物理總第九章 磁場(chǎng) 9-3-1 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析

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1、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析0101020203030404速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī) 質(zhì)譜儀的原理和分析質(zhì)譜儀的原理和分析 回旋加速器的原理和分析回旋加速器的原理和分析 霍爾效應(yīng)的原理和分析霍爾效應(yīng)的原理和分析 質(zhì)譜儀的原理和分析質(zhì)譜儀的原理和分析命題角度1質(zhì)譜儀的原理和分析1作用測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。2原理(如圖所示)(1)加速電場(chǎng)：qU12mv2； (2)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：qvBmv2r，l2r； 由以上兩式可得r1B2mUq，mqr2B22U，qm2UB2r2。 質(zhì)譜儀的原理和分析質(zhì)譜儀的原理和分析例1質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計(jì)，是分離和檢測(cè)不同同位素的儀器。工作

2、原理如圖所示，電荷量均為q、質(zhì)量不同的離子初速度幾乎為零地進(jìn)入電壓為U0的加速電場(chǎng)。這些離子經(jīng)加速后通過(guò)狹縫O沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打在底片上。已知放置底片的區(qū)域MNL，且OML。某次測(cè)量發(fā)現(xiàn)MN中左側(cè)區(qū)域MQ損壞，檢測(cè)不到離子，但右側(cè)區(qū)域QN仍能正常檢測(cè)到離子。在適當(dāng)調(diào)節(jié)加速電壓后，原本打在MQ的離子即可在QN檢測(cè)到。為使原本打在MN中點(diǎn)P的離子能打在QN區(qū)域，則加速電壓U的值不可能為()A.16U09 B.100U081 C.140U081 D2U0 轉(zhuǎn)到解析質(zhì)譜儀的原理和分析質(zhì)譜儀的原理和分析轉(zhuǎn)回原題回旋加速器的原理和分析回旋加速器的原理和分析命題角

3、度2回旋加速器的原理和分析1加速條件：T電場(chǎng)T回旋2mqB； 2磁場(chǎng)約束偏轉(zhuǎn)：qvBmv2r vqBrm。 3帶電粒子的最大速度 vmaxqBrDm，rD為 D 形盒的半徑。粒子的最大速度 vmax與加速電壓 U 無(wú)關(guān)。 回旋加速器的原理和分析回旋加速器的原理和分析4回旋加速器的解題思路 (1)帶電粒子在縫隙的電場(chǎng)中加速、交變電流的周期與磁場(chǎng)周期相等，每經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)一次，粒子加速一次。 (2)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)、半徑不斷增大，周期不變，最大動(dòng)能與D 形盒的半徑有關(guān)。 A質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2fRB質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小有關(guān)C高頻電源只能使用矩形交變電流，不能使用正

4、弦式交變電流D不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速粒子回旋加速器的原理和分析回旋加速器的原理和分析轉(zhuǎn)到解析例2 (2017常州模擬)回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示。設(shè)D形盒半徑為R。若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電頻率為f。則下列說(shuō)法正確的是()解析 由 T2Rv，T1f，可得質(zhì)子被加速后的最大速度為 2fR，其不可能超過(guò) 2fR，質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無(wú)關(guān)，選項(xiàng) A

5、正確、B 錯(cuò)誤；高頻電源可以使用正弦式交變電源，選項(xiàng) C 錯(cuò)誤；要加速 粒子，高頻交流電周期必須變?yōu)?粒子在其中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期，即 T2mqB，故選項(xiàng) D 錯(cuò)誤。答案 A 回旋加速器的原理和分析回旋加速器的原理和分析轉(zhuǎn)回原題霍爾效應(yīng)的原理和分析霍爾效應(yīng)的原理和分析命題角度3霍爾效應(yīng)的原理和分析1定義：高為h，寬為d的金屬導(dǎo)體(自由電荷是電子)置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，當(dāng)電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，在金屬導(dǎo)體的上表面A和下表面A之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，此電壓稱為霍爾電壓。2電勢(shì)高低的判斷：如圖，金屬導(dǎo)體中的電流 I 向右時(shí)，根據(jù)左手定則可得，下表面 A的電勢(shì)高。 3霍爾電壓的計(jì)算：導(dǎo)體中的自由電

6、荷(電子)在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，A、A間出現(xiàn)電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時(shí)，A、A間的電勢(shì)差(U)就保持穩(wěn)定，由qvBqUh，InqvS，Shd；聯(lián)立得 UBInqdkBId，k1nq稱為霍爾系數(shù)。 轉(zhuǎn)到解析題目滾動(dòng)霍爾效應(yīng)的原理和分析霍爾效應(yīng)的原理和分析答案答案 D解析 靜電力的大小應(yīng)為 FqUh，選項(xiàng) A 錯(cuò)誤；載流子的電性是不確定的，因此選項(xiàng) B 錯(cuò)誤；霍爾系數(shù) k1nq，其中 n 為導(dǎo)體單位體積內(nèi)的電荷數(shù)， 選項(xiàng)C錯(cuò)誤； 載流子所受洛倫茲力的大小F洛qvB， 其中vInqdh，可得 F洛BIndh，選項(xiàng) D 正確。 答案 D 霍爾效應(yīng)的原理和分析霍爾效應(yīng)的原理和分析轉(zhuǎn)回原

7、題速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)命題角度4速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)A一定帶正電B速度vC若速度v ，粒子一定不能從板間射出D若此粒子從右端沿虛線方向進(jìn)入，仍做直線運(yùn)動(dòng)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)到解析例4 在如圖所示的平行板器件中，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直。一帶電粒子(重力不計(jì))從左端以速度v沿虛線射入后做直線運(yùn)動(dòng)，則該粒子()速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)回原題解析 粒子帶正電和負(fù)電均可， 選項(xiàng) A 錯(cuò)誤； 由洛倫茲力等于電場(chǎng)力，即 qvBqE，解得速度 vEB，選項(xiàng) B 正確；若速度 vEB，粒子可能從板間射出，選項(xiàng) C

8、錯(cuò)誤；若此粒子從右端沿虛線方向進(jìn)入，所受電場(chǎng)力和洛倫茲力方向相同，不能做直線運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng) D 錯(cuò)誤。 答案 B 變式訓(xùn)練 (多選)目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，如圖所示表示它的發(fā)電原理：將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負(fù)電的粒子，而從整體來(lái)說(shuō)呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B，這時(shí)金屬板上就聚集了電荷。在磁極配置如圖中所示的情況下，下列說(shuō)法正確的是() AA板帶正電 B有電流從b經(jīng)用電器流向a C金屬板A、B間的電場(chǎng)方向向下 D等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)解析由左手定則，A板帶負(fù)電，則電流從b經(jīng)用電器流向a，金屬板間的電場(chǎng)方向向上，故選項(xiàng)B、D正確。答案BD速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的一般過(guò)程：