第三章 磁场与现代科技应用.doc

第三章 磁场与现代科技应用课前自主学习（学案）一、请学生自主复习教材第三章第5、6节P104至P107二、结合复习的内容思考如下问题： 1、质普仪、速度选择器、磁流体发电机、回旋加速器的构造、原理以及主要用途是什么？ 2、通过速度选择器的粒子的速度应该满足怎样的条件？如果改变速度的方向还能否实现选择的目的？ 3、霍尔元件为什么会产生电势差？哪个侧面电势差较高？ 4、回旋加速器与直线加速器的优缺点是什么？三、自主解答几道题目1、右图为云室中某粒子穿过铅板 P前后的轨迹，室中匀强磁场的方向与轨迹所在平面垂直（图中垂直于低面向里），由此可知此粒子（ A ）A.一定带正电B.一定带负电C.不带电D.可能带正电，也可能带负电2、下图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图设法是某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子分子离子从狭缝s1以很小的速度进入电压为U的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s2、s3射入磁感强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3的细线若测得细线到狭缝s3的距离为d，导出分子离子的质量m的表达式。

答案：以m、q表示离子的质量电量，以v表示离子从狭缝s2射出时的速度，由功能关系可得 ①射入磁场后，在洛仑兹力作用下做圆周运动，由牛顿定律可得 ②式中R为圆的半径感光片上的细黑线到s3缝的距离d＝2R ③解得 ④3、如图所示，一圆形导管直径为，用非磁性材料制成，导管内有导电的液体流动，强度为的匀强磁场垂直液体流动方向而穿过一段圆形管道，若测得管内、两点间的电势差为,则管中液体的流量为多大？解析：导管液体最后处于平衡状态，即得所以课堂主体参与（教案）【学习目标】1、掌握速度选择器的工作原理和计算方法2、掌握质谱仪的工作原理及其应用3、知道磁流体发电机的发电原理4、知道回旋加速器的基本构造和加速原理重点、难点】1、本节重点：速度选择器、质谱仪、磁流体发电机、回旋加速器的应用2、本节难点：回旋加速器的加速原理及其应用学习内容】一、课前自主学习检查1、月球探测器在研究月球磁场分布时发现，月球上的磁场极其微弱。

探测器通过测量运动电子在月球磁场中的轨迹来推算磁场强弱的分布：下图是探测器在月球上A、B、C、D四个位置所探测到的电子运动轨迹的照片，设在各位置电子速率相同，且电子进入磁 A B C D场时速度方向均与磁场方向垂直则由照片可判断这四个位置中磁场最强的是( A )2、质子和α粒子在同一匀强磁场中作半径相同的圆周运动，由此可知质子的动能 E1和α粒子的运动 E2之比 E1 :E2等于（B ）.A.4: 1 B.1 :2 C.1: 2 D.2: 13、Iab如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电流方向向上.由于磁场的作用，则（A）A.板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势B.板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势C.板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势D.板右侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势+-二、构建知识框架、剖析典型概念1、速度选择器如图1所示，在重力可以忽略不计情况下，运动方向相同而速率不同的正离子组成的离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,方向向下，磁场的磁感应强度为,方向垂直纸面向里，若离子运动轨迹不发生偏转，必须满足平衡条件：,故,这样就把满足的带电粒子从速度选择器中选择出来速度选择器只选择速度大小而不选择粒子的种类。

即只要，粒子就能沿直线匀速通过选择器，而与粒子的电性、电量、质量无关不计重力）对某一确定的速度选择器，有确定的入口和出口，如果将入口和出口对调，粒子必发生偏转 +-2、质谱仪质谱仪的构造如图3所示，质谱仪由速度选择器和板右侧的偏转分离磁场两部分组成图示质谱仪先对离子束进行速度选择后，相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场中做匀速圆周运动，不同荷质比的离子轨道半径不同，将落在板的不同位置，由此测定带电粒子的质量和分析同位素3、回旋加速器回旋加速器原理如图5所示处带正电的粒子源发出带正电的粒子以速度垂直进入匀强磁场，在磁场中匀速转动半个周期，到达时，在处造成向上的电场，粒子被加速，速率由增加到，然后粒子以在磁场中匀速转动半个周期，到达时，在处造成向下的电场，粒子又一次被加速，速率由增加到，如此继续下去，每当粒子经过的交界面时都是被加速，从而速度不断地增加带电粒子在磁场中作匀速圆周运动的周期为，为达到不断加速的目的，要在上加上周期也为的交变电压即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、板上，产生电势差，设、平行金属板的面积为，相距，等离子体的电阻率为，喷入气体速度为，板间磁场的磁感强度为，板外电阻为，当等离子气体匀速通过、板间时，、板上聚集的电荷最多，板间电势差最大，即为电源电动势，此时离子受力平衡：，，电动势电源内电阻，通过电阻的电流5、电磁流量计电磁流量计原理：如图所示，一圆形导管直径为，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动，导电流体中的自由电荷（正负离子）在洛仑兹力作用下横向偏转，、间出现电势差，可利用自由电荷所受电场力和洛仑兹力平衡的原理，以求得导电流体的流量（流量即单位时间内流过管道某一截面的体积）。

6、磁强计将导体放在沿方向的匀强磁场中并通有沿方向的电流时，在导体的上下两侧面间会出现电势差，这个现象称为霍尔效应利用霍尔效应的原理可以制造磁强计，测量磁场的磁感应强度三、自主研究例题1、如图所示为带电粒子速度选择器的示意图，若使之正常工作，则以下叙述哪些是正确的？A.的电势高于的电势B.匀强磁场中磁感应强度,匀强电场的电场强度和被选择的速度的大小应满足C.从出来的只能是正电荷，不能为负电荷D.如果把正常工作时和的方向都改变为原来相反方向，选择器同样正常工作解析：在重力不计的条件下，带电粒子所受的电场力和洛伦磁力应大小相等、方向相反，有得若电荷为正电荷，洛伦磁力方向水平向右，则电场力方向应水平向左，＜.若电荷为负电荷，洛伦磁力方向水平向左，则电场力方向应水平向右，而电场方向依然向左，因此电势应有＜.如果把磁场和电场方向都反向，则洛伦磁力和电场方向也同时都改变，所以选择器仍能正常工作正确选项为BD+-2、如图所示，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里，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离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入后一磁场的离子，可得出结论（ ） A. 它们的动能一定各不相同 B. 它们的电量一定各不相同 C. 它们的质量一定各不相同D. 它们的电量与质量之比一定各不相同解析：从第一个磁场进入后一磁场的带电粒子一定满足,即这些粒子速度相同。

又在后一个磁场中，粒子运动半径,由于、相同，而半径不同，所以的比值不同选3、一个回旋加速器，当外加电场的频率一定时，可以把质子的速率加速到，质子所能获得的能量为，则：（1）这一回旋加速器能把粒子加速到多大的速度？（2）这一回旋加速器能把粒子加速到多大的能量？（3）这一回旋加速器加速粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之比为？解：（1）由得 ……① 由周期公式 得知，在外加电场的频率一定时，为定值，结合①式得2）根据动能公式有及为定 值得，在题设条件下，粒子最终获得动能与粒子质量成正比所以粒子获得的能量为4３）由周期公式 得4、早在19世纪法拉第就曾设想，利用磁场使海流发电，因为海水中含有大量的带电离子，这些离子随海流作定向运动，如果有足够强的磁场能使这些带电离子向相反方向偏转，便有可能发出电来目前，日本的一些科学家将计划利用海流建造一座容量为的磁流体发电机如图所示为一磁流体发电机的原理示意图，上、下两块金属板、水平放置浸没在海水里，金属板面积均为，板间相距，海水的电阻率在金属板之间加一匀强磁场，磁感应强度 ，方向由南向北，海水从东向西以速度流过两金属板之间，将在两板之间形成电势差。

１）达到稳定状态时，哪块金属板的电势较高？（2）由金属板和海水流动所构成的电源的电动势及其内电阻各为多少？（3）若用此发电装置给一电阻为的航标灯供电，则在内航标灯所消耗的电能为多少？ 解析：（1）由左手定则得：板电势较高．（2）当海水中流动的带电离子进入磁场后将在两板之间形成电势差，当所受到的电场力与洛伦兹力相平衡时达到稳定状态即：代入有关数据得电动势 内阻 （3）电路中的电流 由公式可求的得消耗的电能为5、磁强计的原理如图所示电路中有一段金属导体，它的横截面为边长等于的正方形，放在沿正方向的匀强磁场中，导体中通有沿方向、电流强度为的电流，已知金属导体单位体积中的自由电子数为，电子电量为，金属导体导电过程中，自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动，测出导体上下两侧面间的电势差为求：（1）导体上、下侧面哪个电势较高？（2）磁场的磁感应强度是多大？ 解析：（1）因为电流向右，所以金属中的电子向左运动，根据左手定则可知电子向下侧偏移，下表面带负电荷，上表面带正电荷，所以上侧电势高。

2）由于电子做匀速运动，所以即且解得四、小组讨论质疑五、师生合作研讨 六、总结提升掌握电磁场在实际中的应用，必须了解各应用的构造、原理以及主要用途是什么在具体解题中运用电磁复合场的相关知识解题当堂训练】1、如图是某离子速度选择器的原理示意图，在一半径为R＝10cm的圆柱形桶内有B＝T的匀强磁场，方向平行于轴线，在圆柱桶某一直径两端开有小孔，作为入射孔和出射孔．离子束以不同角度入射，最后有不同速度的离子束射出．现有一离子源发射荷质比为g ＝2C/kg的阳离子，且离子束中速度分布连续．当角q ＝45，出射离子速度v的大小是（　）A、m/s　　B、m/s　　C、m/s　　D、m/s答案： B2、质谱仪是一种测带电粒子质量和分析同位素的重要工具，现有一质谱仪，粒子源产生出质量为m电量为的速度可忽略不计的正离子，出来的离子经电场加速，从点沿直径方向进入磁感应强度为B半径为R的匀强磁场区域，调节加速电压U使离子出磁场后能打在过点并与垂直的记录底片上某点上，测出点与磁场中心点的连线物夹角为，如图所示求证：粒子的比荷证明：如图所示，离子从粒子源出来后在加速电场中运动由得离子以此速度垂直进入磁场运动,由洛仑兹力提供向心力得,所以所以有。

3、串列加速器是用来生产高能。