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

.

【变式3】为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a 、b 、c ，左右两端开口，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B 的匀强磁场，在前后两个内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U ．若用Q 表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是（ ）

A ．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高

B ．前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多无关

C ．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大

D ．污水流量Q 与U 成正比，与a 、b 无关

【变式4】（01全国理综）电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间内通过管内横截面的流体的体积)．为了简化，假设流量计是如图所示的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相连接(图中虚线)．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感强度为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（ ）

A ．)(c b aR

B I ρ+ B ．)(a

c bR B I ρ+ C ．

)(b a cR B I ρ+ D ．)(a bc R B I ρ+ 六、霍尔效应

【例6】（2000年高考理综卷）如图所示，厚度为h 、宽为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的均匀磁场中，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，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U ，电流I 和B 的关系为U=kIB /d ， 式中的比例系数k 称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I 是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v ，电量为e ，回答下列问题： （1）达到稳定状态时，导体板上侧面Ａ的电势 下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。 （2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U 时，电子所受的静电力的大小为 ．

（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数K=1/ne ，其中n 代表导体板单位体积中电子的个数。

七、电磁泵

【例7】作用在导电液体上的安培力能起到推动液体流动的作用，这样的装置称为电磁泵，它在医学技术上有多种应用，血液含有离子，在人工心肺机里的电磁泵就可作为输送血液的动力。某电磁泵及尺寸如图所示，矩形截面的水平管道上下表面是导体，它与磁感强度为B 的匀强磁场垂直，并有长为l 的部分在磁场中，当管内充满血液并通以横穿管子的电流时血液便能向前流动。为使血液在管内不流动时能产生向前压强P ，电流强度应调节为 。由于血液的特殊性，在电流方向上单位截面承受的电流强度不能超过I 0，若其他条件不变，匀强磁场的宽度l 至少为 。答案：由

pab BIb =得，/

0BI P B ap ； a

b

I

B

N

S

l 血液

八，磁电式电表

特点：两磁极间装有极靴，极靴中间的铁质圆柱，使

极靴与圆柱间的磁场都沿方向，保持线圈转动时，

安培力的大小不受磁场影响，电流所受安培力的方向总

与线圈平面垂直.使线圈平面都与磁场方向，使表盘

刻度，如图5所示.

4.优点：灵敏度高，可以测出的电流.

缺点：线圈导线很细，允许通过的电流很弱.

例8实验室经常使用的电流表是磁电式仪表.这种电流表的构造如图6甲所示.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的.当线圈通以如图乙所示的稳恒电流(b端电流流向垂直纸面向内)，下列说法正确的是()

A.当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到

的安培力方向向上

B.线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈

转动

C.线圈通过的电流越大，指针偏转角越小

D.电流表表盘刻度均匀

.