湖北省咸宁市鄂南高级中学高二物理 优质预习全案 电磁场在科学技术中的应用（A班）新人教版.doc

湖北省咸宁市鄂南高级中学高二物理 优质预习全案 电磁场在科学技术中的应用（a班）新人教版达到预定的目的。例如：密立根实验电场力与重力实验速度选择器电场力与洛伦兹力的平衡直线加速器电场的加速质谱仪磁场偏转示波管电场的加速和偏转回旋加速器电场加速、磁场偏转电流表安培力矩电视机显像管电场加速、磁场偏转电动机安培力矩磁流体发电电场力与洛伦兹力的平衡霍尔效应电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡磁流体发电机电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡加速电场速度选择器偏转磁场ughmn+-+一、质谱仪1如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电势差为u的加速电场后进入粒子速度选择器。选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为e、方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从g点垂直mn进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线mn为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的h点。可测量出g、h间的距离为l。带电粒子的重力可忽略不计。求：（1）粒子从加速电场射出时速度v的大小。（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度b1的大小和方向。（3）偏转磁场的磁感应强度b2的大小。2质谱法是测定有机化合物分子结构的重要方法，其特点之一是：用极少量(10-9g)的化合物即可记录到它的质谱，从而得知有关分子结构的信息以及化合物的准确分子量和分子式。质谱仪的大致结构如图甲所示。图中g的作用是使样品气体分子离子化或碎裂成离子，若离子均带一个单位电荷，质量为m，初速度为零，离子在匀强磁场中运动轨迹的半径为r，试根据上述内容回答下列问题： (1)在图中相应部位用“”或“”标明磁场的方向； (2)若在磁感应强度为b特斯拉时，记录仪记录到一个明显信号，求与该信号对应的离子质荷比(m/e)。电源高压为u。(3)某科技小组设想使质谱仪进一步小型化，你认为其研究方向正确的是。a.加大进气量 b.增大电子枪的发射功率c.开发新型超强可变磁场材料d.使用大规模集成电路，改造电信号放大器3如图所示是某种质谱仪的原理示意图，它由加速电场、静电分析器和磁分析器等组成，若静电分析器通道的半径为r，均匀辐向电场的场强为e，磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为b，忽略重力的影响，试问：（1）为了使位于a处电量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中虚线通过静电分析器，加速电场的电压u应为多大？（2）离子由p点进入磁分析器后，最终打在感光胶片上的q点，该点距入射点p有多远？若有一群离子从静止开始通过该质谱仪后落在同一点q，则该群离子具有什么共同特征？二、加速器4串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管中的中部b处有很高的正电势u，a、c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b处的特殊装置将其电子剥离，成为正n价正离子，而不改变其速度大小，这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感强度为b的匀强磁场中，在磁场中做半径为r的圆周运动。已知碳离子的质量，,基元电荷，求r. 5如图所示为一种获得高能粒子的装置。环形区域内存在垂直纸面向外、大小可调的匀强磁场。m、n为两块中心开有小孔的极板，每当带电粒子经过m、n板时，都会被加速，加速电压均为u；每当粒子飞离电场后，m、n板间的电势差立即变为零。粒子在电场中一次次被加速，动能不断增大，而绕行半径r不变（m、n两极板间的距离远小于r）。当t=0时，质量为m、电荷量为+q的粒子静止在m板小孔处，（1）求粒子绕行n圈回到m板时的动能en；（2）为使粒子始终保持在圆轨道上运动，磁场必须周期性递增，求粒子绕行第n圈时磁感应强度b的大小；mnorb（3）求粒子绕行n圈所需总时间tn。s导向板b6正电子发射计算机断层（pet）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。（1）pet在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素氮13示踪剂。氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。（2）pet所用回旋加速器示意如图，其中置于高真空中的金属d形盒的半径为r，两盒间距为d，在左侧d形盒圆心处放有粒子源s，匀强磁场的磁感应强度为b，方向如图所示。质子质量为m，电荷量为q。设质子从粒子源s进入加速电场时的初速度不计，质子在加速器中运动的总时间为t（其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f和加速电压u。（3）试推证当rd时，质子在电场中加速的总时间相对于在d形盒中回旋的时间可忽略不计（质子在电场中运动时，不考虑磁场的影响）。7如图所示为一种获得高能粒子的装置。环形区域内存在垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场。质量为m、电量为+q的粒子在环中做半径为r的圆周运动。a、b为两块中心开有小孔的极板，原来电势都为零，每当粒子飞经a板时，a板电势升高为+u，b板电势仍为零，粒子在两板间的电场中得到加速。每当粒子离开时，a板电势又降为零。粒子在电场一次次加速下动能不断增大，而绕行半径不变。设t=0时，粒子静止在a板小孔处，在电场作用下加速，并开始绕行第一圈，求粒子绕行n圈回到a板时获得的总动能en。为使粒子始终保持在半径为r的圆轨道上运动，磁场必须周期性递增，求粒子绕行第n圈时磁感应强度bn。求粒子绕行n圈所需的总时间tn（设极板间距远小r）在图中画出a板电势u与时间t的关系（从t=0起画到粒子第四次离开b极板）otua +ub 0r在粒子绕行的整个过程中，a板电势是否可始终保持+u？为什么？8n个长度逐个增大的金属筒和一个靶沿轴线排列成 一串，如图9 所示（图中只画出4个圆筒，作为示意），各筒和靶相间地连接到频率为f，最大电压值为u的正弦交流电源的两端，整个装置放在高度真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔，现有一电量为q、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力作用而加速（设圆筒内部没有电场），缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙的时间可以不计，已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差u1u2u，为使打到靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶上的离子能量。9如图甲所示，为一种研究高能粒子相到作用的装置，两个直线加速器均由k个长度逐长增长的金属圆筒组成（整个装置处于真空中，图中只画出了6个圆筒，作为示意），它们沿中心轴线排列成一串，各个圆筒相间也连接到正弦交流电源的两端。设金属圆筒内部没有电场，且每个圆筒间的缝隙宽度很小，带电粒子穿过缝隙的时间可忽略不计。为达到最佳加速效果，需要调节至粒子穿过每个圆筒的时间恰为交流电的半个周期，粒子每次通过圆筒间缝隙时，都恰为交流电压的峰值。质量为m、电荷量为e的正、负电子分别经过直线加速后，从左、右两侧被导入装置送入位于水平面内的圆环形真空管道，且被导入的速度方向与圆环形管道中粗虚线相切。在管道内控制电子转弯的是一系列圆形电磁铁，即图中的a1、a2、a3an，共n个，均匀分布在整个圆周上（图中只示意性地用实线画了几个，其余的用虚线表示），每个电磁内的磁场都是磁感应强度相同的匀强磁场，磁场区域都是直径为d的圆形。改变电磁铁内电流的大小，就可改变磁场的磁感应强度，从而改变电子偏转的角度。经过精确的调整，可使电子在环形管道中沿图中粗虚线所示的轨迹运动，这时电子经过每个电磁铁时射入点和射出点都在圆形匀强磁场区域的同一条直径的两端，如图乙所示。这就为实现正、负电子的对撞作好了准备。（1）若电子刚进入直线加速器第一个圆筒时速度大小为v0，为使电子通过直线加速器后速度为v，加速器所接正弦交流电压的最大值应当多大？ （2）电磁铁内匀强磁场的磁感应强度b为多大？（相邻两电磁铁的间距忽略不计）10回旋加速器的原理如图，d1和d2是两个中空的半径为r的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的交流电源上，位于d1圆心处的质子源a能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，d1、d2置于与盒面垂直的磁感应强度为b的匀强磁场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为p，求输出时质子束的等效电流i与p、b、r、f的关系式（忽略质子在电场中运动的时间，其最大速度远小于光速）试推理说明：质子在回旋加速器中运动时，随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差是增大、减小还是不变？三、电子的荷质比11汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示真空管内的阴极k发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过a中心的小孔沿中心轴o1o的方向进入到两块水平正对放置的平行极板p和p间的区域当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心o点处，形成了一个亮点：加上偏转电压u后，亮点偏离到o点，o与o点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计此时，在p和p间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为b时，亮点重新回到o点已知极板水平方向的长度为l1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为l2(如图所示)。(1)求打在荧光屏o点的电子速度的大小(2)推导出电子的比荷的表达式12如图所示是测定光电效应产生的光电子荷质比的简要实验原理图。两块平行板相距为d，其中n为金属板，受紫外线照射后将发射出沿不同方向运动的光电子形成电流，从而引起电流计指针偏转。若调节r逐渐增大板间电压，可以发现电流逐渐减小，当电压表示数为u时，电流恰好为零，切断开关，在mn间加上垂直与纸面的匀强磁场，逐渐增大磁感应强度，也能使电流为零。当磁感应强度为b时，电流恰好为零。求光电子的荷质比e/m。 四、霍尔效应的应用（一）霍尔模型13如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为b的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面a和下侧面a之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差u，电流i和b的关系为u=kib/d，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流i是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面的电势 下侧面的电势（填高于、低于或等于）。（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。 （3）当导体板上下两侧之间的电势差为u时，电子所受的静电力的大小为 （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=1/ne，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。（二）电磁流量计14电磁流量计是对管道内部流体流动没有任何阻碍的仪器，广泛应用于测量高粘度及强腐蚀性流体的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。假设流量计是如图10所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c。流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中虚线），流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现在流量计所在处加磁感应强度为b的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面，当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面与串接了电阻r的电流表的两端连接，i为测得的电流值。已知液体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为（ ）a、b、c、d、15如图是磁流量计的示意图，在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区，当管中的导电液体流过此磁场区域时，小灯泡就会发光如果导电液体流过磁场区域能使额定电压为u=3.0v的小灯泡正常发光，已知磁场的磁感强度为b=0.20t，测得圆管的直径为d=0.10m，导电液体的电阻忽略不计，又假设导电液体充满圆管流过，则管中的液体流量(液体流量为单位时间内流过液体的体积)的表达式q= ，其数值为 m3/s16在原子反应堆中抽动液态金属与在医疗器械中抽动血液等导电液体时，由于不允许传动的机械部分与这些液体相接触，常使用一种电磁泵，如图所示这种电磁泵的结构，将导管放在磁场中，当电流穿过导电液体时，这种液体即被驱动，问：（1）这种电磁泵的原理是怎样的?（2）若导管内截面积为wh，磁场的宽度为l，磁感应强度为b（看成匀强磁场），液体穿过磁场区域的电流强度为i，如图所示，求驱动力造成的压强差为多少?（三）磁流体发电机17磁流体发电是一种新型发电方式，如图是其工作原理示意图。左图中的长方体是发电导管，其中空部分的长、高、宽分别为、，前后两个侧面是绝缘体，上下两个侧面是电阻可略的导体电极，这两个电极与负载电阻相连。整个发电导管处于右图中磁场线圈产生的匀强磁场里，磁感应强度为b，方向如图所示。发电导管内有电阻率为的高温、高速电离气体沿导管向右流动，并通过专用管道导出。由于运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势。发电导管内电离气体流速随磁场有无而不同。设发电导管内电离气体流速处处相同，且不存在磁场时电离气体流速为，电离气体所受摩擦阻力总与流速成正比，发电导管两端的电离气体压强差维持恒定，求：（1）不存在磁场时电离气体所受的摩擦阻力f多大；（2）磁流体发电机的电动势e的大小；（3）磁流体发电机发电导管的输入功率p。18磁流体发电机示意图如图所示，a、b两金属板相距为d，板间有磁感应强度为b的匀强磁场，一束截面积为s，速度为的等离子体自左向右穿过两板后速度大小仍为，截面积仍为s，只是等离子体压强减小了。设两板之间单位体积内等离子体的数目为n，每个离子的电量为q，板间部分的等离子体等效内阻为r，外电路电阻为r。求：（1）等离子体进出磁场前后的压强差p；（2）若等离子体在板间受到摩擦阻力f，压强差p又为多少；（3）若r阻值可以改变，试讨论r中电流的变化情况，求出其最大值im，并在图中坐标上定性画出i随r变化的图线。19炸药发电机是一种将高能炸药爆炸时产生的能量转化成电能，提供脉冲电压的装置。其主要有两种类型，即磁场浓缩型（mc型）和磁流体动力型（mhd型）。mhd型的发电原理如