磁場與現(xiàn)代科技應(yīng)用

泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案第三章磁場與現(xiàn)代科技應(yīng)用課前自主學(xué)習(xí)〔學(xué)案〕課前自主學(xué)習(xí)〔學(xué)案〕5、6P104至P107。二、結(jié)合復(fù)習(xí)的內(nèi)容思考如下問題：1、質(zhì)普儀、速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、盤旋的構(gòu)造、原理以及主要用途是什么？2擇的目的？3、霍爾元件為什么會產(chǎn)生電勢差？哪個側(cè)面電勢差較高？4、盤旋與直線的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？三、自主解答幾道題目1、右圖為云室中某粒子穿過鉛板P前后的軌跡，室中勻強(qiáng)磁場的方向與軌跡所在平面垂直〔圖中垂直于低面對里〕，由此可知此粒子〔A 〕A.肯定帶正電B.肯定帶負(fù)電C.不帶電D.可能帶正電，也可能帶負(fù)電2、以下圖是測量帶電粒子質(zhì)量的儀器工作原理示意圖。設(shè)法是某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖中所示的容器As1

U的加速電場區(qū)〔初速不計(jì)ss射入磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，2 3方向垂直于磁場區(qū)的界面PQ。最終，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫s3

的細(xì)線。假設(shè)測得細(xì)線到狹縫s的3距離為d，導(dǎo)出分子離子的質(zhì)量m的表達(dá)式。答案：以m、q表示離子的質(zhì)量電量，以v表示離子從狹縫s2射出時的速度，由功能關(guān)系可得1mv2qU ①2射入磁場后，在洛侖茲力作用下做圓周運(yùn)動，由牛頓定律可得2qvBmv ②2RR為圓的半徑。感光片上的細(xì)黑線到s3

縫的距離d＝2R ③解得mqB2d2 ④m8U3、如下圖，一圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，導(dǎo)管內(nèi)有導(dǎo)電的液體流淌，Ba、b兩點(diǎn)間的電勢差為U,則管中液體的流量為多大？adb解析：導(dǎo)管液體最終處于平衡狀態(tài)，即 dbqUqvB得vUd Bdd所以Q( )2vd

d2U dU2 4 Bd 4B課堂主體參與〔教案〕【學(xué)習(xí)目標(biāo)】課堂主體參與〔教案〕1、把握速度選擇器的工作原理和計(jì)算方法。2、把握質(zhì)譜儀的工作原理及其應(yīng)用。3、知道磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理。4、知道盤旋的根本構(gòu)造和加速原理。【重點(diǎn)、難點(diǎn)】1、本節(jié)重點(diǎn)：速度選擇器、質(zhì)譜儀、磁流體發(fā)電機(jī)、盤旋的應(yīng)用。2、本節(jié)難點(diǎn)：盤旋的加速原理及其應(yīng)用?！緦W(xué)習(xí)內(nèi)容】一、課前自主學(xué)習(xí)檢查1、月球探測器在爭論月球磁場分布時覺察，月球上的磁場極其微弱。探測器通過測量運(yùn)動電子在月球磁場中的軌跡來推算磁場強(qiáng)弱的分布：以下圖是探測器在月球上A、B、C、D四個向均與磁場方向垂直。則由照片可推斷這四個位置中磁場最強(qiáng)的是(A)AABCD2αE和α粒1子的運(yùn)動E之比E:E等于〔B 〕.2 1 2A.4:1B.1:2C.1:2D.2:1aI3用，則〔A〕aI板左側(cè)聚攏較多電子，使b點(diǎn)電勢高于a點(diǎn)電勢板左側(cè)聚攏較多電子，使a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢 b板右側(cè)聚攏較多電子，使a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢D.板右側(cè)聚攏較多電子，使b點(diǎn)電勢高于a點(diǎn)電勢二、構(gòu)建學(xué)問框架、剖析典型概念+1、速度選擇器+如圖1速率不同的正離子組成的離子束射入相互正交的勻強(qiáng)電場 f洛-和勻強(qiáng)磁場所組成的場區(qū)中，電場強(qiáng)度大小為E,方向 f電-B,方向垂直紙面對里，假設(shè)離子泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案vE vE運(yùn)動軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，必需滿足平衡條件：qvBqE,故電粒子從速度選擇器中選擇出來v

B,這樣就把滿足 B的帶EB選擇器，而與粒子的電性、電量、質(zhì)量無關(guān)〔不計(jì)重力〕M2、質(zhì)譜儀M+質(zhì)譜儀的構(gòu)造如圖3所示，質(zhì)譜儀由速度選擇器和MN板右 v S SB側(cè)的偏轉(zhuǎn)分別磁場兩局部組成圖示質(zhì)譜儀先對離子束進(jìn)展速 B度選擇后，一樣速率的不同離子在右側(cè)的偏轉(zhuǎn)磁場B中做勻 mg -MN板的不同位置，由此測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。 N3、盤旋05A0

0處帶正電的粒子源發(fā)出帶正電的粒子以速度v0

垂直進(jìn)入勻A AA1111

時在1 1處造成向上的電場粒子被加速，0速率由0

v增加到

v，然后粒子以

v在磁場中勻速轉(zhuǎn)動半個周期，到達(dá)

A AA時，在2 2處造1成向下的電場，粒子又一次被加速，速率由1

vv2，如AA此連續(xù)下去，每當(dāng)粒子經(jīng)過 的交界面時都是被加速，從2ｍT qB AA為 ，為到達(dá)不斷加速的目的，要在 上加上周期T也為T的交變電壓。即電4、磁流體發(fā)電機(jī)

T

qBA、BA、B平行金屬板的面積為S，相距l(xiāng)，等離子體的電阻率為，噴入氣體速度為v，板間磁場的磁B，板外電阻為R，當(dāng)?shù)入x子氣體勻速通過A、BA、B板上聚攏的電qE qvB荷最多，板間電勢差最大，即為電源電動勢，此時離子受力平衡：電EBlv

E vB，電 ，I E

Blv

BlvS電源內(nèi)電阻

r

lSR的電流

Rr Rl RSlS5、電磁流量計(jì)add，用非磁dv的自由電荷〔正負(fù)離子〕在洛侖茲力作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、bb〔流量即單位時間內(nèi)流過管道某一截面的體積。6、磁強(qiáng)計(jì)xy強(qiáng)度。三、自主爭論例題1P的電勢高于P的電勢1 2 s1勻強(qiáng)磁場中磁感應(yīng)強(qiáng)度B,勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E和被選p pvE 1 2擇的速度v的大小應(yīng)滿足 Bs2s2出來的只能是正電荷，不能為負(fù)電荷BE的方向都轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉硐喾捶较?，選擇器同樣正常工作解析：在重力不計(jì)的條件下，帶電粒子所受的電場力和洛倫磁力應(yīng)大小相等、方向相反qvBqEvE得 B假設(shè)電荷為正電荷，洛倫磁力方向水平向右，則電場力方向應(yīng)水平向左，UP1＜UP2.假設(shè)電荷電勢應(yīng)有UP1＜UP2.工作。正確選項(xiàng)為BD+-2、如下圖，一束質(zhì)量、速度和電量不同的正離子垂直地射入勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場正交的論〔〕+-它們的動能肯定各不一樣它們的電量肯定各不一樣它們的質(zhì)量肯定各不一樣它們的電量與質(zhì)量之比肯定各不一樣解析：從第一個磁場進(jìn)入后一磁場的帶電粒子肯定滿足vEqEqvB,即 B

RmvqB,由于v、BRm不同，所以q的比值不同。選Dv3、一個盤旋，當(dāng)外加電場的頻率肯定時，可以把質(zhì)子的速率加速到

，質(zhì)子所能獲E，則：這一盤旋能把粒子加速到多大的速度？這一盤旋能把粒子加速到多大的能量？這一盤旋加速粒子的磁感應(yīng)強(qiáng)度跟加速質(zhì)子的磁感應(yīng)強(qiáng)度之比為？〕

qvBmv2nn rnn得

qBrv nn m ……①由周期公式

T T電

ｍqB 得知，在外加電場的頻率肯定時，qB為定值，結(jié)合①式得v v 。泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案泰州試驗(yàn)中學(xué)高三物理教學(xué)案1 q2B2r2 mr2 qB ｍE mv2 E

n

( )2〔2〕依據(jù)動能公式kn 2

n有kn

2m 2 m 及qB為定 值得，在題設(shè)條件下，粒子最終獲得動能與粒子質(zhì)量成正比。所以4E。

B mqT T電〔３〕由周期公式

H2:1得。qB B mq得。H H 4、早在19世紀(jì)法拉第就曾設(shè)想，利用磁場使海流發(fā)電，由于海水中含有大量的帶電離子，可能發(fā)出電來。目前，日本的一些科學(xué)家將打算利用海流建筑一座容量為1500KW的磁流體發(fā)電機(jī)。如下圖為一磁流體發(fā)電機(jī)的原理示意圖，上、下兩塊金屬板M、N水平放置浸沒在海水里，金屬板面積均為S1103m2，板間相距d100m，海水的電阻率0.25m。B0.1T ，方向由南向北，海水從東向西以速度v5m/s流過兩金屬板之間，將在兩板之間形成電勢差?！玻薄车竭_(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時，哪塊金屬板的電勢較高？由金屬板和海水流淌所構(gòu)成的電源的電動勢E及其內(nèi)電阻r各為多少？假設(shè)用此發(fā)電裝置給一電阻為20的航標(biāo)燈供電，則在8h內(nèi)航標(biāo)燈所消耗的電能為多少？1〕由左手定則得：N板電勢較高．Ff EqqvB與洛倫茲力相平衡時到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)即：d代入有關(guān)數(shù)據(jù)得電動勢E50Vr內(nèi)阻

dr0.025s電路中的電流由公式WI2Rt

EIRrW3.6106J可求的得消耗的電能為5、磁強(qiáng)計(jì)的原理如下圖。電路中有一段金屬導(dǎo)體，它的橫截面為邊長等于a的正方形，xyI單位體積中的自由電子數(shù)為n，電子電量為e，金屬導(dǎo)體導(dǎo)電過程中，自由電子所做的定向移動可以認(rèn)為是勻速運(yùn)動，測出導(dǎo)體上下兩側(cè)面間的電勢差為U。求：導(dǎo)體上、下側(cè)面哪個電勢較高？磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大？〔1〕偏移，下外表帶負(fù)電荷，上外表帶正電荷，所以上側(cè)電勢高?！?〕由于電子做勻速運(yùn)動，所以eUBev即aIneSvnea2vBneaU解得 I四、小組爭論質(zhì)疑五、師生合作研討六、總結(jié)提升把握電磁場在實(shí)際中的應(yīng)用，必需了解各應(yīng)用的構(gòu)造、原理以及主要用途是什么。在具體解題中運(yùn)用電磁復(fù)合場的相關(guān)學(xué)問解題?！井?dāng)堂訓(xùn)練】1、如圖是某離子速度選擇器的原理示意圖，在一半徑為R＝10cmB＝104T孔．離子束以不同角度入射，最終有不同速度的離子束射出．現(xiàn)有一離子源放射荷質(zhì)比為 ＝2×1011C/kg的陽離子且離子束中速度分布連續(xù)．當(dāng)角 ＝45°，出射離子速度v的大小是〔〕A、C、2

106m/s B、2222108m/s D、4222

106m/s2106m/s2答案：B2、質(zhì)譜儀是一種測帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，現(xiàn)有一質(zhì)譜儀，粒子源產(chǎn)生出質(zhì)量為m入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B半徑為RU，如下圖。求證：粒qm

2Utan22。B2R2證明：如下圖，離子從粒子源出來后在加速電場中運(yùn)動2Uq2UqmqU2mv2得v離子以此速度垂直進(jìn)入磁場運(yùn)動,由洛侖茲力供給向心力

mv2r

,所以r

Rtan2qm

2Utan22。B2R23、串列是用來生產(chǎn)高能高子的裝置。以下圖中虛線框內(nèi)為其主體的原理示意圖b處有很高的正電勢U，a，c〔電勢為零。現(xiàn)將速度很低的負(fù)一價同位素碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)b處時，可被設(shè)在b裝置將其電子剝離，成為nn價碳離子從cB之比。

求這兩種同位素的質(zhì)量1解析：由a到b由運(yùn)動定理得eU mv2，2 11 12，則有mv222

mv2neU2 1進(jìn)入磁場后，碳離子做圓周運(yùn)動，有

nev2

Bmv2ReR2B2n2 m R2由以上三式得m

，所以

1 1 ?！静贾米鳂I(yè)】1、自我檢測2、自由進(jìn)展【課后反思】

n1

m R22 2課后自我檢測〔學(xué)案〕1、如下圖虛線所圍的區(qū)域內(nèi)(為真空環(huán)境),存在電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場和磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場.從左方水平射入的電子,穿過這區(qū)域時未發(fā)生偏轉(zhuǎn).設(shè)重力可無視,則在這區(qū)域中的EB〔ABC〕課后自我檢測〔學(xué)案〕A、EBB、EBC、E,BD、E,B2、盤旋是用來加速帶電粒子的裝置，如下圖.它的核心局部是兩個D形金屬盒，兩盒相距很近，分別和高頻溝通電源相連接，兩盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場，使帶電粒子每次通過窄縫都得到加速。兩盒放在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于盒底面，帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動，通過兩盒間的窄縫時反復(fù)被加速，直到到達(dá)最大圓周半徑時通過特別裝置被引出。假設(shè)用同一盤旋分別加速氚核〔3H〕和α粒子〔4He〕比較它

E,BB~1 2們所加的高頻溝通電源的周期和獲得的最大動能的大小，有〔B〕A.加速氚核的溝通電源的周期較大，氚核獲得的最大動能也較大B.加速氚核的溝通電源的周期較大，氚核獲得的最大動能較小C.加速氚核的溝通電源的周期較小，氚核獲得的最大動能也較小D.加速氚核的溝通電源的周期較小，氚核獲得的最大動能較大3、磁流體發(fā)電是一項(xiàng)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、BB，將一束等離子體〔即〕垂直于B的方向噴入磁場，每個離子的速度v，電荷量大小為q，A、B兩板間距為d，穩(wěn)定時以下說法中正確的選項(xiàng)是〔BC〕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BvdD．電源的電動勢為Bvq4電液體時，由于不允許傳動的機(jī)械局部與這些液體相接觸，常使當(dāng)電流穿過導(dǎo)電液體時，這種液體即被驅(qū)動，問：這種電磁泵的原理是怎樣的?假設(shè)導(dǎo)管內(nèi)截面積為×h，磁場的寬度為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B〔看成勻強(qiáng)磁場I，如下圖，求驅(qū)動力造成的壓強(qiáng)差為多少?1〕工作原理：電流在磁場中受安培力F IhB IB〔2〕F安

＝I〃h〃B P安 wh wh w5、電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電子束經(jīng)過電壓為U的加速電場后，進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)。磁場方向垂直于圓面。磁場區(qū)的中心為O，半徑為r。當(dāng)不加磁場時，電子束將通過O點(diǎn)而打到屏幕的中心M點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕邊緣P，B應(yīng)為多少？解析：電子在磁場中沿圓弧運(yùn)動，如下圖，圓心為O′，Rv表示電子進(jìn)入磁場時的速度，m、e分別表示電子的質(zhì)量和電量，則1 2

mv2

tgreU 2mv

evB

R 2 R由以上各式解得 B

1 2mU tgr e 26、由中國供給永磁體的阿爾法磁譜儀原理圖如下圖，它曾由航天飛機(jī)攜帶升空，將來安裝在阿爾法國際航空站中，主要使命之一是探究宇宙中的反物質(zhì)。反物質(zhì)由反粒子組成，反粒子的質(zhì)量與正粒子一樣，帶電量與正粒子相等但電性符號相反，例如反質(zhì)子是

1H。假設(shè)使一束質(zhì)子、反1質(zhì)子、粒子、反粒子組成的射線，通過OO進(jìn)入勻強(qiáng)磁場B42條徑跡，如下圖，則反粒子的徑跡為〔B〕MBMBdaEIbFN7、1879年美國物理學(xué)家E.H.霍爾觀看到，在勻強(qiáng)磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上會消滅電勢差，這個現(xiàn)13象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件，霍爾元件可以制成多種傳感器。134個電極E、F、M、Nabd，垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，設(shè)電流I是由電子的定向流淌形成的，電子的平均定向移動速度為v，導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，電子電量為e，則到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時：簡要分析霍爾元件形成霍爾電壓的緣由并比較M、N兩個極的電勢凹凸；求出霍爾電壓UB、I的關(guān)系，并爭論怎樣轉(zhuǎn)變霍爾元件的長、寬、厚才能有效提高霍爾電壓。解：(1)當(dāng)在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與導(dǎo)體板垂直的勻強(qiáng)磁場B，導(dǎo)體中的電子就在洛倫茲力的作用下向上極板偏轉(zhuǎn)，使M、N間產(chǎn)生霍爾電壓U。 N極電勢高。(2)當(dāng)導(dǎo)體中的電子到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時f Ee即eBvUe洛 bInesvnebdv∴U IBned減小霍爾元件的厚度d，可以有效提高霍爾電壓(U的大小與a、b無關(guān))。課后自由進(jìn)展〔學(xué)案〕1d的兩平行金屬板水平放置，開頭開關(guān)S合上使平行板電容器帶電．板間存在垂直紙面對里的勻強(qiáng)磁v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(xiàng)是〔A〕課后自由進(jìn)展〔學(xué)案〕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2、某制藥廠的污水處理站的管道中安裝了如下圖的流量計(jì)，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(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，在前后兩個面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，當(dāng)含有大量正負(fù)離子〔其重力不計(jì)〕的污水布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〔單位時間內(nèi)流出的污水體積．則以下說法正確的選項(xiàng)是〔 AC〕AB．假設(shè)污水中正負(fù)離子數(shù)一樣，則前后外表的電勢差為零C．流量Q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3子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)過加速電場加速后射出P如下圖。假設(shè)圓形區(qū)域中不加磁場，電子始終打到熒光屏上的中心O點(diǎn)的動能為E；在圓電子槍N電子槍OBNON=h，PO=Le，質(zhì)量為m.求：⑴電子打到熒光屏上的N點(diǎn)時的動能是多少？說明理由.⑵電子在電子槍中加速的加速電壓是多少？⑶電子在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑R是多少？⑷試推導(dǎo)圓形區(qū)域的半徑rRh、L的關(guān)系式.答案：⑴E⑵E/eR

⑷h 2Rr2mEeB Lr 2mE2

r24、電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測量可導(dǎo)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(jì)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(jì)的兩端與輸送液體的管道相連接〔圖中虛線。圖中流量計(jì)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(jì)所在處加磁感強(qiáng)度為B計(jì)時，在管外將流量計(jì)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ρ，〔A〕A.I(bR

c)

I(aRb)B a B cI(cRa) D.I(Rbc)B b B a5、磁譜儀是測量α能譜的重要儀器。磁譜儀的工作原理如下圖，放射源S發(fā)出質(zhì)量為m、電量為q的α粒子沿垂直磁場方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為BQ限制在2φ的小角度內(nèi)，α粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后打到與束光欄平行的感光片P〔重力影響不計(jì)〕⑴假設(shè)能量在E～E＋ΔE〔ΔE＞0，且E E〕范圍內(nèi)的α粒子均垂直于限束光欄的方向進(jìn)入磁場。試求這些α粒子打在膠片上的范圍Δx。1⑵實(shí)際上，限束光欄有肯定的寬度，α2φ