电磁场在科学技术中的应用

电磁场在科学技术中的应用命题的趋势电磁场问题一直是高考热点，随着高中新课程计划的实施，高考改革不断深化，这方面的问题仍然是热点，常常以科技应用的形式出现在问题的场合， 把其他的信号变成电信号的问题很多是选择问题和填补问题，通过电磁场的力量来控制运动的问题有很多种，但是一般的难易度和得分都很大，甚至是轴问题。知识概述电磁场在科学技术中的应用主要有两种，一种是利用电磁场的变化将其他信号转换为电信号，转换或自动控制信息，另一种是利用电磁场对电荷和电流的作用，控制其运动，平衡、加速、偏转、旋转，达到了预定的目的。 例如密立根实验-电场力和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-电场加速质谱仪-磁场偏转示波器-电场的加速和偏转回旋加速器-电场加速、磁场偏转电流计-安培力矩电视显像管-电场加速、磁场偏转电机-安培力矩磁流体发电-电场力与洛伦兹力的平衡霍尔效应-基于电场力和洛伦兹力的偏转与平衡磁流体发电机-电场力和洛伦兹力作用下的偏转与平衡一、质谱仪【例题1】(2001年高考处理综合卷)图示意性地表示测定带电粒子的质量的设备的动作原理。 将某种有机化合物的气体分子导入图示的容器a中，使其与电子束碰撞，使其失去一个电子，成为正价的分子离子。 分子离子从狭缝s1以微小的速度进入电压u的加速电场区域(不是初速)，加速后，通过狭缝s2、s3进入磁感应强度b的均匀强磁场，与磁场区域的界面PQ垂直。 最后，分子离子接触感光片，形成与纸面垂直且与狭缝s3平行的细线。 设从细线到狭缝s3的距离为d，则导出分子离子的质量m的式子。加速电场速度选择器偏转磁场ughmn-是图2是质量分析装置的原理图，电荷量q、质量m的带正电粒子从静止经过电位差u的加速电场进入粒子速度选择器。 选择器存在相互垂直的均匀强电场和均匀强磁场，均匀强电场的电场强度为e，方向水平右。 带电粒子可以沿着直线通过速度选择器，可知垂直MN从g点以直线MN为界向垂直纸面以外的同样强的磁场即偏转磁场。 带电粒子通过偏转磁场后，最终到达照相胶片的h点。 可测量的g、h之间的距离为l。 带电粒子的重力可以忽略不计。 (1)求出粒子从加速电场出来时的速度v的大小。 (2)粒子速度选择器中均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。【例题3】质谱法是测定有机化合物的分子结构的重要方法，其特征之一是通过以极少量(10-9g )的化合物进行质谱记录，得知有关分子结构的信息和化合物的正确的分子量和分子式。 质谱仪的概略结构如图甲所示。 图中g的作用是将样气分子离子化或分解为离子，如果离子全部具有单位电荷，质量为m，初速为零，在离子均匀的强磁场中运动轨迹的半径为r，根据上述内容尝试回答以下问题。(1)在图中的相应部位用“”或“”表示磁场的方向(2)磁感应强度为b特斯拉时，记录仪记录明确的信号，求出与该信号对应的离子质量负荷比(m/e )。 电源高压为u。(3)某科技小组设想质谱仪进一步小型化，认为其研究方向是正确的。a .增大吸入空气量b .增大电子枪的发射功率c .研制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图4是某个质量分析装置的原理图，由加速电场、静电分析器和磁分析器等构成，具有静电分析器通道的半径为r、均匀放射电场的电场强度为e、与磁分析器垂直的纸面向外的均匀强磁场，忽视b、重力的影响来试验磁感应强度(1)为了使a中的电量q、质量m的离子从静止状态通过加速电场加速后，沿着图中的虚线通过静电分析器，加速电场的电压u应该是多少？(2)离子从p点进入磁性分析器后，最终碰到感光膜的q点距离入射点p有多远？ 如果某组离子静止后通过质谱仪降到同一点q，那么该组离子具有什么共同特征？图5是表示被称为质量分析器的装置图示，a表示放出带电粒子的离子源，放出的粒子通过加速管b加速，得到一定的速度后，通过c进入人的圆形的细弯头(四分之一弧)，通过磁场力进行偏转而进入漂移管d，如果粒子的质量、电荷量不同或速度不同，则通过一定磁场的偏转的强度变化而变化如果指定偏转管的中心轴线的半径、磁场的磁感应强度、粒子的电荷量和速度，则只有一定质量的粒子从漂移管d中被抽出。 已知具有正电荷q=1.610-19C的磷离子的质量m=51.110-27Kg，初始速度被认为为是零，由加速管b加速后的速度由U=7.9105m/s求出(残留有效数字1位)。(1)加速管b两端的加速电压是多少？(2)圆形弯头中心轴线的半径R=0.28m，为了从漂移管引出磷离子，在图中虚线的正方形区域内施加磁感应有多强的均匀强磁场？二、加速器图1是串联加速器用于产生高能量离子的装置。 图中的虚线框内是其主体的原理图，加速管的中央部b有高的正电位u，a、c的两端有电极接地(电位为零)。 在此，速度低的负的1价碳离子从a侧输入，离子到达b侧时，通过设置在b侧的特殊装置剥离电子，不改变其速度的大小而成为正的n价正离子，这些正的n价碳离子从c侧飞出，与其速度方向垂直的磁灵敏度变为b的均匀我们知道碳离子的质量s导向板乙组联赛【例题2】(04天津)阳电子发射计算机断层(PET )是分子水平人体功能影像的国际先进技术，为临床诊断和治疗提供了新手段。(1)PET在心脏疾病的诊疗中，需要放射阳电子的同位素氮13示踪剂。 氮13是小型回旋加速器输出的高速质子与氧16碰撞而得到的，反应中同时产生其他粒子，试制了该核反应方程式。(2)PET中使用的回旋加速器的示意图是，设置在高真空中的金属d壳体的半径为r，两壳体的间隔为d，在左侧的d壳体的中心设置粒子源s，均匀的强磁场的磁感应强度为b，方向如图所示。 质子的质量为m，电荷量为q。 如果忽视质子从粒子源s进入加速电场时的初始速度，设质子在加速器中运动的总时间为t (其中质子在加速电场中的运动时间被省略)，则质子在电场中的加速次数与回旋的半周次数相同，可以认为质子加速时的电压大小是一定的。 求出该加速器所需的高频电源频率f和加速电压u。(Rd时，质子在电场中加速的总时间相对于在d盒中旋转的时间可以忽略(质子在电场中运动时，不考虑磁场的影响)。图3是电子感应加速器利用产生变化磁场的电场来加速电子的图，如图所示，在圆形磁铁的两极之间具有环状的真空室，被交变电流磁化的电磁铁在两极之间产生交变磁场，在环状的室内产生强电场，使电子加速。 加速后的电子同时以洛伦兹力沿圆形轨道运动，将高能量的电子导入靶室的半径r=0.84m的电子感应加速器中，电子被加速的4.210-3s时间得到的能量为120MeV，在此期间，电子轨道内的高频交变磁场线性变化，磁通量是否为零(1)电子在环真空室转了好几个星期？(2)根据麦克斯韦电磁场理论和法拉第电磁感应定律，电子感应加速器完成了电子的加速过程，电子轨道内的高频交变磁场也直线减弱，效果完全相同。 你同意吗？ 请简述理由【例题4】(93上海)如图所示是获得高能量粒子的装置。 环形区域内垂直的纸张朝外，存在能够调整大小的均匀磁场。 质量m、电量q的粒子在环中进行半径r的圆周运动。 a、b是在两个中心开了小孔的极板，原来的电位为零，粒子每飞越a板，a板电位就上升到u，b板电位保持为零，粒子在两板间的电场下被加速。 每当粒子离开时，a板的电位为零。 粒子在电场一次加速下动能增大，迂回半径不变。当t=0时，粒子静止在a板的小孔中，通过电场加速，开始绕过第1圈，求出粒子绕过第n圈返回a板时得到的总动能En。为了使粒子总是在半径为r的圆轨道上运动，磁场周期性增加，必须求出粒子在第n次旋转时的磁感应强度Bn。求出粒子旋转n圈所需的总时间tn (将极板间距减小r )图中表示a板电位u和时间t的关系(从t=0到粒子第四次离开b板为止)粒子绕行过程中，a板电位能否始终保持u？ 为什么？o.ot.tuaB 0r三、电子质量比(03江苏)汤姆森测量电子的比电荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示，从真空管内的阴极k放出的电子(初始速度、重力与电子的相互作用除外)被加速电压加速后，通过a 中心的小孔向中心轴O1O的方向， 在极板间没有施加偏转电压的情况下，电子束碰到荧光屏的中心o点，形成亮点。 当施加偏转电压u时，亮点偏移到o点，并且o与o点之间的垂直间距为d，从而可以忽略水平间距。 这时，在p和p之间的区域，施加垂直于纸面方向的一样强的磁场，调节磁场的强弱，磁感应强度的大小为b，亮点再次返回o点。 已知极板的水平方向的长度为L1，极板的间距为b，从极板的右端到荧光屏的距离为L2(如图所示)。(1)求出击中荧光屏o点的电子速度的大小.图2示出利用光电效应测量光电荷质量比的简单实验原理图。 2块平行板分离为d，其中n为金属板，发射出朝与紫外线照射不同的方向移动的光电子，形成电流，使电流计的指针偏转。 随着r的调节，板之间的电压逐渐变大，电流逐渐变小，当电压指示数为u时，电流正好为0，可以关闭开关，在MN之间施加垂直和纸面均匀的强磁场，使磁感应强度逐渐变大，电流也为0。 磁感应强度为b时，电流正好为零。 求出光电子质量比e/m .四、霍尔模型的应用(一)厅堂模型；如图所示，厚度h、宽度d的导体板被置于与其垂直的磁感应强度b的均匀磁场中，当电流流过导体板时，在导体板的上侧面a与下侧面a 之间产生电位差的现象被称为霍尔效应。 磁场不强时的电位差u、电流I和b的关系为U=kIB/d，实验表明式中的比例系数k被称为霍尔系数。霍尔效应可以解释为，将外部磁场的洛伦兹力运动的电子集中在导体板的一侧，在导体板的相反侧出现多馀的正电荷，形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力相反方向的静电力，当静电力和洛伦兹力平衡时，在导体板的上下两侧之间形成稳定的电位差。电流I由电子的取向流形成，电子的平均取向速度为v，电量为e，回答以下问题(1)成为稳定状态时，导体板侧面a的电位下侧面a的电位(填料高、低或相等)。(2)电子受到的洛伦兹力的大小是多少？(3)设导体板的上下两侧之间的电位差为u时，电子受到的静电力的大小为(4)根据静电力与洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数K=1/ne。 这里，n表示导体板每体积的电子个数。【例题2】(半导体是在导体和绝缘体之间存在导电性的材料。 在与半导体导电相关粒子载流子中，自由电子和空穴、自由电子导电是众所周知的，但半导体中的自由电子浓度比金属小得多，空穴可视为带正电粒子，空穴的取向移动也形成电流，即如作为空穴导电的图所示， 图3是用于检查半导体材料的种类和性能的装置的示意图，图中的半导体样板在与板平面垂直的水平方向上放置在一定强度的磁场中，当大小为I的恒定电流与磁场方向垂直地通过样板时，在板的上下两侧面之间产生一定的电位差。(1)如果测定，该样板的载体是正电荷还是负电荷？ 说明理由(2)设磁场的磁感应强度为b、样板的厚度为d、宽度为b、每个载体的带电量的绝对值为e时，样板在单位体积内与导电相关的载体数【例题3】半导体材料被称为“霍尔材料”，使用该材料制作的元件被称为“霍尔元件”，该材料具有可定向移动的电荷，被称为“载体”，每个载体的电荷量的大小为一元的电荷，即测定视频鼓的旋转速度的视频记录器、升降马达的电源的断开在一次实验中，霍尔材料制成的薄片宽度、长度、厚度是水平放置在垂直方向的磁敏度B=2.0T的均匀强磁场中，电流沿bc方向流动，如图所示，在磁场的作用下稳定后，沿宽度方向产生的横向电压。(1)假设载流子为电子，则a、b两端中哪一端的电位较高？(2)薄板上形成的电流I的载流子取向运动的速度是多少？(3)该霍尔材料中每单位体积的载流子数是多少？【例题4】1879年，美国的物理学家孔对通电导体在磁场中受力的性质进行了研究，将通电导体置于磁场中时，磁感应强度b与电流I的方向垂直，如图所示，在导体中与电流和磁场垂直的方向上产生孔电位差UH，通过该效果，孔电位差UH、导体宽