细线。假设测得细线到狭缝s的3距离为d，导出分子离子的质量m的表达式。答案：以m、q表示离子的质量电量，以v表示离子从狭缝s2射出时的速度，由功能关系可得1mv2qU ①2射入磁场后，在洛仑兹力作用下做圆周运动，由牛顿定律可得2qvBmv ②2RR为圆的半径。感光片上的细黑线到s3

缝的距离d＝2R ③解得mqB2d2 ④m8U3、如下图，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导管内有导电的液体流淌，Ba、b两点间的电势差为U,则管中液体的流量为多大？adb解析：导管液体最终处于平衡状态，即 dbqUqvB得vUd Bdd所以Q( )2vd

d2U dU2 4 Bd 4B课堂主体参与〔教案〕【学习目标】课堂主体参与〔教案〕1、把握速度选择器的工作原理和计算方法。2、把握质谱仪的工作原理及其应用。3、知道磁流体发电机的发电原理。4、知道盘旋的根本构造和加速原理。【重点、难点】1、本节重点：速度选择器、质谱仪、磁流体发电机、盘旋的应用。2、本节难点：盘旋的加速原理及其应用。【学习内容】一、课前自主学习检查1、月球探测器在争论月球磁场分布时觉察，月球上的磁场极其微弱。探测器通过测量运动电子在月球磁场中的轨迹来推算磁场强弱的分布：以下图是探测器在月球上A、B、C、D四个向均与磁场方向垂直。则由照片可推断这四个位置中磁场最强的是(A)AABCD2αE和α粒1子的运动E之比E:E等于〔B 〕.2 1 2A.4:1B.1:2C.1:2D.2:1aI3用，则〔A〕aI板左侧聚拢较多电子，使b点电势高于a点电势板左侧聚拢较多电子，使a点电势高于b点电势 b板右侧聚拢较多电子，使a点电势高于b点电势D.板右侧聚拢较多电子，使b点电势高于a点电势二、构建学问框架、剖析典型概念+1、速度选择器+如图1速率不同的正离子组成的离子束射入相互正交的匀强电场 f洛-和匀强磁场所组成的场区中，电场强度大小为E,方向 f电-B,方向垂直纸面对里，假设离子泰州试验中学高三物理教学案泰州试验中学高三物理教学案vE vE运动轨迹不发生偏转，必需满足平衡条件：qvBqE,故电粒子从速度选择器中选择出来v

B,这样就把满足 B的带EB选择器，而与粒子的电性、电量、质量无关〔不计重力〕M2、质谱仪M+质谱仪的构造如图3所示，质谱仪由速度选择器和MN板右 v S SB侧的偏转分别磁场两局部组成图示质谱仪先对离子束进展速 B度选择后，一样速率的不同离子在右侧的偏转磁场B中做匀 mg -MN板的不同位置，由此测定带电粒子的质量和分析同位素。 N3、盘旋05A0

0处带正电的粒子源发出带正电的粒子以速度v0

垂直进入匀A AA1111

时在1 1处造成向上的电场粒子被加速，0速率由0

v增加到

v，然后粒子以

v在磁场中匀速转动半个周期，到达

A AA时，在2 2处造1成向下的电场，粒子又一次被加速，速率由1

vv2，如AA此连续下去，每当粒子经过 的交界面时都是被加速，从2ｍT qB AA为 ，为到达不断加速的目的，要在 上加上周期T也为T的交变电压。即电4、磁流体发电机

T

qBA、BA、B平行金属板的面积为S，相距l，等离子体的电阻率为，喷入气体速度为v，板间磁场的磁B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过A、BA、B板上聚拢的电qE qvB荷最多，板间电势差最大，即为电源电动势，此时离子受力平衡：电EBlv

E vB，电 ，I E

Blv

BlvS电源内电阻

r

lSR的电流

Rr Rl RSlS5、电磁流量计add，用非磁dv的自由电荷〔正负离子〕在洛仑兹力作用下横向偏转，a、bb〔流量即单位时间内流过管道某一截面的体积。6、磁强计xy强度。三、自主争论例题1P的电势高于P的电势1 2 s1匀强磁场中磁感应强度B,匀强电场的电场强度E和被选p pvE 1 2择的速度v的大小应满足 Bs2s2出来的只能是正电荷，不能为负电荷BE的方向都转变为原来相反方向，选择器同样正常工作解析：在重力不计的条件下，带电粒子所受的电场力和洛伦磁力应大小相等、方向相反qvBqEvE得 B假设电荷为正电荷，洛伦磁力方向水平向右，则电场力方向应水平向左，UP1＜UP2.假设电荷电势应有UP1＜UP2.工作。正确选项为BD+-2、如下图，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的论〔〕+-它们的动能肯定各不一样它们的电量肯定各不一样它们的质量肯定各不一样它们的电量与质量之比肯定各不一样解析：从第一个磁场进入后一磁场的带电粒子肯定满足vEqEqvB,即 B

RmvqB,由于v、BRm不同，所以q的比值不同。选Dv3、一个盘旋，当外加电场的频率肯定时，可以把质子的速率加速到

，质子所能获E，则：这一盘旋能把粒子加速到多大的速度？这一盘旋能把粒子加速到多大的能量？这一盘旋加速粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之比为？〕

qvBmv2nn rnn得

qBrv nn m ……①由周期公式

T T电

ｍqB 得知，在外加电场的频率肯定时，qB为定值，结合①式得v v 。泰州试验中学高三物理教学案泰州试验中学高三物理教学案1 q2B2r2 mr2 qB ｍE mv2 E

n

( )2〔2〕依据动能公式kn 2

n有kn

2m 2 m 及qB为定 值得，在题设条件下，粒子最终获得动能与粒子质量成正比。所以4E。

B mqT T电〔３〕由周期公式

H2:1得。qB B mq得。H H 4、早在19世纪法拉第就曾设想，利用磁场使海流发电，由于海水中含有大量的带电离子，可能发出电来。目前，日本的一些科学家将打算利用海流建筑一座容量为1500KW的磁流体发电机。如下图为一磁流体发电机的原理示意图，上、下两块金属板M、N水平放置浸没在海水里，金属板面积均为S1103m2，板间相距d100m，海水的电阻率0.25m。B0.1T ，方向由南向北，海水从东向西以速度v5m/s流过两金属板之间，将在两板之间形成电势差。〔１〕到达稳定状态时，哪块金属板的电势较高？由金属板和海水流淌所构成的电源的电动势E及其内电阻r各为多少？假设用此发电装置给一电阻为20的航标灯供电，则在8h内航标灯所消耗的电能为多少？1〕由左手定则得：N板电势较高．Ff EqqvB与洛伦兹力相平衡时到达稳定状态即：d代入有关数据得电动势E50Vr内阻

dr0.025s电路中的电流由公式WI2Rt

EIRrW3.6106J可求的得消耗的电能为5、磁强计的原理如下图。电路中有一段金属导体，它的横截面为边长等于a的正方形，xyI单位体积中的自由电子数为n，电子电量为e，金属导体导电过程中，自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动，测出导体上下两侧面间的电势差为U。求：导体上、下侧面哪个电势较高？磁场的磁感应强度是多大？〔1〕偏移，下外表带负电荷，上外表带正电荷，所以上侧电势高。〔2〕由于电子做匀速运动，所以eUBev即aIneSvnea2vBneaU解得 I四、小组争论质疑五、师生合作研讨六、总结提升把握电磁场在实际中的应用，必需了解各应用的构造、原理以及主要用途是什么。在具体解题中运用电磁复合场的相关学问解题。【当堂训练】1、如图是某离子速度选择器的原理示意图，在一半径为R＝10cmB＝104T孔．离子束以不同角度入射，最终有不同速度的离子束射出．现有一离子源放射荷质比为 ＝2×1011C/kg的阳离子且离子束中速度分布连续．当角 ＝45°，出射离子速度v的大小是〔〕A、C、2

106m/s B、2222108m/s D、4222

106m/s2106m/s2答案：B2、质谱仪是一种测带电粒子质量和分析同位素的重要工具，现有一质谱仪，粒子源产生出质量为m入磁感应强度为B半径为RU，如下图。求证：粒qm

2Utan22。B2R2证明：如下图，离子从粒子源出来后在加速电场中运动2Uq2UqmqU2mv2得v离子以此速度垂直进入磁场运动,由洛仑兹力供给向心力

mv2r

,所以r

Rtan2qm

2Utan22。B2R23、串列是用来生产高能高子的装置。以下图中虚线框内为其主体的原理示意图b处有很高的正电势U，a，c〔电势为零。现将速度很低的负一价同位素碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b装置将其电子剥离，成为nn价碳离子从cB之比。

求这两种同位素的质量1解析：由a到b由运动定理得eU mv2，2 11 12，则有mv222

mv2neU2 1进入磁场后，碳离子做圆周运动，有

nev2

Bmv2ReR2B2n2 m R2由以上三式得m

，所以

1 1 。【布置作业】1、自我检测2、自由进展【课后反思】

n1

m R22 2课后自我检测〔学案〕1、如下图虚线所围的区域内(为真空环境),存在电场强度为E的匀强电场和磁感强度为B的匀强磁场.从左方水平射入的电子,穿过这区域时未发生偏转.设重力可无视,则在这区域中的EB〔ABC〕课后自我检测〔学案〕A、EBB、EBC、E,BD、E,B2、盘旋是用来加速带电粒子的装置，如下图.它的核心局部是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频沟通电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到到达最大圆周半径时通过特别装置被引出。假设用同一盘旋分别加速氚核〔3H〕和α粒子〔4He〕比较它

E,BB~1 2们所加的高频沟通电源的周期和获得的最大动能的大小，有〔B〕A.加速氚核的沟通电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大B.加速氚核的沟通电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小C.加速氚核的沟通电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小D.加速氚核的沟通电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大3、磁流体发电是一项兴技术，它可以把气体的内能直接转化为电能，以下图是它的示意图．平行金属板A、BB，将一束等离子体〔即〕垂直于B的方向喷入磁场，每个离子的速度v，电荷量大小为q，A、B两板间距为d，稳定时以下说法中正确的选项是〔BC〕A．图中A板是电源的正极B．图中B板是电源的正极C．电源的电动势为BvdD．电源的电动势为Bvq4电液体时，由于不允许传动的机械局部与这些液体相接触，常使当电流穿过导电液体时，这种液体即被驱动，问：这种电磁泵的原理是怎样的?假设导管内截面积为×h，磁场的宽度为L，磁感应强度为B〔看成匀强磁场I，如下图，求驱动力造成的压强差为多少?1〕工作原理：电流在磁场中受安培力F IhB IB〔2〕F安

＝I〃h〃B P安 wh wh w5、电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O，半径为r。当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P，B应为多少？解析：电子在磁场中沿圆弧运动，如下图，圆心为O′，Rv表示电子进入磁场时的速度，m、e分别表示电子的质量和电量，则1 2

mv2

tgreU 2mv

evB

R 2 R由以上各式解得 B

1 2mU tgr e 26、由中国供给永磁体的阿尔法磁谱仪原理图如下图，它曾由航天飞机携带升空，将来安装在阿尔法国际航空站中，主要使命之一是探究宇宙中的反物质。反物质由反粒子组成，反粒子的质量与正粒子一样，带电量与正粒子相等但电性符号相反，例如反质子是

1H。假设使一束质子、反1质子、粒子、反粒子组成的射线，通过OO进入匀强磁场B42条径迹，如下图，则反粒子的径迹为〔B〕MBMBdaEIbFN7、1879年美国物理学家E.H.霍尔观看到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上会消灭电势差，这个现13象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，霍尔元件可以制成多种传感器。134个电极E、F、M、Nabd，垂直放在磁感应强度为B的匀强磁场中，设电流I是由电子的定向流淌形成的，电子的平均定向移动速度为v，导体单位体积内的自由电子数为n，电子电量为e，则到达稳定状态时：简要分析霍尔元件形成霍尔电压的缘由并比较M、N两个极的电势凹凸；求出霍尔电压UB、I的关系，并争论怎样转变霍尔元件的长、宽、厚才能有效提高霍尔电压。解：(1)当在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与导体板垂直的匀强磁场B，导体中的电子就在洛伦兹力的作用下向上极板偏转，使M、N间产生霍尔电压U。 N极电势高。(2)当导体中的电子到达稳定状态时f Ee即eBvUe洛 bInesvnebdv∴U IBned减小霍尔元件的厚度d，可以有效提高霍尔电压(U的大小与a、b无关)。课后自由进展〔学案〕1d的两平行金属板水平放置，开头开关S合上使平行板电容器带电．板间存在垂直纸面对里的匀强磁v以下方法中，要使带电粒子仍能匀速通过两板，(不考虑带电粒子所受重力)正确的选项是〔A〕课后自由进展〔学案〕A．把两板间距离减小一倍，同时把粒子速率增加一倍B．把两板的距离增大一倍，同时把板间的磁场增大一倍C．把开关S断开，两板的距离增大一倍，同时把板间的磁场减小一倍D．把开关S断开，两板的距离减小一倍，同时把粒子速率减小一倍2、某制药厂的污水处理站的管道中安装了如下图的流量计，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，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个面的内侧固定有金属板作为电极，当含有大量正负离子〔其重力不计〕的污水布满管口从左向右流经该装置时，利用电压表所显示的两个电极间的电压U，就可测出污水流量〔单位时间内流出的污水体积．则以下说法正确的选项是〔 AC〕AB．假设污水中正负离子数一样，则前后外表的电势差为零C．流量Q越大，两个电极间的电压U越大D．污水中离子数越多，两个电极间的电压U越大3子枪中产生的电子经过加速电场加速后射出P如下图。假设圆形区域中不加磁场，电子始终打到荧光屏上的中心O点的动能为E；在圆电子枪N电子枪OBNON=h，PO=Le，质量为m.求：⑴电子打到荧光屏上的N点时的动能是多少？说明理由.⑵电子在电子枪中加速的加速电压是多少？⑶电子在磁场中做圆周运动的半径R是多少？⑷试推导圆形区域的半径rRh、L的关系式.答案：⑴E⑵E/eR

⑷h 2Rr2mEeB Lr 2mE2

r24、电磁流量计广泛应用于测量可导电流体〔如污水〕在管中的流量〔在单位时间内通过管内横截面的流体的体积。为了简化，假设流量计是如下图的横截面为长方形的一段管道，其中空局部的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接〔图中虚线。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感强度为B计时，在管外将流量计上、下两外表分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。流体的电阻率为ρ，〔A〕A.I(bR

c)

I(aRb)B a B cI(cRa) D.I(Rbc)B b B a5、磁谱仪是测量α能谱的重要仪器。磁谱仪的工作原理如下图，放射源S发出质量为m、电量为q的α粒子沿垂直磁场方向进入磁感应强度为BQ限制在2φ的小角度内，α粒子经磁场偏转后打到与束光栏平行的感光片P〔重力影响不计〕⑴假设能量在E～E＋ΔE〔ΔE＞0，且E E〕范围内的α粒子均垂直于限束光栏的方向进入磁场。试求这些α粒子打在胶片上的范围Δx。1⑵实际上，限束光栏有肯定的宽度，α2φ