浙江省建德市新安江高级中学高三物理《磁场的实际应用》课件.ppt

3 6磁场知识的实际应用 1 带电粒子带电属性改变 会不会影响速度选择器对速度的选择 2 若把磁场和电场同时反向 会不会影响速度选择器对速度的选择 一 速度选择器 3 若粒子反向进入复合场 结果如何 粒子速度选择器与粒子的质量 电荷量 电性无关 但与粒子进入速度选择器的方向有关 拓展 一系列正 负粒子 连续不断地以相同的速度 垂直射入两极板间的匀强磁场区域 那他们的运动情况又是怎样的 保证一开始都可以打到极板上 正粒子 向上极板偏转 上极板 堆积正电荷 负粒子 向下极板偏转 下极板 堆积负电荷 材料 a b平行金属板的面积为s 相距l 等离子气体的电阻率为 喷入气体速度为v 板间磁场的磁感应强度为b 板外电阻为r 当等离子气体匀速通过a b板间时 a b板上聚集的电荷最多 板间电势差最大 即为电源电动势 此时离子受力平衡 原理 等离子气体喷入磁场 正 负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到两极板上 在两极板上产生电势差 三 磁流体发电机 四 电磁流流量计 直径为d的非磁性材料制成的圆形导管内 有可以导电的液体流动 磁感应强度为b的匀强磁场垂直液体流动方向而穿过一段圆形管道 若测得管壁内a b两点的电势差为uab 试求管中液体的流量q为m3 s 测试 某制药厂的污水处理站的管道中安装了如图所示的流量计 该装置由绝缘材料制成 长 宽 高分别为a b c 左右两端开口 在垂直于上下底面方向加磁感应强度为b的匀强磁场 在前后两个面的内侧固定有金属板作为电极 当含有大量正负离子 其重力不计 的污水充满管口从左向右流经该装置时 利用电压表所显示的两个电极间的电压u 就可测出污水流量q 单位时间内流出的污水体积 则下列说法正确的是 a 后表面的电势一定高于前表面的电势 与正负哪种离子多少无关b 若污水中正负离子数相同 则前后表面的电势差为零c 流量q越大 两个电极间的电压u越大d 污水中离子数越多 两个电极间的电压u越大 ac 四 电磁流量计 三 磁流体发电机 小结 无论自由电荷的定向移动 还是等离子的喷射 或是流动的液体 在磁场的作用下会形成一个与磁场正交的电场 这是第一个物理过程 当电场和磁场对运动的粒子作用平衡时 f电 f洛 磁场和电场稳定 定向移动的自由电荷 喷射的等离子流 流动的液体匀速运动 这是第二个物理过程 应用1 如图所示 将一束等离子体 喷射入磁场 在场中有两块金属极板a b 这时金属板上就会聚集电荷 产生电压 如果射入磁场的离子体的速度为v 金属平板的面积为s 极间距离为d 磁感强度为b 方向与v垂直 可调节的电阻r接在两极之间 设电离气体充满两极间的空间 其电阻率为 求 1 通过电阻r的电流的大小和方向 2 两板间的电压 3 两极间的电场强度为最大的条件 以及最大电场强度值 b到r到abdvs rs d bdvsr rs d 开路时e最大 e bv 应用2 一种测量血管中血流速度的仪器原理图 如图所示 在动脉血管两侧分别安装电极并加磁场 设血管直径为2mm 磁场的磁感应强度为0 80t 电压表测出电压为0 001v 则血流速度大小为多少 五 霍耳效应如图厚度为h 宽度为d的金属板放在垂直与它的磁感应强度b的匀强磁场中 当有电流i通过金属 在金属板的上下表面间产生电势差此现象叫霍耳效应 s上 b i s下 v h 厚度未知 宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为b的匀强磁场中 已知金属导体单位体积中的自由电子数为n 电量为e 则当电流i流过导体时 在导体板上下侧面间会产生电势差u问 1 哪板电势高 2 电势差u 下极板 能不能让静止的液体运动 其他条件不变 例 在原子反应堆中抽动液态金属或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 如图为这种电磁泵的结构图 将导管放在磁场中 当电流通过导电液体时 这种液体即被驱动 如果导管中截面面积为a h 磁场的宽度为l 磁感应强度为b 液体穿过磁场区域的电流强度为i 求驱动力造成的压强差为多少 通以沿导管方向的电流 会发现怎样的现象 若导管尺寸如图 液体通过的电流为i 磁感应强度为b 则驱动力对液体造成的压强差 p ib a 六 电磁泵 磁流体推进器 速度高达150节 新潜艇几乎静音 声呐将失去作用 速度选择器 质谱仪 不同速率的粒子进入正交电磁场 当qvb qe 即v e b 这样就把速度满足v e b的离子从速度选择器中选择出来了 速度选择器 粒子速度选择器与粒子的质量 电荷量 电性无关 但与粒子进入速度选择器的方向有关 质谱仪 精密测量带电粒子质量和分析同位素 测荷质比 的仪器 加速电场 使带电粒子加速v 偏转磁场区 使带电粒子轨迹发生偏转 并被拍照 偏转半径r mv qb 磁流体发电机 电磁流量计 霍尔效应 磁强计 磁流体发电机 进入磁场的粒子带正 负电荷 当eq bqv时两板间电势差达到最大 电磁流量计 流动的导电液体含有正 负离子 u bdv 流量指单位时间内流过的体积 q sv 当液体内的自由电荷所受电场力与洛仑兹力相等时 a b间的电势差稳定 霍尔效应 磁强计 导体中通过电流时 在运动的电荷为电子 带负电 当电子所受电场力与洛仑兹力相等时 导体上 下侧电势差稳定 课后思考 1 如图一高压输电线 若要在不影响输电的情况下 要测出输电电流 设计一方法 2 如图一段导线在磁场中下落的过程中 其不同部分会出现电视差解释原因 v 如图 有a b c d四个离子 它们带等量同种电荷 质量不等 有ma mb mc md 以不等的速率va vb vc vd进入速度选择器后 有两种离子从速度选择器中射出 进入b2磁场 由此可判定 a 偏向p1的是a离子b 偏向p2的是d离子c 射向a1的是c离子d 射向a2的是b离子 a b 二 质谱仪 若测得s3到d之间的距离为x 则该粒子的质量为多少 一个质量为m 电荷量为q的粒子 从容器下方的小孔s1飘入电势差为u的加速电场 然后经过s3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为b的匀强磁场中 最后打到照相底片d上 求粒子在磁场中运动的轨道半径 精密测量带电粒子质量和分析同位素 测荷质比 的仪器 加速电场 使带电粒子加速v 偏转磁场区 使带电粒子轨迹发生偏转 并被拍照 偏转半径r mv qb 质谱仪 发明者 阿斯顿 汤姆生的学生 质谱仪的构造原理如图 离子源s产生的各种不同正离子束 速度可看作为零 经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场 到达记录它的照相底片p上 设离子在p上的位置到入口处s1的距离为x 可以判断 a 若离子束是同位素 则x越大 离子质量越大b 若离子束是同位素 则x越大 离子质量越小c 只要x相同 则离子质量一定相同d 只要x相同 则离子的荷质比一定相同 a d 1 直线加速器 七 加速器 加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器 直线加速器占地太大 能不能让它小一点 1932年 美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步 为此 劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖 2 回旋加速器 这台加速器的磁极直径只有10cm 加速电压为2kv 可加速氘离子达到80kev的能量 美国伊利诺依州费米实验室加速器 已知d形盒的直径为d 匀强磁场的磁感应强度为b 交变电压的电压为u 粒子的质量为m 电量为q 求 1 从出口射出时 粒子的速度v 2 粒子被加速的次数 3 粒子在d形盒中的运动的时间是多少 实际并非如此 例如 用这种经典的回旋加速器来加速粒子 最高能量只能达到20兆电子伏 这是因为当粒子的速率大到接近光速时 按照相对论原理 粒子的质量将随速率增大而明显地增加 从而使粒子的回旋周期也随之变化 这就破坏了加速器的同步条件 粒子的速度能超光速吗 为了获得更高能量的带电粒子 人们又继续寻找新的途径 例如 设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致 于是就出现了同步回旋加速器 除此之外 人们还设计制造出多种其它的新型加速器 目前世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿电子伏以上的能量 粒子质量为 电量为 q 在环形磁场中做半径为r的匀速圆周运动 每次穿过a板中心小孔时 粒子被加速 两板加速电压u 但做圆周运动的轨道半径不变 1 求粒子由静止开始被加速绕行n圈 其动能多大 此时的磁感应强度多大 2 带电粒子沿环形通道绕行n圈回到a板中心小孔处 共用多少时间 nqu 例4 关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述 正确的是 a 电场和磁场都对带电粒子起加速作用b 电场和磁场是交替地对带电粒子做功的c 只有电场能对带电粒子起加速作用d 磁场的作用是使带电粒子在d形盒中做匀速圆周运动 cd 例5 一回旋加速器 可把质子加速到v 使它获得动能ek 1 能把 粒子加速到的速度为 2 能把 粒子加速到的动能为 3 加速 粒子的交变电场频率与加速质子的交变电场频率之比为 如图所示为磁流体发电机示意图 其中两极板间距d 20cm 磁场的磁感应强度b 5t 若入额定功率p 100w的灯泡 灯泡恰好正常发光 灯泡正常发光时的电阻r 400 不计发电机内阻 求 1 等离子体的流速多大 2 若等离子体均为一价离子 则每秒钟有多少个什么性质的离子打在下极板 01全国 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体 如污水 在管中的流量 在单位时间内通过管内横截面的流体的体积 为了简化 假设流量计是如图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w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