高中物理------8个电磁场仪器

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有关电磁场的仪器

一、速度选择器

如图所示平行板器件中，电场强度E 和磁感应强度B 相互垂直。 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。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器,这是质谱仪的重要组成部分。 速度选择器原理：

1.粒子受力特点：同时受方向相反的电场力和磁场力作用。

2.粒子匀速通过速度选择器的条件：电场力和洛伦兹力平衡：qE=qvB ，v=E/B 速度大小只有满足v=E/B 的粒子才能沿直线匀速通过。 注意：

1.速度选择器对正、负电荷均适用。

2.速度选择器中的E 、B 的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择。

3.速度选择器只能单向选择，如上图中粒子从右侧进入会受到相同方向的电场力和洛伦玆力而打到板上

【例1】如图所示，一个电子经加速电压U 1后得到一定的速度，然后进入正交的电场和磁场，电子沿直线经过经过偏转极板后从右边S 板中央孔穿出，已知磁场强度为B ，上下极板间距为d （电子质量为m ，带电量为-e ）. 问：

（1）水平极板间的电场强度为多少？

（2）若电场强度不变，调节B 的大小，使得电子恰好从水平极板的下边缘射出打在S 板上，问打在板上

前的速度是大小？

二、质谱仪

质谱仪是测量带电粒子荷质比的工具。质谱仪的作用，就是把同一种元素的各种同位素都区分开来（各同位素按质量大小排列，形成一个"谱"）。原理：带电粒子垂直入射到磁场中，做圆周运动的圆周半径与质量有关（r=mv/qB ），根据半径与质量的关系就可以区别各个同位素。

【例2】（2001年高考理综卷）如图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使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离子。离子从狭缝S 1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S 2、S 3射入磁感应强度为B 的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ 。最后，离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝S 3的细线。若测得细线到狭缝S 3的距离为d ，导出离子的质量m 的表达式。

m

q + - 1

U S

.

加速电场

速度选择器

偏转磁场

U

G

H

M N

+

-

+ 高频

电源

【变式1】如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电势差为U 的加速电场后进入粒子速度选择器。选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H 点。可测量出G、H间的距离为l。带电粒子的重力可忽略不计。求：

（1）粒子从加速电场射出时速度v的大小。

（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向。

（3）偏转磁场的磁感应强度B2的大小。

三、回旋加速器

1它是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。

2它的核心结构是两个D型的金属盒接在电极上。D型盒中间有一条小缝，中心

附近有一个粒子源.整个装置放在巨大的电磁铁的两极之间。

3带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直磁场方向进入某一D型盒内，在

洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。

4带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为Ek=qu，

粒子每经过一个周期，被电场加速两次。

5对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径是相同的。

【例3】下图为回旋加速器工作示意图，其中置于真空中的金属D形盒的半径为R，两盒间距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示。粒子质量为m，电荷量为q。设带电粒子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计。假设加在两个金属D形盒上的高频交流电压大小为U. （1）粒子加速后能获得最大的动能E k为多大？

（2）交变电流的周期T为多大？

（3）求粒子在电场中加速次数n

（4）求粒子在加速器中运动的总时间t1（略去了在加速电场中的运动时间）。

（5）如果不能略去加速时间，那总时间又为t2多少?

U

B

1

S

2

S

3

S

A

感光片

P

Q

d

S

d

导向板

B

.

【变式2】如图所示，PQ 是匀强磁场中的一片薄金属片，其平面与磁场方向平行，一个α粒子从某点以与PQ 垂直的速度v 射出，动能为E k ，射出后α粒子的运动轨迹如图所示。已知它在金属片两边的轨迹半径之比为10:9，若穿越板的过程中粒子受到的阻力大小及电荷量恒定，则（ ）

A. α粒子每穿过一次金属片，速度减小了110 2E k

m

B. α粒子每穿过一次金属片，动能减小了0.19E k

C. α粒子穿过5次后陷在金属片里

D. α粒子穿过9次后陷在金属片里 四、磁流体发电机

磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体，例如空气或液体，与磁场相对运动而发电的一种设备。

原理：将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。

【例4】磁流体发电机的A 、B 两极板相距d =0.2m ，极板间有永磁体产生的匀强磁场如图，B =1.0T ，外电路中可变负载R 用导线与极板相连.电离气体以速率v =1100m/s 沿极板射入，极板间电离气体等效内阻r =0.1Ω，求：

（1）哪块板电势高？求发电机两极板间的电动势E

（2）求此发电机的最大输出功率P m

答案：220V ，121kw

五、电磁流量计

【例5】如图为电磁流量计的示意图，截面为矩形的非磁性导电管，边长分别为a 、b ，内有导电液流动，在垂直液体流动方向加如图的匀强磁场，磁感应强度为B 。现测得上下管壁MN 间的电势差为U ，求管内导电液体的流量Q 。

P Q B

A B

N S

等离子体束液体 a Ｂ

M N b