磁场几种仪器经典(速度选择器、电磁流量计等)

电磁场的应用

一、速度选择器

1．如图所示的平行板器件中．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从 P 孔射入后发生偏转的情况不同。利用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。

现有一束带正电粒子（电量为q，质量为m）从P孔进入，

要使其能从Q孔离开，粒子的速度应满足怎样的条件？

如果是一束带负电的粒子，从P孔进入，要使其能从Q孔

离开，粒子的速度应满足怎样的条件？

如果让粒子从Q孔进入，能否从P孔离开？

2．如图，水平放置的平行金属板a、b带有等量异种电荷，b板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( )

A．沿竖直方向向下

B．沿竖直方向向上

C．沿水平方向向左

D．沿水平方向向右

3．在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（）

A、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右

B、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里

C、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下

D、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下

二.质谱仪:

1．图1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s3的细线。若测得细线到狭缝s3的距离为d。试求离子的质量m的表达式。

2．如图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2，平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是（）

A．质谱仪是分析同位素的重要工具

B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外

C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

三.回旋加速器

1．在高能物理研究中，粒子回旋加速器起着重要作用，如图甲为

它的示意图。它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正中间开有一条窄缝。两个D型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。图乙为俯视图，在D型盒上半面中心S处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D型盒中。在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速。如此周而复始，最后到达D型盒的边缘，获得最大速度，由导出装置导出。已知正离子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B，D型盒的半径为R。每次加速的时间很短，可以忽略不计。正离子从离子源出发时的初速度为零。（1）为了使正离子每经过窄缝都被加速，求交变电压的周期；

（2）求离子能获得的最大速度；

（3）求离子第1次与第n次在下半盒中运动的轨道半径之比。

2．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D 形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是( )

A．增大匀强电场间的加速电压

B．增大磁场的磁感应强度

C．减小狭缝间的距离

D．增大D形金属盒的半径

3．如果用同一回旋加速器分别加速氚核（

3

1H）和α粒子(

4

2He)，比

B

甲

~

S

B

乙

B

a

b

B

M

较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，可知 ( ) A ．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小 B ．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大 C ．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小 D ．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大 四.磁流体发电机

1．磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图是它的示意图．平行金属板A 、B 之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，A 、B 两板间便产生电压．如果把A 、B 和用电器连接，A 、B 就是一个直流电源的两个电极．设A 、B 两板间距为d ，磁感应强度为B ，等离子体以速度v 沿垂直于磁场的方向射入A 、B 两板之间，则下列说法正确的是（ ） A ．A 是直流电源的正极 B ．B 是直流电源的正极 C ．电源的电动势为Bdv D ．电源的电动势为qvB 五.电磁流量计

1.如图-5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。导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下横向偏转，a 、b 间出现电势差。当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a 、b 间的电势差就保持稳定。设a 、b 两点间的电势差为U ，试写出流量Q 的表达式

2.为了测量某化肥厂的污水排放量，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，在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B 的匀强磁场，在前后两个内侧面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)，下列说法正确的是 ( )

A ．若污水中正离子较多，则前内侧面比后内侧面电势高

B ．前内侧面的电势一定低于后内侧面的电势，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 与电压U 成正比，与a 、b 有关 3．如图为一电磁流量计的示意图，其截面为正方形的非磁

性管，每边边长为d ，导电液体流动，在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场，磁感应强度为B .现测得液体a 、b 两点间的电势差为U ，求管内导电液体的流量Q . 六．霍尔效应

霍尔效应：置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则垂直于电流和磁场方向会产生一个附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而引起的偏转。 1．（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 =k 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）稳定时，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 =ne

I

，其中n 代表导体板单位体积中电子的个数。

2、如图所示是在一个很小的矩形导体板上，制作4个电极E 、F 、M 、N 而成的霍尔元件，导体板长为a 、宽为b 、厚为d ，垂直放在磁感应强度为B 的匀强磁场中，设电流I 是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向移动速度为v ，导体单位体积内的自由电子数为n ，电子电量为e ，则达到稳定状态时： （1）比较M 、N 两个极的电势高低；

（2）求出霍尔电压U 与B 、I 的关系，并讨论怎样改变霍尔元件的长、宽、厚才能有效提高霍尔电压。

××××a ××××B d ××××××××× v

××××b ××××

图-5

B I

M

N

E

F

a

b

d