高考物理三轮冲刺：带电粒子在复合场中的运动教案

这是一份高考物理三轮冲刺：带电粒子在复合场中的运动教案，共12页。
2.掌握复合场典型运动的分析
带电粒子在复合场中的实际应用
1．质谱仪
(1)构造：如图1所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成．
图1
(2)原理：粒子由静止被加速电场加速，qU＝eq \f(1,2)mv2.
粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qvB＝meq \f(v2,r).
由以上两式可得r＝eq \f(1,B) eq \r(\f(2mU,q))，m＝eq \f(qr2B2,2U)，eq \f(q,m)＝eq \f(2U,B2r2).
2．回旋加速器
(1)构造：如图2所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中．
图2
(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子经电场加速，经磁场回旋，由qvB＝eq \f(mv2,r)，
得Ekm＝eq \f(q2B2r2,2m)，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定，与加速电压无关．
3．速度选择器
(1)构造：如图3所示，平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直，这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫速度选择器．
图3
(2)带电粒子沿直线匀速通过速度选择器的条件是Eq＝qvB，即v＝eq \f(E,B)，速度v与粒子电荷量、电性、质量无关．
4．磁流体发电机
高速等离子体射入匀强磁场，在洛伦兹力的作用下发生偏转而打在A、B极板上，使两极板产生电势差．当离子做匀速运动时，两极板间的电势差最大．根据左手定则，如图4所示中的B极板是发电机的正极．若磁流体发电机两极板间的距离为d，等离子体速度为v，磁感应强度为B，则由eq \f(Uq,d)＝Bqv得两极板间能达到的最大电势差U＝Bdv.
图4
5．霍尔效应
如图5所示，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流体，当磁场方向与电流方向垂直时，形成电流的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，导致导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差．这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压．当载流子不偏转时，即所受洛伦兹力与电场力平衡时，霍尔电压达到稳定值．
图5
6．电磁流量计
电磁流量计原理：如图6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、负电子)在洛伦兹力作用下纵向偏转，a、b间出现电势差U.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．
由Bqv＝Eq＝eq \f(Uq,d)，可得v＝eq \f(U,Bd).流量Q＝Sv＝eq \f(πUd,4B).
图6
【例题1】1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是( )
A．该束带电粒子带负电
B．速度选择器的P1极板带负电
C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷eq \f(q,m)越小
D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
【演练1】(多选)劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示．置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响．则下列说法正确的是( )
A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf
B．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
C．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为eq \r(2)∶1
D．不改变磁感应强度B和交流电频率f，该回旋加速器的最大动能不变
【例题2】如图所示，在两个水平放置的平行金属板之间，电场和磁场的方向相互垂直．一束带电粒子(不计重力)沿着直线穿过两板间的空间而不发生偏转．则这些粒子一定具有相同的( )．

A．质量m B．电荷量q
C．运动速度v D．比荷eq \f(q,m)
【演练2】 (多选)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7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、负离子)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B′dv
D．电源的电动势为qvB′
【例题3】 (多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图8－3－17是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是( )
A．电势差UCD仅与材料有关
B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD0范围内以x轴为电场和磁场的边界，在x