【2017年整理】2012高考物理复习 电学部分 磁场5 磁场在科技生活中的运用精讲精练.docVIP

2012高考复习 电学部分 精讲精练磁场 5 磁场在科技生活中的运用 【课标要求】 1．掌握带电粒子在复合场中的应用实例。 2．知道回旋加速器的工作原理。 3．认识电磁现象的研究在社会发展中的作用。（质谱仪和回旋加速器的技术细节不作要求。） 【知识精要】 1．质谱仪 （1）主要特征：将质量数不等电荷数相等的带电粒子经同一电场加速后进入同一偏转磁场，由于粒子的动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析元素中所含同位素的种类。 （2）推导过程如下： ，由上式，BUq对同一元素均为常量，故。 （3）质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具。 2．回旋加速器 回旋加速器是利用带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，使带电粒子在磁场中改变运动方向，然后进入电场中加速，使带电粒子在回旋过程中逐渐加速。 （1）回旋加速器加速的最大速度vm由D型盒的边缘的半径R决定，即，故。 （2）加速条件：交变电压的周期和粒子做圆周运动的周期相等。 （3）回旋加速器的优点：使带电粒子在较小的空间得到电场的多次加速，而使粒子获得较高的能量。缺点是这种经典的加速器使粒子获得的能量不会很高。因为粒子能量很高时，它的运动速度接近光速，按照狭义相对论，粒子的质量将随速度的增加而增大，粒子在磁场中的回旋周期将发生变化，这就破坏了回旋加速器的工作条件。 3．速度选择器：构造如图所示，，当带正电粒子从左侧平行于极板射入时，带电粒子同时受到电场力F=qE和洛仑兹力f=qvB作用，当两者等大反向时，粒子不偏转，而是沿直线匀速直线运动，qE=qvB，所以v=E/B，即只要粒子以速度v=E/B的速度沿垂直于磁场和电场的方向射入正交的电磁场中，粒子就不发生偏转。 （1）速度选择器只选择速度的大小而不选择粒子的种类。即只要满足v=E/B，粒子就能沿直线匀速通过选择器，而与粒子的电性、电量、质量无关。 （2）对于某一确定的速度选择器，有确定的入口和出口。若带电粒子能以确定的速度沿某一方向作匀速直线运动，则沿相反方向则不能。 4．磁流体发电机 如图所示是磁流体发电机，其原理是：等离子气体喷入磁场，正负离子在洛仑兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上，产生电势差，设AB平行金属板的面积为S，相距为L，等粒子体的电阻率为ρ，喷入气体的速度为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AB板间时，AB板上聚集的电荷最多，板间电势差最大，即为电源电动势U，此时离子受力平衡：q U/L =qvB，电动势U=BLv，电源的内电阻为r=ρL/S，所以R中电流为。 5．电磁流量计： 如图所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动，导电流体中的正负离子在洛仑兹力作用下横向偏转，ab间出现电势差，当自由电荷所受电场力和洛仑兹力平衡时，ab间的电势差就保持稳定，由可得，，流量。 6．霍尔效应： 如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A之间会产生电势差，这种现象叫做霍尔效应。实验表明，当磁场不够强时，电势差U、电流I、和磁感应强度的关系为，式中的比例系数k称为霍尔系数，霍尔效应可以解释为：自由电子在外部磁场的洛仑兹力作用下，聚集在导体板的一侧，在板的另外一侧会感应出等量的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子产生的电场力和洛仑兹力相反，当静电力和洛仑兹力平衡时，导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差。 【名师点拨】 例1：一个用于加速质子的回旋加速器，其D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，接在D形盒上的高频电源频率为f。下列说法正确的是 A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关 C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值 D．不需要改变任何量，这个装置也能用于加速α粒子 解析：粒子通过回旋加速器获得的最大速度又回旋加速器的D型盒的半径来决定，而与加速电压无关；要加速某一粒子，必须满足粒子的回旋周期和加速电压的交变周期相同；当粒子的速度接近光速时，根据狭义相对论，粒子的质量将发生变化，破坏了回旋加速器的工作原理，故粒子不能被无限加速，综上所述，本题的答案是A和B。 点拨：解决本题需透彻了解回旋加速器的工作原理和条件，切忌生搬硬套。 例题2：质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示．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(加速电场极板间的距离为d、电势差为U)加速，然后垂直进入磁感应强度为B的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片P上．设离子在P上的位置与入口处S1之间的距离为x。 (1)求该离子的荷质比． (2)若离子源产