磁場在生活科技中的應(yīng)用

1、磁場在科技生活中的應(yīng)用江陰市青陽中學徐榮偉磁場對通電導線的安培力應(yīng)用：電流天平：電磁炮：電磁泵一:電流天平 例題:如下圖為電流天平，可以用來測量勻強磁場的磁感應(yīng)強度。它的右臂掛著矩形線圈，匝數(shù)n=9，線圈的水平邊長為L，處于勻強磁場內(nèi)，磁感應(yīng)強度B的方向與線圈平面垂直。當線圈中通過電流I時，調(diào)節(jié)砝碼使兩臂到達平衡。然后使電流反向，大小不變。這時需要在左盤中增加質(zhì)量為m的砝碼，才能使兩臂重新平衡。 (1)導出用量和可測量n、m、L、I計算B的表達式； (2)當，時，磁感應(yīng)強度是多少？ 電流天平:課堂練習1 A磁感應(yīng)強度的方向垂直紙面向里，大小為 B磁感應(yīng)強度的方向垂直紙面向里，大小為 C磁感應(yīng)強

2、度的方向垂直紙面向外，大小為 D磁感應(yīng)強度的方向垂直紙面向外，大小為如圖所示為電流天平，可用來測量勻強磁場的磁感應(yīng)強度。天平的右臂下面掛有一個矩形線圈，線圈匝數(shù)為N，水平邊長為L，線圈的下部處在勻強磁場中，磁場方向垂直紙面。當線圈中通有電流I (方向如圖)時，在天平左、右兩邊加上質(zhì)量分別為m1、m2的砝碼，天平平衡。當電流反向(大小不變)時，左邊再加上質(zhì)量為m的砝碼后，天平重新平衡。由此可知（ ） AB返回目錄二、電磁炮根據(jù)磁場對電流會產(chǎn)生作用力的原理，人們研制出一種新型的發(fā)射炮彈的裝置電磁炮，電磁炮是一種理想的兵器，它的主要原理如下圖，1982年澳大利亞國立大學制成了能把22的彈體包括金屬桿

3、的質(zhì)量加速到10的電磁炮常規(guī)炮彈速度大小約為2，假設(shè)軌道寬2，長為100，通過的電流為10，那么軌道間所加勻強磁場的磁感應(yīng)強度為多少？磁場力的最大功率為多大？軌道摩擦不計如果想提高某種電磁炮的發(fā)射速度，理論上可怎么辦?可以通過增強磁場、加大電流、增寬導軌間距、加長導軌長度、減少炮彈體質(zhì)量來提高炮彈出膛速度.電磁炮:課堂練習經(jīng)過多年的研究，我國超高速電磁炮的研制已經(jīng)到了最后階段，不久將問世。電磁炮的原理是利用電磁力推動彈頭達到每秒幾十公里的超高速狀態(tài)，常規(guī)武器望塵莫及。右圖是電磁炮的示意圖。豎直向上的勻強磁場的磁感應(yīng)強度B=50 T，炮彈和金屬支架放在寬為L=0.40m的銅導軌上，炮彈和金屬支架

4、的總質(zhì)量為0.20 kg，銅導軌的長度為s=10 m，為使炮彈的射出速度達到v=20 kms，通過炮彈和金屬支架的電流應(yīng)為多大？(不計一切摩擦阻力)返回目錄三、電磁泵在原子反應(yīng)堆中抽動液態(tài)金屬與在醫(yī)療器械中抽動血液等導電液體時，由于不允許傳動的機械部分與這些液體相接觸，常使用一種電磁泵，如圖所示這種電磁泵的結(jié)構(gòu)，將導管放在磁場中，當電流穿過導電液體時，這種液體即被驅(qū)動，問：（1）這種電磁泵的原理是怎樣的?（2）若導管內(nèi)截面積為wh，磁場的寬度為L，磁感應(yīng)強度為B（看成勻強磁場），液體穿過磁場區(qū)域的電流強度為I，如圖所示，求驅(qū)動力造成的壓強差為多少?磁場對運動電荷的洛侖茲力的應(yīng)用：速度選擇器：磁

5、流體發(fā)電機：電磁流量計：質(zhì)譜儀：盤旋加速度器：霍爾效應(yīng)：電視機顯像管一、速度選擇器在如下圖的平行板電容器中，電場強度E和磁感應(yīng)強度B相互垂直。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。這種裝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。試證明帶電粒子肯有速度時，才能沿圖示虛線路徑通過這個速度選擇器。 當滿足Bqv=qE時,帶電粒子做勻速直線運動當Bqv=qE不滿足時,粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn). 選擇速度 V=E/B 的粒子.與粒子帶電正負無關(guān).與質(zhì)量無關(guān)(重力不計)與速度方向有關(guān)速度選擇器課練習堂如下圖，相距為d的兩平行金屬板水平放置，開始開關(guān)S合上使平行板電容器帶電板間存在垂直紙面

6、向里的勻強磁場一個帶電粒子恰能以水平速度v向右勻速通過兩板間在以下方法中，要使帶電粒子仍能勻速通過兩板，(不考慮帶電粒子所受重力)正確的選項是 A把兩板間距離減小一倍，同時把粒子速率增加一倍B把兩板的距離增大一倍，同時把板間的磁場增大一倍C把開關(guān)S斷開，兩板的距離增大一倍，同時把板間的磁場減小一倍D把開關(guān)S斷開，兩板的距離減小一倍，同時把粒子速率減小一倍 返回目錄二:磁流體發(fā)電機 磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，圖示是磁流體發(fā)電機的裝置：、組成一對平行電極，兩極間距為,內(nèi)有磁感強度為的勻強磁場，現(xiàn)持續(xù)將一束等離子體即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負電的微粒，而

7、從整體來說呈中性垂直噴射入磁場，每個離子的速度為，電量大小為，忽略兩極之間等效內(nèi)阻，穩(wěn)定時，A和B兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把A和B與用電器連接，A和B就是一個直流電源的兩個電極。分析電勢較高的是哪個極板？該磁流體發(fā)電機的電動勢多大？外電路電阻為，那么所消耗的功率為多大？ 板是發(fā)電機的正極發(fā)電機的電動勢dV磁流體發(fā)電機課堂練習磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，以下圖是它的示意圖平行金屬板A、B之間有一個很強的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，將一束等離子體即高溫下電離的氣體，含有大量正、負帶電粒子垂直于B的方向噴入磁場，每個離子的速度為v，電荷量大小為q，A、B兩板間距為d，穩(wěn)定

8、時以下說法中正確的選項是 A圖中A板是電源的正極 B圖中B板是電源的正極C電源的電動勢為Bvd D電源的電動勢為Bvq返回目錄三、電磁流量計電磁流量計如下圖 , 用非磁性材料做成的圓管道 , 外加一勻強磁場 . 當管道中導電液體流過此區(qū)域時 , 測出管壁上 a 、 b 兩點間的電動勢為 , 就可知道管中液體的流量 Q , 即單位時間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積 ( m3 s ). 管道直徑為 D , 磁場的磁感應(yīng)強度為 B , 那么 Q 與 間的關(guān)系？電磁流量計課堂練習一種測量血管中血流速度儀器的原理如圖364所示，在動脈血管左右兩側(cè)加有勻強磁場，上下兩側(cè)安裝電極并連接電壓表，設(shè)血管直徑是20，

9、磁場的磁感應(yīng)強度為0080，電壓表測出的電壓為010，則血流速度大小為_（取兩位有效數(shù)字） 電磁流量計課堂練習某制藥廠的污水處理站的管道中安裝了如下圖的流量計，該裝置由絕緣材料制成，長、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)強度為B的勻強磁場，在前后兩個面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，當含有大量正負離子其重力不計的污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，利用電壓表所顯示的兩個電極間的電壓U，就可測出污水流量Q單位時間內(nèi)流出的污水體積那么以下說法正確的選項是 A后外表的電勢一定高于前外表的電勢，與正負哪種離子多少無關(guān)B假設(shè)污水中正負離子數(shù)相同，那么前后外表的電勢差為零C流量Q

10、越大，兩個電極間的電壓U越大D污水中離子數(shù)越多，兩個電極間的電壓U越大電磁流量計課堂練習電磁流量計廣泛應(yīng)用于測量可導電流體如污水在管中的流量在單位時間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積為了簡化，假設(shè)流量計是如下圖的橫截面為長方形的一段管道，其中空局部的長、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相連接圖中虛線圖中流量計的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計所在處加磁感強度為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(jīng)流量計時，在管外將流量計上、下兩外表分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值流體的電阻率為，不計電流表的內(nèi)阻，那么可求得流量為

11、返回目錄質(zhì)譜儀的構(gòu)造帶電粒子注入器加速電場U速度選擇器E, B1偏轉(zhuǎn)磁場B2照相底片4、質(zhì)譜儀工作原理質(zhì)譜儀工作原理(1)帶電粒子經(jīng)加速電場：(2)帶電粒子經(jīng)速度選擇器：(3)帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場：d為軌道直徑由此可得：比荷 ； 質(zhì)量通過測定d得比荷，再由q可得質(zhì)量四：質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀速度選擇器局部的勻強電場場強E=1.2105V/m，磁場的磁感應(yīng)強度為B1=0.6T,偏轉(zhuǎn)別離器的磁感應(yīng)強度為B2，如下圖，求：1能通過速度選擇器的粒子的速度多大？2質(zhì)子和氘核進入偏轉(zhuǎn)局部后打在照相底片上的條紋之間的距離d為多少？ 質(zhì)譜儀課堂練習所示為質(zhì)譜儀測定帶電粒子質(zhì)量的裝置的示意圖速度選擇器也稱濾速器中場強E的方

12、向豎直向下，磁感應(yīng)強度B1的方向垂直紙面向里，別離器中磁感應(yīng)強度B2的方向垂直紙面向外在S處有甲、乙、丙、丁四個一價正離子垂直于E和B1入射到速度選擇器中，假設(shè)m甲 =m乙m丙=m丁 ，甲 乙 =丙 丁 ，在不計重力的情況下，那么分別打在P1、P2、P3、P4四點的離子分別是 A甲乙丙丁 B甲丁乙丙 C丙丁乙甲 D甲乙丁丙質(zhì)譜儀課堂練習由中國提供永磁體的阿爾法磁譜儀原理圖如下圖，它曾由航天飛機攜帶升空，將來安裝在阿爾法國際航空站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物質(zhì)。反物質(zhì)由反粒子組成，反粒子的質(zhì)量與正粒子相同，帶電量與正粒子相等但電性符號相反，例如反質(zhì)子是。假假設(shè)使一束質(zhì)子、反質(zhì)子、粒子、反粒

13、子組成的射線，通過進入勻強磁場B2而形成4條徑跡，如下圖，那么反粒子的徑跡為 A1 B2 C3 D4返回目錄五：盤旋加速度器B關(guān)于盤旋加速器的幾個問題 1:盤旋加速器中的D形盒 的作用是什么?它的作用是靜電屏蔽，使帶電粒子在圓周運動過程中只處在磁場中而不受電場的干擾，以保證粒子做勻速圓周運動2:盤旋加速器中所加交變電壓的頻率f多大?盤旋加速器中所加交變電壓的頻率f,與帶電粒子做勻速圓周運動的頻率相等:3:盤旋加速器最后使粒子得到的能量多大?可由公式 來計算，在粒子電量，、質(zhì)量m和磁感應(yīng)強度B一定的情況下，回旋加速器的半徑R越大，粒子的能量就越大4:決定帶電粒子在盤旋加速器內(nèi)運動時間長短的因素：

14、 帶電粒子在盤旋加速器內(nèi)運動時間長短，與帶電粒子做勻速圓周運動的周期有關(guān)，同時還與帶電粒在磁場中轉(zhuǎn)動的圈數(shù)有關(guān)。設(shè)帶電粒子在磁場中轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為n ，加速電壓為U。因每加速一次粒子獲得能量為qU，每圈有兩次加速。 盤旋加速度器課堂練習如圖所示的回旋加速器的D形盒的直徑為D，磁感應(yīng)強度為B，被加速的帶電粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，試寫出Vm、Ekm及周期T的表達式。盤旋加速度器課堂練習回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，如圖所示.它的核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒相距很近，分別和高頻交流電源相連接，兩盒間的窄縫中形成勻強電場，使帶電粒子每次通過窄縫都得到加速。兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底

15、面，帶電粒子在磁場中做圓周運動，通過兩盒間的窄縫時反復(fù)被加速，直到達到最大圓周半徑時通過特殊裝置被引出。如果用同一回旋加速器分別加速氚核（ ）和粒子（ ）比較它們所加的高頻交流電源的周期和獲得的最大動能的大小，有（ ）A.加速氚核的交流電源的周期較大，氚核獲得的最大動能也較大B.加速氚核的交流電源的周期較大，氚核獲得的最大動能較小C.加速氚核的交流電源的周期較小，氚核獲得的最大動能也較小D.加速氚核的交流電源的周期較小，氚核獲得的最大動能較大BB盤旋加速度器課堂練習回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬扁盒，如圖所示，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，

16、以便在盒間的窄縫中形成一勻強電場，高頻交流電源的周期與帶電粒子在D形盒中的運動周期相同，使粒子每穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，磁場的磁感應(yīng)強度為B，離子源置于D形盒的中心附近，若離子源射出粒子的電量為q，質(zhì)量為m，最大回轉(zhuǎn)半徑為R，其運動軌道如圖所示，試求：兩盒所加交流電的頻率為多少?粒子離開回旋加速器時的動能為多大?設(shè)兩D形盒間電場的電勢差為U，盒間窄縫的距離為d，其電場均勻，粒子在電場中運動所用的時間t電為多少? 粒子在磁場中運動所用的時間t磁為多少?習題解答:返回目錄六：電視機顯像管電視顯像管的工作原理1、要是電子打在A點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向？2、要是

17、電子打在B點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向？3、要是電子打從A點向B點逐漸移動，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該怎樣變化？垂直紙面向外垂直紙面向里先垂直紙面向外并逐漸減小，然后垂直紙面向里并逐漸增大。電視機顯像管課堂練習電視機的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)的。電子束經(jīng)過電壓為U的加速電場后，進入一圓形勻強磁場區(qū)，如下圖。磁場方向垂直于圓面。磁場區(qū)的中心為O，半徑為r。當不加磁場時，電子束將通過O點而打到屏幕的中心M點。為了讓電子束射到屏幕邊緣P，需要加磁場，使電子束偏轉(zhuǎn)一角度，此時磁場的磁感應(yīng)強度B應(yīng)為多少？電視機顯像管課堂練習解答返回目錄七：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：在磁場中，載流導體或半導體上出現(xiàn)橫向電勢差的現(xiàn)

18、象1879年美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾電壓：霍爾效應(yīng)中產(chǎn)生的電勢差。上圖中導體上下兩端面出現(xiàn)電勢差 形成機制以載流子為正電荷為例說明從而 上端積累了正電荷 下端積累了負電荷洛侖茲力使載流子橫向漂移出現(xiàn)電荷積累使載流子漂移洛侖茲力大小為設(shè)載流子速度為由于電荷的積累，形成靜電場霍爾電場電荷受電力洛侖茲力與電場力平衡 載流子不再漂移上下兩端形成電勢差電勢差為霍爾系數(shù) 霍爾電阻由電流強度的定義有霍爾系數(shù)霍爾電阻霍爾效應(yīng)課堂練習題1如下圖，厚度為h，寬度為d的導體板放在與它垂直的、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，當電流通過導體板時，在導體的上側(cè)面A和下側(cè)面A之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)實驗說明，當磁場不太強時，電勢差U、電流I和磁感強度B之間的關(guān)系為 ，式中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù)霍爾效應(yīng)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(cè)，在導體板的另一側(cè)會出現(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，當靜電力與洛倫茲力到達平衡時，導體板上、下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差 設(shè)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，電荷量為e答復(fù)以下問題：1到達穩(wěn)定狀態(tài)時，導體上側(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