2022-2023學(xué)年人教版選擇性必修第二冊 第一章 4.質(zhì)譜儀與回旋加速器 學(xué)案

1、4質(zhì)譜儀與回旋加速器【課程標(biāo)準(zhǔn)】了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理?！舅仞B(yǎng)目標(biāo)】1.知道質(zhì)譜儀、回旋加速器的基本構(gòu)造、原理及用途。了解其他常見現(xiàn)代化儀器的工作原理。(物理觀念)2.會(huì)利用圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)和功能關(guān)系分析質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作過程。(科學(xué)思維)一、質(zhì)譜儀1質(zhì)譜儀構(gòu)造：主要構(gòu)件有加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和照相底片。2運(yùn)動(dòng)過程：(1)帶電粒子經(jīng)過電壓為U的加速電場加速，qU eq f(1,2) mv2。(2)垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，r。3分析：從粒子打在底片D上的位置可以測出圓周的半徑r，進(jìn)而可以算出粒子的比荷。二、回旋加速器1回旋加速器的構(gòu)造：兩個(gè)D形盒，兩D形盒接

2、交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強(qiáng)磁場中。2工作原理：(1)電場的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的電場。作用：帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。(2)磁場的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：D形盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場中。作用：帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而改變運(yùn)動(dòng)方向，半個(gè)圓周后再次進(jìn)入電場。下面一組圖像中，左圖為美國斯坦福直線加速器的高空俯視圖，右側(cè)是布魯克海文回旋加速器，比較兩組圖片，分析回旋加速器與直線加速器相比有什么優(yōu)勢。提示：占地面積小，造價(jià)低。1質(zhì)譜儀是一種根據(jù)帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)原理測量粒子比荷的儀器。在測得比荷后，結(jié)合其他儀器測得粒子電荷便可得到粒子質(zhì)量。

3、思考：我們之前的學(xué)習(xí)中是通過哪個(gè)實(shí)驗(yàn)可以測量帶電粒子的電荷量的？提示：密立根油滴實(shí)驗(yàn)。2阿斯頓發(fā)明質(zhì)譜儀后對氖原子核進(jìn)行了觀測，并進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實(shí)了同位素的存在。思考：如果氖原子核進(jìn)入質(zhì)譜儀時(shí)的速度相同，根據(jù)所學(xué)知識(shí)判斷照相底片上的哪條線是氖20，哪條線是氖22？提示：C為氖22，D為氖20。某同學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)譜儀與回旋加速器的相關(guān)內(nèi)容后，總結(jié)出以下結(jié)論：利用質(zhì)譜儀可以測量帶電粒子的電量和質(zhì)量。因不同原子的質(zhì)量不同，所以同位素在質(zhì)譜儀中的軌跡半徑不同?；匦铀倨鞯募铀匐妷涸礁?，帶電粒子獲得的最終動(dòng)能越大?；匦铀倨髦?，磁場的作用是改變粒子速度的方向，便于多次加速。你的判斷：正確的結(jié)論有

4、。任務(wù)一、質(zhì)譜儀與回旋加速器勞倫斯設(shè)計(jì)并研制出了世界上第一臺(tái)回旋加速器，為進(jìn)行人工可控核反應(yīng)提供了強(qiáng)有力的工具，大大促進(jìn)了原子核、基本粒子的實(shí)驗(yàn)研究。(1)在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的動(dòng)能來自于電場，還是磁場？提示：帶電粒子的動(dòng)能來自于電場。(2)帶電粒子從回旋加速器中出來時(shí)的最大動(dòng)能與哪些因素有關(guān)？提示：由動(dòng)能Ek eq f(q2B2R2,2m) 可知：帶電粒子的最大動(dòng)能與帶電粒子的質(zhì)量、電荷量，回旋加速器的半徑和磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。一、質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和原理1原理圖： 2加速：帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的加速電場，由動(dòng)能定理得qU eq f(1,2) mv2。3偏轉(zhuǎn)：帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的偏轉(zhuǎn)磁場做勻

5、速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力：qvB eq f(mv2,r) 。4結(jié)論：r eq f(1,B) eq r(f(2mU,q) 。測出粒子的軌跡半徑r，可算出粒子的質(zhì)量m或比荷 eq f(q,m) 。5應(yīng)用：可以測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。二、回旋加速器的結(jié)構(gòu)和原理兩個(gè)中空的半圓金屬盒D1和D2，處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場中，D1和D2間有一定的電勢差，如圖所示。1交變電壓的周期：帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T eq f(2m,qB) 與速率、半徑均無關(guān)，運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后進(jìn)入電場，為了保證帶電粒子每次經(jīng)過狹縫時(shí)都被加速，需在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓，所

6、以交變電壓的周期也與粒子的速率、半徑無關(guān)，由帶電粒子的比荷和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度決定。2帶電粒子的最終能量：由r eq f(mv,qB) 知，當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)半徑最大時(shí)，其速度也最大，若D形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動(dòng)能Ekm eq f(q2B2R2,2m) ?？梢?，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能地增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R。3粒子被加速次數(shù)的計(jì)算：粒子在回旋加速器盒中被加速的次數(shù)n eq f(Ekm,Uq) (U是加速電壓的大小)，一個(gè)周期加速兩次。4粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t1，在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t2 eq f(n,2) T eq f(nm,qB) (n

7、是粒子被加速次數(shù))，總時(shí)間為tt1t2，因?yàn)閠1t2，一般認(rèn)為在盒內(nèi)的時(shí)間近似等于t2。【典例1】如圖，從離子源產(chǎn)生的甲、乙兩種離子，由靜止經(jīng)加速電壓U加速后在紙面內(nèi)水平向右運(yùn)動(dòng)，自M點(diǎn)垂直于磁場邊界射入勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁場左邊界豎直。已知甲種離子射入磁場的速度大小為v1，并在磁場邊界的N點(diǎn)射出；乙種離子在MN的中點(diǎn)射出；MN長為l。不計(jì)重力影響和離子間的相互作用。求：(1)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。(2)甲、乙兩種離子的比荷之比?！窘馕觥?1)甲離子經(jīng)過電場加速，據(jù)動(dòng)能定理有q1U eq f(1,2) m1v eq oal(sup1(2),sdo1(1) 在磁場中偏轉(zhuǎn)，洛倫茲力

8、提供向心力，據(jù)牛頓第二定律有q1v1Bm1 eq f(v eq oal(sup1(2),sdo1(1) ,R1) 由幾何關(guān)系可得R1聯(lián)立方程解得B(2)乙離子經(jīng)過電場加速，同理有q2U eq f(1,2) m2v eq oal(sup1(2),sdo1(2) q2v2Bm2 eq f(v eq oal(sup1(2),sdo1(2) ,R2) R2聯(lián)立方程可得 eq f(q1,m1) eq f(q2,m2) 14答案：(1) (2)141關(guān)于回旋加速器在實(shí)際中的應(yīng)用，下列說法不正確的是()A電場的變化周期等于帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)周期B帶電粒子每經(jīng)過D形盒的縫隙一次就加速一次，加速后在磁場中做

9、勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期不變C.帶電粒子經(jīng)過回旋加速器加速，能量不能無限增大D帶電粒子的最大動(dòng)能僅與帶電粒子本身和D形盒半徑有關(guān)【解析】選D。由回旋加速器原理易知，電場的變化周期等于帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)周期，A正確；周期T eq f(2m,qB) 與速度無關(guān)，B正確；根據(jù)qvBm eq f(v2,r) ，知最大速度vm eq f(qBr,m) ，則最大動(dòng)能Ekm eq f(1,2) mv eq oal(sup1(2),sdo1(m) eq f(q2B2r2,2m) ，可知最大動(dòng)能與q、B、m以及D形盒的半徑r有關(guān)，獲得的能量不能無限增大，故C正確，D錯(cuò)誤。2(多選)質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析

10、同位素的重要工具。圖為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用這種質(zhì)譜儀對氫元素進(jìn)行測量。氫元素的各種同位素從容器A下方的小孔S由靜止飄入電勢差為U的加速電場，經(jīng)加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。氫的三種同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。關(guān)于三種同位素進(jìn)入磁場時(shí)速度大小的排列順序和a、b、c三條“質(zhì)譜線”的排列順序，下列判斷正確的是()A.進(jìn)入磁場時(shí)速度從大到小排列的順序是氚、氘、氕B進(jìn)入磁場時(shí)速度從大到小排列的順序是氕、氘、氚Ca、b、c三條質(zhì)譜線依次排列的順序是氕、氘、氚Da、b、c三條質(zhì)譜線依次排列的順序是氚、氘、氕【解析】選B、D。設(shè)粒子離開加速電場時(shí)的速度為v，由q

11、U eq f(1,2) mv2，可得v eq r(f(2qU,m) ，所以質(zhì)量最小的氕核的速度最大，質(zhì)量最大的氚核的速度最小，A錯(cuò)誤，B正確；打到底片上的位置與進(jìn)入磁場時(shí)的位置的距離x2R eq f(2mv,qB) eq f(2,B) eq r(f(2mU,q) ，所以質(zhì)量最大的氚核所形成的質(zhì)譜線距離進(jìn)入磁場時(shí)的位置最遠(yuǎn)，C錯(cuò)誤，D正確?！景胃哳}組】1如圖所示為一種質(zhì)譜儀的示意圖，由加速電場、靜電分析器和磁分析器組成。若靜電分析器通道中心線的半徑為R，通道內(nèi)均勻輻射電場在中心線處的電場強(qiáng)度大小為E，磁分析器有范圍足夠大的有界勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向外。一質(zhì)量為m、電荷量為

12、q的粒子從靜止開始經(jīng)加速電場加速后沿中心線通過靜電分析器，由P點(diǎn)垂直邊界進(jìn)入磁分析器，最終打到膠片上的Q點(diǎn)。不計(jì)粒子重力。求：(1)加速電場的電壓；(2)P、Q兩點(diǎn)間的距離s?！窘馕觥?1)由題意知粒子在輻射電場中做圓周運(yùn)動(dòng)，由電場力提供向心力，則qEm eq f(v2,R) 在加速電場有qU eq f(1,2) mv2解得U eq f(ER,2) 。(2)在磁分析器中，粒子所受洛倫茲力提供向心力，則由qvB eq f(mv2,r) ，得r eq f(mv,qB) 代入解得r eq f(1,B) eq r(f(mER,q) P、Q兩點(diǎn)間的距離s2r eq f(2,B) eq r(f(mER,q

13、) 答案：(1) eq f(ER,2) (2) eq f(2,B) eq r(f(mER,q) 2如圖是回旋加速器示意圖，置于真空中的兩金屬D形盒的半徑為R，盒間有一較窄的狹縫，狹縫寬度遠(yuǎn)小于D形盒的半徑，狹縫間所加交變電壓的頻率為f，電壓大小恒為U，D形盒中勻強(qiáng)磁場方向如圖所示，在左側(cè)D形盒圓心處放有粒子源S，產(chǎn)生的帶電粒子的質(zhì)量為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)的初速度為零，不計(jì)粒子重力。求：(1)D形盒中勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小。(2)粒子能獲得的最大動(dòng)能Ek。(3)粒子經(jīng)n次加速后在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑Rn?！窘馕觥?1)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期與交變電流的周期相等，則有

14、T eq f(2m,qB) eq f(1,f) 解得B eq f(2fm,q) (2)當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)的半徑達(dá)到D形盒的半徑時(shí)，速度最大，動(dòng)能也最大，則有qvBm eq f(v2,R) 則R eq f(mv,qB) 最大動(dòng)能為Ek eq f(1,2) mv2 eq f(1,2) m( eq f(qBR,m) )2 eq f(q2B2R2,2m) 22R2f2m(3)粒子經(jīng)n次加速后的速度為nqU eq f(1,2) mv eq oal(sup1(2),sdo1(n) 得vn eq r(f(2nqU,m) 半徑為Rn eq f(mvn,qB) eq f(1,2f) eq r(f(2nqU,m) 答案：

15、(1) eq f(2fm,q) (2)22R2f2m (3) eq f(1,2f) eq r(f(2nqU,m) 任務(wù)二、常見的現(xiàn)代化儀器未處理的工業(yè)廢水中通常含有大量的重金屬陰、陽離子，雖然整體不顯電性，但對環(huán)境危害極大。如圖為一常見的污水管。探究：如何在不破壞管道的前提下判斷污水管內(nèi)是否流淌著未處理的污水呢？提示：在管道所在位置添加一豎直方向的磁場(可由磁鐵提供)，測量管道水平方向是否有電壓。如果有，說明管道內(nèi)流淌著污水。1速度選擇器速度選擇器的結(jié)構(gòu)如圖所示：如果電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B為定值，當(dāng)qEqvB時(shí)，帶正電的粒子沿圖中的虛線勻速通過速度選擇器，這樣，選擇出來的速度v eq f(E

16、,B) ，如果粒子速度大于v將向上偏轉(zhuǎn)，速度小于v將向下偏轉(zhuǎn)。改變所選速度的大小可通過改變B和E的大小來實(shí)現(xiàn)。2磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理圖如圖甲所示，其平面圖如圖乙所示。設(shè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度為v，帶電荷量為q，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，極板間距離為d，極板間電壓為U，根據(jù)FBFE，有qvBqE eq f(qU,d) ，得UBdv。3電磁流量計(jì)如圖甲、乙所示是電磁流量計(jì)的示意圖。設(shè)圓管的直徑為D，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，a、b兩點(diǎn)間的電勢差是由于導(dǎo)電液體中電荷受到洛倫茲力作用在管壁的上、下兩側(cè)堆積電荷產(chǎn)生的。到一定程度后，a、b兩點(diǎn)間的電勢差達(dá)到穩(wěn)定值U，上、下兩側(cè)堆積的電荷不再增多，此時(shí)，洛倫茲

17、力和電場力平衡，有qvBqE，E eq f(U,D) ，所以v eq f(U,DB) ，又圓管的橫截面積S eq f(1,4) D2，故流量QSv eq f(UD,4B) 。4霍爾元件：(1)霍爾效應(yīng)：1879年美國物理學(xué)家E.H.霍爾觀察到，在勻強(qiáng)磁場中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體如圖所示，當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差。這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓。(2)電勢高低的判斷：如圖，導(dǎo)體中的電流I向右時(shí)，如果是正電荷導(dǎo)電，根據(jù)左手定則可得，上表面A的電勢高，如果導(dǎo)體中是負(fù)電荷導(dǎo)電，根據(jù)左手定則可得下表面A的電勢高。(3)

18、霍爾電壓的計(jì)算：導(dǎo)體中的自由電荷在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，A、A間出現(xiàn)電勢差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時(shí)，A、A間的電勢差(U)就保持穩(wěn)定，設(shè)導(dǎo)體中單位體積中的自由電荷數(shù)為n，由qvBq eq f(U,h) ，InqvS，Shd，聯(lián)立得U eq f(BI,nqd) k eq f(BI,d) ，k eq f(1,nq) 稱為霍爾系數(shù)?！镜淅?】如圖所示裝置為速度選擇器，平行金屬板間有相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，電場方向豎直向上，磁場方向垂直紙面向外，帶電粒子均以垂直電場和磁場的速度射入且都能從另一側(cè)射出，不計(jì)粒子重力，以下說法正確的有()A.若帶正電粒子以速度v從O點(diǎn)射入能沿直線OO射出

19、，則帶負(fù)電粒子以速度v從O點(diǎn)射入能沿直線OO射出B若帶正電粒子以速度v從O點(diǎn)射入，離開時(shí)動(dòng)能增加，則帶負(fù)電粒子以速度v從O點(diǎn)射入，離開時(shí)動(dòng)能減少C若氘核( eq oal(sup1(2),sdo1(1) H)和氦核( eq oal(sup1(4),sdo1(2) He)以相同速度從O點(diǎn)射入，則一定能以相同的速度從同一位置射出D若氘核( eq oal(sup1(2),sdo1(1) H)和氦核( eq oal(sup1(4),sdo1(2) He)以相同動(dòng)能從O點(diǎn)射入，則一定能以相同的動(dòng)能從不同位置射出【解析】選C。帶負(fù)電粒子以速度v從O點(diǎn)射入，靜電力和洛倫茲力都向下，不可能做直線運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；若

20、帶正電粒子以速度v從O點(diǎn)射入，離開時(shí)動(dòng)能增加，靜電力做正功，則靜電力大于洛倫茲力，將帶負(fù)電粒子以速度v從O點(diǎn)射入，仍然是靜電力大于洛倫茲力，則離開時(shí)動(dòng)能增大，B錯(cuò)誤；粒子剛進(jìn)入疊加場區(qū)，由牛頓第二定律得a eq f(（EBv）q,m) ，兩粒子的 eq f(q,m) 相同，則粒子的加速度相同，運(yùn)動(dòng)情況完全相同，射出時(shí)速度相同但動(dòng)能不同，故C正確，D錯(cuò)誤。1(多選)如圖所示，平行板電容器的兩板與電源相連，板間同時(shí)有電場和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場B，一個(gè)帶電荷量為q的粒子以v0為初速度從兩板中間沿垂直電磁場方向進(jìn)入，穿出時(shí)粒子的動(dòng)能減小了，若想使這個(gè)帶電粒子以v0沿原方向勻速直線運(yùn)動(dòng)穿過電磁場，可采

21、用的辦法是()A.減小平行板間的正對面積B增大電源電壓C減小磁感應(yīng)強(qiáng)度BD增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B【解析】選B、C。由題意知，洛倫茲力大于電場力，減小平行板間的正對面積，U不變，d不變，則電場強(qiáng)度不變，電場力不變，仍然小于洛倫茲力，不能勻速穿過電磁場，A錯(cuò)誤；增大電源電壓，則電場強(qiáng)度增大，電場力變大，能夠與洛倫茲力相等，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，B正確；減小磁感應(yīng)強(qiáng)度，則洛倫茲力減小，能夠與電場力平衡，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，C正確；增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，則洛倫茲力增大，仍然大于電場力，不能勻速穿過電磁場，D錯(cuò)誤。2在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，做成了一個(gè)霍爾元件。在E、F間通入恒定電流I，同時(shí)外

22、加與薄片垂直的磁場B，M、N兩電極間的電壓為UH。已知半導(dǎo)體薄片中的載流子為正電荷，電流與磁場的方向如圖所示，下列說法正確的有()A.N極電勢低于M極電勢B將磁場方向變?yōu)榕c薄片的上、下表面平行，UH不變C磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，M、N兩電極間電勢差越大D將磁場和電流同時(shí)反向，N極電勢低于M極電勢【解析】選C。根據(jù)左手定則，正電荷所受的洛倫茲力向左，正電荷向N極移動(dòng)，N極帶正電，N極電勢高于M極電勢，A錯(cuò)誤；穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)平衡條件有：qvBq eq f(UH,d) ，得UHBdv，將磁場方向變?yōu)榕c薄片的上、下表面平行時(shí)，d由霍爾元件的寬度變成厚度，d增大，故UH變小，B錯(cuò)誤；由UHBdv可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度越

23、大，M、N兩電極間電勢差越大，C正確；將磁場和電流同時(shí)反向，正電荷所受的洛倫茲力方向不變，正電荷仍然向N極移動(dòng)，N極電勢仍高于M極電勢，D錯(cuò)誤。【拔高題組】1(多選)如圖所示，兩虛線之間的空間內(nèi)存在著正交或平行的勻強(qiáng)電場E和勻強(qiáng)磁場B，有一個(gè)帶正電的小球(電荷量為q、質(zhì)量為m)從電磁復(fù)合場上方的某一高度處自由落下，那么，帶電小球可能沿直線通過的電磁復(fù)合場是()【解析】選C、D。A中，小球受重力、向左的電場力、向右的洛倫茲力，下降過程中速度一定變大，故洛倫茲力一定增大，不可能一直與電場力平衡，故合力不可能一直向下，故一定做曲線運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；B中，小球受重力、向上的電場力、垂直紙面向外的洛倫茲力，

24、合力與速度一定不共線，故一定做曲線運(yùn)動(dòng)，B錯(cuò)誤；C中，小球受重力、向左上方的電場力、水平向右的洛倫茲力，若三力平衡，則粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，C正確；D中，粒子受向下的重力和向上的電場力，沒有洛倫茲力，則合力一定與速度共線，故粒子一定做直線運(yùn)動(dòng)，D正確。2(多選)(2021佛山高二檢測)半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)電的粒子“載流子”有兩種：自由電子和空穴(空穴可視為能自由移動(dòng)帶正電的粒子)，以自由電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體，以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。圖為檢驗(yàn)半導(dǎo)體材料的類型和對材料性能進(jìn)行測試的原理圖，圖中一塊長為a、寬為b、厚為c的半導(dǎo)體樣品板放在沿y軸正方向的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。當(dāng)有

25、大小為I、沿x軸正方向的恒定電流通過樣品板時(shí)，會(huì)在與z軸垂直的兩個(gè)側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電熱差UH，霍爾電勢差大小滿足關(guān)系UHk eq f(IB,c) ，其中k為材料的霍爾系數(shù)。若每個(gè)載流子所帶電量的絕對值為e，下列說法中正確的是()A.如果上表面電勢高，則該半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體B如果上表面電勢高，則該半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體C霍爾系數(shù)較大的材料，其內(nèi)部單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目較多D樣品板在單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目為 eq f(IB,ceUH) 【解析】選A、D。如果半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體，則能自由移動(dòng)的是帶正電的粒子，由左手定則可以判斷出粒子偏向上表面，故上表面電勢高，A正確；如果半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體，則能

26、自由移動(dòng)的是電子，由左手定則可以判斷出電子偏向上表面，故上表面電勢低，B錯(cuò)誤；待電流穩(wěn)定后，粒子在電場力與洛倫茲力的作用下處于平衡狀態(tài)，故存在 eq f(UH,b) qBqv，而電流的大小又可以表示為：IneSvnebcv，二式整理得：BIUHnec，又因?yàn)閁Hk eq f(IB,c) ，故k eq f(1,ne) ，所以霍爾系數(shù)k較大的材料，其內(nèi)部單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目較少，C錯(cuò)誤；由上式還可以推出n eq f(IB,ceUH) ，D正確?！就卣估}】考查內(nèi)容：回旋加速器的改進(jìn)【典例】如圖為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場場強(qiáng)大小恒定，且被限制在AC板間，虛線中間不需加電場

27、，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場(圖中未畫出)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說法正確的是()A帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速兩次B帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周P1P2P2P3C加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸有關(guān)D加速電場方向需要做周期性的變化【解析】選C。帶電粒子只有經(jīng)過AC板間時(shí)被加速，即帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速一次。電場的方向沒有改變，故A、D錯(cuò)誤；根據(jù)r eq f(mv,qB) 得，P1P22(r2r1) eq f(2mv,qB) ，因?yàn)槊哭D(zhuǎn)一圈被加速一次，根據(jù)v eq oal(sup1(2),sdo1(2) v eq oal(sup1(2),sdo1(1) 2ad，知每轉(zhuǎn)一圈，速度的變化量不等，且v3v2v2v1，則P1P2P2P3，故B錯(cuò)誤；當(dāng)粒子從D形盒中出來時(shí)，速度最大，根據(jù)r eq f(mv,qB) 得，v eq f(qBr,m) ，知加速粒子的最大速度與D形盒的半徑有關(guān)，故C正確。【情境創(chuàng)新題】【例1】(2021河北選擇考)如圖，距離為d的兩平行金屬板P、Q之間有一勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，一束速度大小為v的等離子體垂直于磁場噴入板間。相距為L的兩光滑平行金屬導(dǎo)軌固定在與導(dǎo)軌平面垂直的勻強(qiáng)磁場中，磁