专题10 电磁技术实例（原卷版）

专题10电磁技术实例一、速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计和霍尔元件一般以单个带电粒子为研究对象，在洛伦兹力和电场力平衡时做匀速直线运动达到稳定状态，从而求出相应的物理量，区别见下表．装置原理图规律速度选择器若qv0B＝Eq，即v0＝eq\f(E,B)，粒子做匀速直线运动在如图所示的平行金属板中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。一质量为m、电荷量为+q的带电粒子，以一定的速度从左侧沿虚线方向匀速通过此场区，不计带电粒子的重力，下列说法正确的是（）A．该粒子的速度大小为BEB．若该粒子保持速度大小不变从右侧沿虚线方向射入，粒子仍能匀速通过场区 C．若仅将该粒子带电荷量改为﹣q，仍从左侧沿虚线射入，则粒子仍能匀速通过场区D．若仅将该粒子带电荷量改为+2q，仍从左侧沿虚线射入，则粒子不能匀速通过场区在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直，两平行板水平放置。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。现有一束带电粒子以速度v0射入，不计粒子重力。发现粒子偏离虚线方向向上做曲线运动，现要使粒子沿图中虚线通过该装置，下列判断正确的是（）A．若是带正电的粒子从右端射入，则应减小电场强度E B．若是带负电的粒子从右端射入，则应增大磁感应强度B C．若是带正电的粒子从左端射入，则应增大电场强度E D．若是带负电的粒子从左端射入，则应减小磁感应强度B如图所示，三个粒子a、b、c分别以va、vb、vc的速率进入速度选择器，a粒子打在速度选择器的上极板，b和c粒子沿直线运动后进入偏转磁场，b粒子打在A1点，c粒子打在A2点，不计粒子重力，下列说法正确的是（）A．上极板比下极板的电势低 B．一定有va＞vb C．a、b粒子一定都带负电 D．b粒子的比荷一定大于c粒子的比荷如图所示，a、b是一对平行金属板，分别接到直流电源两极上，右边有一挡板，正中间开有一小孔d，在较大空间范围内存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，在a、b两板间还存在着匀强电场E．从两板左侧中点c处射入一束离子（不计重力），这些离子都沿直线运动到右侧，从d孔射出后分为如图三束，则下列判断正确的是（）A．若将这三束离子改为相反电性而其他条件不变的离子则仍能从d孔射出 B．这三束离子的比荷一定相同 C．这三束离子的速度一定不相同 D．a、b两板间的匀强电场方向一定由b指向a（多选）如图所示，大量不同的带电粒子从左边容器中的小孔进入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，加速后经过小孔进入速度选择器，选择器中存在正交的匀强电场和匀强磁场，场强和磁感应强度分别为E和B1，粒子沿直线通过选择器，再垂直进入右边磁感应强度为B2的匀强磁场中，做匀速圆周运动打在底片上，则（）A．打在底片上不同位置的粒子是因为粒子比荷不同 B．打在底片上不同位置的粒子是因为进入右边磁场速度不同 C．如果速度选择器平行板电量不变，板间距增大，能沿直线通过选择器的粒子速度变小 D．如果增大速度选择器中磁场的磁感应强度B1，能沿直线通过选择器的粒子速度变小装置原理图规律磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极板电压为U时稳定，qeq\f(U,d)＝qv0B，U＝v0Bd如图所示为磁流体发电机的示意图，一束等离子体（含正、负离子）沿图示方向垂直射入一对磁极产生的匀强磁场中，A、B是一对平行于磁场放置的金属板，板间连入电阻R，不计粒子重力和粒子间相互作用，则（）A．电路稳定后，A、B板聚集电荷量基本不变 B．通过电阻R的电流方向向下 C．若只增大离子的射入速度，发电机的电动势不变 D．若只增大两极板的正对面积，发电机的电动势将增大磁流体发电技术是目前世界上正在研究的新兴技术。如图所示是磁流体发电机示意图，相距为d的平行金属板A、B之间的磁场可看作匀强磁场，磁感应强度大小为B，等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）以速度v垂直于B且平行于板面的方向进入磁场。金属板A、B和等离子体整体可以看作一个直流电源，将金属板A、B与电阻R相连，当发电机稳定发电时，两板间磁流体的等效电阻为r，则A、B两金属板间的电势差为（）A．BdvR+rR B．C．2BdvR+rR磁流体发电机的示意图如图所示，横截面为矩形的管道长为l，宽为a，高为b，上下两个侧面为绝缘体，相距为a的两个侧面是电阻可忽略的导体，此两导体侧面与一负载电阻R相联，整个管道放在一匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向垂直于上下侧面向上。现在电离气体（正、负带电粒子）持续稳定地流经管道，为使问题简化，设横截面上各点流速相同。已知电离气体所受的摩擦阻力与流速成正比；且无论有无磁场存在，都维持管两端电离气体压强差为p，设无磁场存在时电离气体流速为v0，电离气体的平均电阻率为ρ，则下列说法正确的是（）A．电离气体所受的摩擦阻力与流速的比值为pblvB．有磁场存在时电离气体的流速大于无磁场存在时电离气的流速 C．有磁场存在时电离气体受到的安培力大小与电离气体流速v的关系可表示为：FA＝Pab−PabvD．有磁场存在时电离气体受到的安培力大小可表示为B（多选）磁流体发电机的原理如左图所示，燃烧室在3000K的高温下将气体全部电离成高温等离子体。等离子体经喷管提速后以速度v进入矩形发电通道，发电通道中有垂直于喷射速度方向的匀强磁场，简化后的原理图如右图所示。已知磁感应强度大小为B，发电通道长为l，宽为b，高为a，高温等离子体的电阻率为ρ，外部电路的总电阻为R。当开关S闭合后，下列说法正确的是（）A．发电机产生的电动势E＝Bav B．回路电流I=BvablC．发电机的输出功率P=(BvablD．为维持等离子匀速流动，矩形发电通道左右端的压强差Δp=B如图所示是磁流体发电机的装置，a、b组成一对长为L、宽为h的平行电极，两板间距为d，内有磁感应强度为B的匀强磁场。发电通道内有电阻率为ρ的高温等离子持续垂直喷入磁场，每个离子的速度为v，负载电阻的阻值为R，电离气体沿导管高速向右流动，运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势，电离气体以不变的流速v通过发电通道。电容器的电容为C，不计电离气体所受的摩擦阻力。根据提供的信息完成下列问题。（1）判断a、b板的电势高低，求发电机的电动势E；（2）开关闭合，当发电机稳定发电时，求a、b两端的电势差Uab；（3）开关断开，电容器所带的电荷量q。装置原理图规律电磁流量计qeq\f(U,D)＝qvB，所以v＝eq\f(U,DB)，所以Q＝vS＝eq\f(πDU,4B)工业上常用电磁流量计来测量高黏度及强腐蚀性流体的流量Q（单位时间内流过管道横截面的液体体积），原理如图甲所示，在非磁性材料做成的圆管处加一磁感应强度大小为B的匀强磁场，当导电液体流过此磁场区域时，测出管壁上下M、N两点间的电势差U，就可计算出管中液体的流量。为了测量某工厂的污水排放量。技术人员在充满污水的排污管末端安装了一个电磁流量计，如图乙所示，已知排污管和电磁流量计处的管道直径分别为20cm和10cm。当流经电磁流量计的液体速度为10m/s时，其流量约为280m3/h，若某段时间内通过电磁流量计的流量为70m3/h，则在这段时间内（）A．M点的电势一定低于N点的电势 B．通过排污管的污水流量约为140m3/h C．排污管内污水的速度约为2.5m/s D．电势差U与磁感应强度B之比约为0.25m2/s（多选）电磁流量计可以测量导电流体的流量（单位时间内流过某一横截面的流体体积）。如图所示，它是由一个产生磁场的线圈，以及用来测量电动势的两个电极a、b所构成，可架设于管路外来测量液体流量。以v表示流速，B表示电磁线圈产生的磁场，D表示管路内径，若磁场B的方向、流速v的方向与测量电磁线圈感应电动势两电极连线的方向三者相互垂直，则测得的感应电动势为U0，下列判断正确的是（）A．电极a为负，电极b为正 B．电极a为正，电极b为负 C．U与液体流量成反比 D．U与液体流量成正比电磁血流量计是运用在心血管手术和有创外科手术的精密监控仪器，可以测量血管内血液的流速。如图，某段监测的血管可视为规则的圆柱体模型，其前后两个侧面a、b固定两块竖直正对的金属电极，匀强磁场方向竖直向下，血液中的正负离子随血液一起从左至右水平流动，则a、b电极间存在电势差。在达到平衡时，血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零。在某次监测中，两触点间的距离为3.00mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为150μV，磁感应强度的大小0.120T。则血流的速度的近似值和电极a、b的正负为（）A．0.36m/s，a正，b负 B．0.36m/s，a负，b正 C．0.42m/s，a负，b正 D．0.42m/s，a正，b负如图所示，电磁流量计的测量管横截面直径为D，在测量管的上下两个位置固定两金属电极a、b，整个测量管处于水平向里的匀强磁场中，磁感应强度大小为B．当含有正、负离子的液体从左向右匀速流过测量管时，连在两个电极上的显示器显示的流量为Q（单位时间内流过的液体体积），下列说法正确的是（）A．a极电势低于b极电势 B．液体流过测量管的速度大小为QπC．a，b两极之间的电压为4QBπDD．若流过的液体中离子浓度变高，显示器上的示数将变大（多选）电磁流量计广泛应用于测量可导电液体（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），图中流量计的上、下两面是金属材料，前、后两面是绝缘材料，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、下两表面与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值，已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得（）A．流量为I(bR+ρcB．流量为I(aR+ρbC．若将污水浓度变大，则上、下两板间电势差将变大 D．若流量越大，则上、下两板间电势差将变大装置原理图规律霍尔元件当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差（多选）如图为利用霍尔元件进行微小位移测量的实验装置。在两块磁感应强度相同，同极相对放置的磁体狭缝中放入金属材料制成的霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时磁感应强度为0，霍尔电压UH（霍尔元件上下两表面的电势差）也为0。将该点作为坐标原点建立空间坐标系，当霍尔元件沿x轴移动时，即有霍尔电压UH输出。霍尔元件中电流方向始终为z轴负方向且大小不变，下列说法正确的是（）A．霍尔元件处于x轴负半轴时，下表面的电势高于上表面的电势 B．霍尔元件从O点沿x轴正方向移动的过程中，霍尔电压的大小UH逐渐增大 C．在某一位置时，若增大霍尔元件沿x轴方向的厚度，则霍尔电压的大小UH将减小 D．在某一位置时，若增大霍尔元件沿y轴方向的厚度，则霍尔电压的大小UH将不变为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图所示。在垂直于上、下底面加磁感应强度为B向下的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M和N与内阻力为R的电流表相连。污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况。下列说法中正确的是（）A．M板比N板电势高 B．污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小 C．污水流量大小，对电流表的示数无影响 D．若只增大所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大如图所示，一块长为a、宽为b、高为c的长方体半导体器件，其内载流子数密度为n，沿+y方向通有恒定电流I。在空间中施加一个磁感应强度为B、方向沿﹣x方向的匀强磁场，半导体上、下表面之间产生稳定的电势差U，下列说法正确的是（）A．若载流子为负电荷，则上表面电势高于下表面电势 B．仅增大电流I，电势差U可以保持不变 C．半导体内载流子所受洛伦兹力的大小为IBnbcD．半导体内载流子定向移动的速率为U华为笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件，如图所示。霍尔元件为一块宽为a、长为c的矩形半导体，元件内的导电粒子为自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的（）A．前表面的电势比后表面的低 B．自由电子受到的洛伦兹力大小为aUeC．其他条件不变时，前、后表面间的电压U与c成正比 D．其他条件不变时，前、后表面间的电压U与v成正比我国科研人员采用全新发电方式—“爆炸发电”，以满足高耗能武器的连续发射需求。其原理如图所示，爆炸将惰性气体转化为高速等离子体，射入磁流体动力学发生器，发生器的前后有两强磁极N和S，使得上下有两金属电极之间产生足够高电压，下列说法正确的是（）A．上极板电势比下极板电势低 B．仅使L增大，两金属电极间的电动势会变大 C．仅使d增大，两金属电极间的电动势会变大 D．仅使b增大，两金属电极间的电动势会变大二、质谱仪(如图)原理：粒子由静止被加速电场加速，qU＝eq\f(1,2)mv2.粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qvB＝meq\f(v2,r).由以上两式可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，m＝eq\f(qr2B2,2U)，eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2r2).如图所示为质谱仪的原理图，一束粒子以速度v沿直线穿过相互垂直的匀强电场（电场强度为E）和匀强磁场（磁感应强度为B1）的重叠区域，然后通过狭缝S0垂直进入另一匀强磁场（磁感应强度为B2），最后打在照相底片上的三个不同位置，粒子的重力可忽略不计，则下列说法正确的是（）A．该束粒子带负电 B．P1板带负电 C．粒子的速度v满足关系式v=BD．在B2的匀强磁场中，运动半径越大的粒子，荷质比qm如图所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点，不计粒子重力。下列说法不正确的是（）A．极板M比极板N的电势高 B．加速电场的电压U=ERC．PQ＝2BqmER D．若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子具有相同的比荷质谱仪是分析同位素的重要工具，其原理如图所示。氖元素的两种同位素粒子a、b质量不同、电荷量相同。a、b两种粒子从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度可视为0，然后经过S2沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场。a、b两种粒子分别打到照相底片D上的M和N处，不计粒子重力，关于a、b两种粒子在磁场中的运动，下列说法正确的是（）A．两种粒子的动能不相同 B．a粒子的速度大于b粒子的速度 C．a粒子受到的洛伦兹力大于b粒子受到的洛伦兹力 D．a粒子的运动时间大于b粒子的运动时间质谱仪的原理简图如图所示。一带正电的粒子从狭缝S1经S1和S2之间电场加速后进入速度选择器，速度选择器两板间的电压为U，间距为d，板间还存在着匀强磁场，磁感应强度大小为B1，方向垂直纸面向外。带电粒子沿直线经速度选择器从狭缝S3垂直MN进入感应强度的大小为B2，方向垂直纸面向外的磁场。带电粒子经磁场偏转后，打在照相底片上的H点，测得S3、H两点问的距离为l。不计带电粒子的重力。求：（1）速度选择器中电场强度E的大小和方向；（2）带电粒子离开速度选择器时的速度大小v；（3）带电粒子的比荷qm在芯片制造过程中，离子注入是其中一道重要的工序。如图，是离子注入工作原理示意图，正离子质量为m，电荷量为q，经电场加速后沿水平方向进入速度选择器，然后通过磁分析器，选择出特定比荷的正离子，经偏转系统后注入处在水平面上的晶圆硅片。速度选择器、磁分析器和偏转系统中匀强磁场的磁感应强度大小均为B，方向均垂直纸面向外；速度选择器和偏转系统中匀强电场的电场强度大小均为E，方向分别为竖直向上和垂直纸面向外。磁分析器截面是内外半径分别为R1和R2的四分之一圆弧，其两端中心位置M和N处各有一小孔；偏转系统中电场和磁场的分布区域是一棱长为L的正方体，晶圆放置在偏转系统底面处。当偏转系统不加电场和磁场时，正离子恰好竖直注入到晶圆上的O点，O点也是偏转系统底面的中心。以O点为原点建立xOy坐标系，x轴垂纸面向外。整个系统处于真空中，不计正离子重力，经过偏转系统直接打在晶圆上的正离子偏转的角度都很小，已知当α很小时，满足：sinα＝α，cosα＝1−1（1）求正离子通过速度选择器后的速度大小v及磁分析器选择出的正离子的比荷；（2）当偏转系统仅加磁场时，设正离子注入到显上的位置坐标为（x，y），请利用题设条件，求坐标（x，y）的值。三、回旋加速器(如图)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子经电场加速，经磁场回旋，由qvB＝eq\f(mv2,r)，得Ekm＝eq\f(q2B2r2,2m)，可见同种粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定，与加速电压无关．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氚核（1A．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径增大而增大 B．高频电源的电压越大，氚核最终射出回旋加速器的速度越大 C．氚核的质量为eB2πfD．在磁感应强度B和频率f不变时，该加速器也可以对氦核（2图甲是回旋加速器的示意图，两金属D形盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。在加速带电粒子时，带电粒子从静止开始运动，其速率v随时间t的变化如图乙，已知tn时刻粒子恰好射出回旋加速器，粒子穿过狭缝的时间不可忽略，不考虑相对论效应及粒子的重力，下列判断不正确的是（）A．t2﹣t1＝t4﹣t3＝t6﹣t5 B．t1：（t3﹣t2）：（t5﹣t4）＝1：2：C．v1：v2：v3＝1：2：D．粒子在电场中的加速次数为v2022年12月28日我国中核集团全面完成了230Me