霍爾效應(yīng)教案設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯—6—霍爾效應(yīng)教案設(shè)計(jì)教學(xué)目的：

1.使學(xué)生理解掌管霍爾效應(yīng)的內(nèi)容；

2.通過霍爾效應(yīng)的教學(xué)過程，使學(xué)生初步了解科學(xué)研究的方法；

3.嘗試將教學(xué)過程變成師生互動(dòng)，共同探索，再現(xiàn)科學(xué)研究的過程；

4.介紹創(chuàng)新思維的重要方法之一：批判性思維方法。

教學(xué)過程：

一、引入問題

前面我們議論了帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受力的處境。那么，在通電導(dǎo)體上同時(shí)加上磁場(chǎng)時(shí)將發(fā)生怎樣的處境？

如下圖，將一塊長(zhǎng)為a寬為b、厚為d的載流導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，由于洛侖茲力的作用，會(huì)在與磁場(chǎng)和電流二者垂直的方向上展現(xiàn)橫向電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就叫做霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差叫做霍爾電壓。假設(shè)撤去磁場(chǎng)，那么霍爾電壓也就隨之消散。接下來(lái)的問題是，霍爾效應(yīng)有那些規(guī)律？下面我們從理論上舉行分析。

二、霍爾效應(yīng)

設(shè)導(dǎo)體薄片中的電流是由自由電子定向移動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)薄片中通以電流I時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)的方向與電流的方向相反。假設(shè)在電流方向的垂直方向上加以磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)后，薄片中運(yùn)動(dòng)的電子e將受到洛侖茲力的作用。設(shè)電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速度為v，那么洛侖茲力f的大小為f=eBv，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?。因此，在里?cè)外觀上積累有負(fù)電荷，外側(cè)外觀上積累有正電荷。隨著電荷的積累，在兩側(cè)外觀之間展現(xiàn)了電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，使電子e受到一個(gè)與洛侖茲力方向相反的電場(chǎng)力Fe的作用。電荷在側(cè)面上不斷積累，電場(chǎng)力也不斷增大。當(dāng)電場(chǎng)力增大到正好等于洛侖茲力時(shí)，就達(dá)成了動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)薄片兩側(cè)面積累的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)叫做霍爾電場(chǎng)，用EH表示；兩側(cè)面間的霍爾電壓用UH表示?；魻栯妶?chǎng)對(duì)電子的作用力的大小為：Fe=eEH，它與洛侖茲力在數(shù)值上相等，即eEH=eBv,于是有EH=Bv。由于霍爾電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)，所以EH=UH/b，那么上式可寫為

上式給出了霍爾電壓UH、磁場(chǎng)感強(qiáng)度B以及電子運(yùn)動(dòng)速度v之間的關(guān)系，但實(shí)際上易于測(cè)量的是電流I，而不是電子運(yùn)動(dòng)速度v，因此有必要對(duì)上式舉行變換。設(shè)導(dǎo)體內(nèi)單位體積內(nèi)電荷數(shù)為n（電荷密度），電子電量為e，定向運(yùn)動(dòng)的平均速度為v，那么導(dǎo)體中的電流

I=nebdv

v=I/(nebd)代入上式UH=Bbv=BbI/(ned)=BI/(ned)

由此可見，UH與I、B成正比，與n、d、e成反比，而與b無(wú)關(guān)。

上述的研究成果是在1897年由美國(guó)年輕的物理學(xué)家霍爾完成的，是霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力處境察覺的，并做了理論上的研究。

三、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用

1.磁流體發(fā)電機(jī)

目前世界上正在研制一種把氣體內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電機(jī)——磁流體發(fā)電機(jī)。利用石油、煤等燃燒將氣體加熱到2500Ｋ以上，使其成為一種高度電離的氣體——等離子體（內(nèi)含大量的帶正電和帶負(fù)電的離子，但從整體來(lái)說(shuō)呈中性,是物質(zhì)四態(tài)之一），然后讓它高速地垂直入射兩金屬板之間的與兩金屬板平行的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，最終兩金屬板之間會(huì)產(chǎn)生一穩(wěn)定的電壓。上述裝置就是磁流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子體發(fā)電機(jī)。請(qǐng)同學(xué)們用霍爾效應(yīng)從理論上說(shuō)明磁流體發(fā)電機(jī)的工作原理，寫一篇科技小論文。

2.電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體（如鹽水）在管中的流量（在單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積）。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如圖A所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空片面的長(zhǎng)、寬、高為圖中的a、b、c，流量計(jì)的兩端與輸送液體的管道相接（如圖虛線）。圖中流量計(jì)的上、下兩外觀是金屬材料,前后兩面是絕緣材料,現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)的方向垂直于前后兩面.當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí),在管外流量計(jì)上、下兩外觀分別與一串接了電阻R的電流計(jì)的兩端連接,I表示測(cè)得的電流值,已知液體的電阻率為ρ,不計(jì)電流表的內(nèi)阻,那么可求得流量為:

A.I(bR+ρc/a)/BB.I(aR+ρb/c)/B

C.I(cR+ρa(bǔ)/b)/BD.I(R+ρbc/a)/B

分析思路:

首先將題給出的圖(A)轉(zhuǎn)化為原理圖(B)。由原理圖(B)可明顯看出是霍爾效應(yīng)。

∵UH/b=vB

∴UH=vBb

此題中的UH=vBc,在圖(B)中,UH可視為閉合電路的電源電動(dòng)勢(shì)

UH=ε=I(R+r)=I(R+ρc/ab)=I(Rb+ρc/a)/b

即I(Rb+ρc/a)/b=vBc

I(Rb+ρc/a)=vBcb

即流量A=I(Rb+ρc/a)/B

選A項(xiàng)。

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用很廣泛,如磁強(qiáng)計(jì)、瓦特計(jì)、模擬乘法器、磁羅盤等。

四、霍爾效應(yīng)的研究進(jìn)展

1.二十世紀(jì)50年頭起，大量半導(dǎo)體材料的展現(xiàn)為霍爾效應(yīng)的進(jìn)一步研究產(chǎn)生了革命性的跨躍。

請(qǐng)同學(xué)們斟酌一下：假設(shè)將霍爾測(cè)驗(yàn)中的金屬導(dǎo)體換成半導(dǎo)體，將會(huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生？

霍爾效應(yīng)公式：UH=BI/(nqd)

當(dāng)B、I、q確定時(shí)，UH與n、d成反比。

［引導(dǎo)分析］

半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體、絕緣體的識(shí)別是什么？

將半導(dǎo)體材料制成極薄的半導(dǎo)體芯片，會(huì)展現(xiàn)什么現(xiàn)象？

2.1980年，德國(guó)物理學(xué)家克利青在極低的溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，利用半導(dǎo)體硅做霍爾測(cè)驗(yàn)，察覺霍爾電壓與磁感強(qiáng)度不再是簡(jiǎn)樸的正比關(guān)系了，而是展現(xiàn)了臺(tái)階式的躍升，這被稱為量子數(shù)霍爾效應(yīng)。為此，克利青獲1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

3.1992年，崔琦和旋特默利用砷化鎵和鋁化鎵舉行霍爾測(cè)驗(yàn)。他們把兩種晶片壓在一起，然后放在僅比十足零度高0.1度的超低溫環(huán)境中，再加上相當(dāng)于地磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度100萬(wàn)倍的強(qiáng)磁場(chǎng)，結(jié)果察覺聚在兩種晶片交界處的大量電子展現(xiàn)了超滾動(dòng)性，并且有分?jǐn)?shù)電荷展現(xiàn)。為此，崔琦與旋特默一起獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4.霍爾效應(yīng)研究進(jìn)展的斟酌：

［引導(dǎo)分析］

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