2008高考考前物理专题讲座.doc

2008高考考前物理专题讲座电磁学中科学应用问题的分析方法主讲：湖北省黄冈中学特级教师徐辉电磁学中科学应用问题，是物理学中的重点，也是学生学习的难点，又是高考中的热点。随着高中新课程计划的实施，高考改革的深化，这方面的问题依然是热门关注的焦点，往往以在科学技术中的应用的形式出现在问题的情景中，特别是近几年来此类问题在理科综合能力测试中频繁出现，现将此类问题分析如下：带电粒子在电磁场中的运动问题，主要有两大类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，已达到预定的目的。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例1、（07年海南）据报道，最近已研制出一种可投入使用的电磁轨道炮，其原理如图所示。炮弹（可视为长方形导体）置于两固定的平行导轨之间，并与轨道壁密接。开始时炮弹在导轨的一端，通以电流后炮弹会被磁力加速，最后从位于导轨另一端的出口高速射出。设两导轨之间的距离m，导轨长5.0m，炮弹质量。导轨上的电流I的方向如图中箭头所示。可以认为，炮弹在轨道内运动时，它所在处磁场的磁感应强度始终为2.0，方向垂直于纸面向里。若炮弹出口速度为，求通过导轨的电流I。忽略摩擦力与重力的影响。解：在导轨通有电流时，炮弹作为导体受到磁场施加的安培力为IwB 设炮弹的加速度的大小为a，则有F=ma炮弹在两导轨间做匀加速运动，因而联立式得代入题给数据得：例2、（07年北京卷）（18分）环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量。当它在水平路面上以v=36km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I=50A，电压U=300V。在此行驶状态下（1）求驱动电机的输入功率；（2）若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机，求汽车所受阻力与车重的比值（g取10m/s2）；（3）设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。已知太阳辐射的总功率，太阳到地球的距离，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%。解析：（1）驱动电机的输入功率（2）在匀速行驶时汽车所受阻力与车重之比。（3）当阳光垂直电磁板入射式，所需板面积最小，设其为S，距太阳中心为r的球面面积。若没有能量的损耗，太阳能电池板接受到的太阳能功率为，则设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为P，由于，所以电池板的最小面积，分析可行性并提出合理的改进建议。例3、（07年山东）飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析。如图所示，在真空状态下，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价位的正离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区，到达探测器。已知元电荷电量为e，a、b板间距为d，极板M、N的长度和间距均为L。不计离子重力及进入a板时的初速度。（1）当a、b间的电压为U1时，在M、N间加上适当的电压U2，使离子到达探测器。请导出离子的全部飞行时间与比荷K（K=ne/m）的关系式。（2）去掉偏转电压U2，在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B，若进入a、b间所有离子质量均为m，要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出，a、b间的加速电压U1至少为多少？（1）由动能定理：neU1=1/2mv2n价正离子在a、b间的加速度a1=neU1/md在a、b间运动的时间t1=v/a1=d在MN间运动的时间：t2=L/v离子到达探测器的时间：t=t1t2=（2）假定n价正离子在磁场中向N板偏转，洛仑兹力充当向心力，设轨迹半径为R，由牛顿第二定律nevB=mv2/R离子刚好从N板右侧边缘穿出时，由几何关系：R2=L2(RL/2)2由以上各式得：U1=25neL2B2/32m当n=1时U1取最小值Umin=25eL2B2/32m例4、（07年山东）某压力锅结构如图所示。盖好密封锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。（1）若此时锅内气体的体积为V，摩尔体积为V0，阿伏加德罗常数为NA，写出锅内气体分子数的估算表达式。(2)假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功1J,并向外界释放了2J的热量。锅内原有气体的内能如何变化？变化了多少？（3）已知大气压强P随海拔高度H的变化满足P=P0（1H），其中常数0。结合气体定律定性分析在不同的海拔高度使用压力锅，当压力阀被顶起时锅内气体的温度有何不同。解：（1）设锅内气体分子数为nn=V/V0NA（2）根据热力学第一定律E=WQ=3J锅内气体内能减少，减少了3J（3）由P=P0（1H）（其中0）知，随着海拔高度的增加，大气压强减小； 由P1=Pmg/S知，随着海拔高度的增加，阀门被顶起时锅内气体压强减小； 根据查理定律P1/T1=P2/T2 可知阀门被顶起时锅内气体温度随着海拔高度的增加而降低。例5、(07年天津)离子推进器是新一个代航天动力装置，可用于卫星姿态控制和轨道修正。推进剂从图中P处注入，在A处电离出正离子，BC之间加有恒定电压，正离子进入B时的速度忽略不计，经加速后形成电流为I的离子束后喷出。已知推进器获得的推力为F，单位时间内喷出的离子质量为J。为研究问题方便，假定离子推进器在太空中飞行时不受其他外力，忽略推进器运动速度。（1）求加在BC间的电压U；（2）为使离子推进器正常运行，必须在出口D处向正离子束注入电子，试解释其原因。解：（1）设一个正离子的质量为m、电荷量为q，加速后的速度为v，根据动能定理，有qU=mv2设离子推进器在t时间内喷出质量为M的正离子，并以其为研究对象，推进器M的作用力F，由动量定理，有FtMv由牛顿第三定律知F=F设加速后离子束的横截面积为S，单位体积内的离子数为n，则有I=nqvSJ=nmvS 两式相比可 （2）推进器持续喷出正离子束，会使带有负电荷的电子留在其中，由于库仑力作用将来严重阻碍正离子的继续喷出，电子积累足够多时，甚至会将喷出的正离子再吸引回来，致使推进器无法正常工作。因此，必须在出口D处发射电子注入到正离子束，以中和正离子，使推进器获得持续推力。从以上几例可知，讨论与电磁场有关的科技应用问题，首先应通过分析将其提炼成纯粹的物理问题，然后用解决物理问题的方法进行分析。这里较多的是用分析力学问题的方法；对于带电粒子在磁场中的运动，还特别应注意运用几何知识寻找