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【金榜夺冠】高三物理第一轮复习第九章第三单元第5课时复合场中的STS题型探究课件选修31(阅读)_图文


选修3-1 第九章 磁场

第三单元 复合场问题及STS问题
第5课时 复合场中的STS题型探究

“STS”是“科学—技术—社会”的简 称.物理学是前人在认识与探索自然的过程 中通过总结、归纳、抽象、验证而逐步建立、 不断完善起来的一门自然科学.物理学与 “STS”有着天然的、广泛的、更直接的联 系.
带电粒子在复合场中运动的实际应用有 速度选择器、磁流体发电机、质谱仪、回旋 加速器、霍尔效应、电磁流量计、电磁偏转 技术等.

考点一

速度选择器

基础回顾

1.含义:如右图所示,由于所受 重力可忽略不计,运动方向相同而 速率不同的正粒子组成的粒子束射 入相互正交的匀强电场和匀强磁场 所组成的场区中.

已知电场强度大小为E,方向向下;磁感应 强度大小为B,方向垂直纸面向

里.若具有某一水平速度v的带电粒子能沿着图中所示 的虚线穿过而不发生偏转,其他速度的带电粒子将发 生偏转.这种器件就能把具有以上速度v的粒子选择出 来,所以叫做速度选择器.

2.射入速度必须适合的条件是:v= __________.根据是:________=________. 答案: 1.E/B qvB qE

要点深化 特点:分为三个方面 1.速度选择器只选择速度,与荷质比无关,也与电性 无关;如换负电荷从左端射入,只要速度适合:v=E/B,也 一样可从右端选择出来. 2.若从右端射入,而复合电磁场的方向没有相应改变, 则无论速度是否适合v=E/B,都不能从左端选择出来. 3.当正粒子的速度v′>v=E/B时,则qv′B>qE,粒 子向上偏转;当正粒子的速度v′<v=E/B时,则qv′B< qE,粒子向下偏转.

题型训练 1.如图所示,一束正离子垂 直地射入正交的匀强磁场和匀强 电场区域里,结果发现有些离子 保持原来的运动方向未发生任何 偏转.如果让这些不偏转的离子 再垂直进入另一匀强磁场中,发 现这些离子又分成几束.对这些 进入后一磁场的不同轨迹的离子, 可得出结论( )

A.它们的动量一定各不相同 B.它们的电荷量一定各不相同 C.它们的质量一定各不相同 D.它们的电荷量与质量之比一定各不相同

解析:从第一个磁场进入另一个磁场的离子一 定满足qvB=qE,即v=E/B,这些离子的速度 相同,又在后一磁场中 ,由于v、B相 同,而R不同,所以m/q不同. 答案:D

考点二

质谱仪

基础回顾 1.结构:①带电 粒子注入器;②加速 电场; ③速度选择器(B1、E); ④偏转磁场(B2);⑤照 相底片.

2.含义:含有电荷相同而质量有微小差别的粒子, 它们经过电势差为U的电场加速后,垂直进入磁感应强 度为B的匀强磁场,它们进入磁场后将沿不同的半径做 圆周运动,打到照相底片的不同地方,在底片上形成若 干谱线状的细线,如右图所示(M、N线).每一条谱线 对应于一定的________,从谱线的位置可以知道圆周的 半径,又已知带电粒子的电荷量q,可以算出带电粒子 的________,所以叫做质谱线
3.用途:质谱仪是测量带电粒子的 ________和分析同位素的重要工具径.

4.原理:如上图所示,设有质量为m、电荷量 为q的带负电粒子(不计重力).粒子从注入器进入加 速电场的初速度为零,经过电势差为U的电场加速, 进入磁感应强度为B1、电场强度为E的速度选择器, 后进入磁感应强度为B2的偏转磁场,沿着半圆周到 达记录它的照相底片上,假设是M点,M点距离小 孔O为x.则带电粒子的质量m=____________.

答案:2.质量 质量

3.质量

要点深化 1.质谱仪加入速度选择器,目的是对选择速度相同 的同位素通过偏转磁场进行检测.这样对加速电场的电 压就提出了要求 带电粒子经过加速电场后获得的动能

而在速度选择器中,由qvB1=qE,得v= 就是说,只有符合 = 的粒子

才能从选择器的小孔中进入偏转电场. 由此得U = ,U要随着同位素的质量的改变 而改变.如果U不变,有许多不同的同位素从该加速电场 加速后进入速度选择器,则那些不符合 = 条件的 粒子将发生偏转,无法进入偏转磁场.只有符合 = 即 的同位素才能进入偏转磁场,这样在照相底片 上仅有一条线,故本装置有一定的局限性.

2.关于

的推导

在速度选择器中,由qvB1=qE,得v= 在偏转磁场中,有qvB2= 而由图知轨迹半径r= 以上三式可解得: , ,



.

3.去除速度选择器的质谱仪 如右图所示,在加速电场中 mv2=qU 在偏转磁场中 qvB= ,r= .

以上三式可解得:m=

题型训练 2.如图所示是质谱仪工作原理的示意图.带电粒子a、b 经电压U加速(在A点初速度为零)后,进入磁感应强度为B的匀 强磁场做匀速圆周运动,最后分别打在感光板S上的x1、x2 处.图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径, 则( ) A.a的电荷量一定大于b的电荷量 B.a的电荷量一定小于b的电荷量 C.a的质量一定大于b的质量 D.a的比荷(q a/ma)大于b的比荷 (qb/mb)

2.解析:在加速电场中, mv2=qU,在偏转 磁场中,qvB= ,r= ,以上三式可解得:

因为x2>x1,所以qa/ma>qb/mb,本题由于没有说明 是研究同位素的,故AB不能选. 答案:D

考点三
基础回顾

回旋加速器

1.构造:如右图所 示,①粒子源;②两 个D形金属盒;③巨大 的电磁铁;④高频电 源;⑤粒子引出装 置.

2.原理:带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动, 其周期T= 跟运动________和轨道________无 关,对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说,这 个周期是恒定的.因此,尽管粒子的速率和半径一次 比一次增大,运动周期却始终不变.这样,如果在两 个D形盒间形成一个交变电场,使它也以________的 周期T 往复变化,那就可以保证粒子每经过两个D形 盒之间时都正好赶上适合的电场方向而被________. 3.用途:回旋加速器是产生大量高能量(主要是 动能)的带电粒子的实验设备.
答案: 2.速率 半径 相同 加速

要点深化 1.带电粒子在回旋加速器内运动,决定其最终能 量的因素 由于盒的半径的约束,粒子最终从加速器内射出时应具 有相同的旋转半径.

根据牛顿运动定律:qvB=

,得:v=

.

故粒子离开加速器时获得的动能为Ek= mv2=

故要提高加速粒子最后的能量,应尽可能增大磁感 应强度B和加速器的半径r.

2.决定带电粒子在回旋加速器运动时间长短的因素 带电粒子在回旋加速器内运动时间长短,与带电粒 子做匀速圆周运动的周期有关,同时还与带电粒子在磁 场中转动的圈数有关.设带电粒子在磁场中转动的圈数

为n,加速电压为U.因每加速一次粒子获得能量为qU,每
圈有两次加速.结合Ekn= 此n= 知,2nqU= ,因

.所以带电粒子在回旋加速器内运动时间

题型训练 3.如右图所示,回旋 加速器D形盒的半径为R, 用来加速质量为m、电荷 量为q的质子,使质子由 静止加速到的最大动能为 Ek后,由A孔射出,忽略 带电粒子在电场中运动的 时间.求: (1)加速器中匀强磁场B的大小和方向. (2)设两D形盒间距为d,其间电压为U,电场视为匀强电场 ,质子每次经过电场加速后动能增加,加速到上述最大动能 所需回旋周数为多少? (3)加速到上述最大动能所需时间为多少?

解析:(1)带电粒子在磁场中, 由qvB= Ek= . 得 v=

把它代入Ek= mv2 得:

所以B=

,方向竖直向下.

(2)带电粒子每经过一个周期被电场加速二 次,动能增加2qU,则 Ek=n(2qU), 所以加速到上述最大动能所需回旋周数为 n= .

(3)带电粒子在磁场中运行周期: 所以t总=nT= × =

答案:(1) (2)

方向竖直向下 (3)

考点四

霍尔效应

基础回顾

含义:如右图所示,厚度为 h,宽度为d的超导体板(也称为霍 尔导体)放在垂直于它的磁感应强 度为B的匀强磁场中,当电流I通 过导体板时,在导体板的上侧面 A和下侧面A′之间产生电势差, 这种现象称为霍尔效应.此电势 差称为霍尔电压.
霍尔系数:当磁场不太大时,霍尔电压U跟I和B的关系为U = ,式中的比例系数K称为霍尔系数.

要点深化 1.霍尔电压U= 的推导

设霍尔导体中自由电荷(也称为载流子)是自由电 子.图中电流方向向右,则电子受洛伦兹力向上,在 上表面A积聚电子,直到平衡时:qvB=qE, 由此得:E=Bv 电势差U=Eh=Bhv. 又I=nqSv,S为导体的横截面积S=hd 得:v= 所以U=Bhv= = .

2.测定导体内自由电荷的 浓度n,判断导体内是何种自由 电荷

只要测出B、I、U和d,可得霍尔 系数K和n.测出霍尔电压U的正、 负,即可判断自由电荷的类型. 3.磁强计——测量磁感应强度B 的仪器
磁强计中有一块导体,接有a、b、c、d四个电极,导体置于 匀强磁场中,如右图所示,a、b间通有电流I,c、d间出现电 势差U.由上面的讨论可得B= ,则B∝U.只要将磁强 计在已知的磁场中定好刻度,即可通过测量U来确定B.

题型训练 4.如图所示是电磁流 量计的原理图,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 连接(图中虚线). 图中流量计的上下两面是金属材料,前后两侧面是绝缘材 料.现于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、下两表面分别与一串接了电阻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,则可求得流量为( )

解析:I=

,r=

,=

evB,Q=vbc,以上各式解得:

答案:A

考点五

磁偏转技术

基础回顾

1.电视机的显像管中,电子束的偏转是用________技 术实现的,下图就是电视机显像管的示意图.

2.受力特征 在“磁偏转”中,质量为m,电荷量为e的电 子以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中 时,所受的洛伦兹力fB=evB与粒子的速度v有关, fB所产生的加速度使电子的速度方向发生变化,而 速度方向的变化反过来又导致fB的方向变化,fB是 变力. 3.运动规律 在“磁偏转”中,变化的fB使电子做变速曲线 运动——匀速圆周运动. 答案:1.磁偏转

要点深化 电子“电偏转”和“磁偏转”的比较 分类 项目 偏转产生 条件 受力特征 运动性质 轨迹 处理方法

电偏转

磁偏转

电子以速度v0垂直射 电子以速度v0垂直射 入匀强电场 入匀强磁场 f=ev0B(变力) F=eE(恒力) 匀变速曲线运动 匀速圆周运动 抛物线 运动的合成与分解 圆或圆弧 匀速圆周运动知识

运动规律

偏转角

动能变化

动能增大

动能不变

题型训练 5.如下图所示为电视机显像管示意图.电子束经过电压 为U=2×103 V的加速电场后,进入一圆形匀强磁场区.磁场 方向垂直于圆面向里,磁场区的中心为O,半径r=10 cm.磁场 右边界到荧光屏的距离为L=20 cm.当不加磁场时,电子束将通 过O点而打到屏幕的中心P0点,为了让电子束射到屏幕边缘P, 需要加磁场,使电子偏转,已知 =30 cm,电子的质 量为m=9×10-31 kg,电子的电荷量e=1.6×10-19 C.求此时 磁场的磁感应强度B.

解析:电子束经过电场加速后,根 据动能定理可以求出进入磁场时的 速度,在磁场中受洛伦兹力的作用 电子将发生偏转,要求出磁感应强 度值,就应求粒子做圆周运动的半 径.

如下图所示,电子在磁场中沿圆弧 ab运动,圆心为C,半径为R,以v 表示电子进入磁场时的速度. 在加速电场,根据动能定理,有:
eU= mv2①

洛伦兹力提供向心力,有:

由图可知:



联立①~④并代入数据解得:

答案:







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