物理选择性必修 第二册带电粒子在匀强磁场中的运动表格教案

这是一份物理选择性必修 第二册带电粒子在匀强磁场中的运动表格教案，共7页。教案主要包含了速度选择器的工作原理，磁流体发电机的工作原理，电磁流量计的工作原理，霍尔元件的工作原理，课堂小结等内容，欢迎下载使用。
课程基本信息
学科
物理
年级
高二
学期
(春季/秋季)
课题
速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件工作原理
教科书
书 名：选修2教材
出版社：人民教育出版社 出版日期：XXX年XXX月
教学目标
1.知道速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计和霍尔元件的工作原理。
2.能熟练应用洛仑兹力与电场力的平衡关系式推导相关的物理量。
教学内容
教学重点：
1. 知道速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计和霍尔元件的工作原理。
2. 能熟练应用洛仑兹力与电场力的平衡关系式推导相关的物理量。
教学难点：
1.电场力与洛仑兹力平衡的建立过程。
2. XXX。
教学过程
一、速度选择器的工作原理
速度选择器是一种能在大量同方向但不同速度大小的粒子中把某一特定速度的粒子选择出来的装置。其原理如图所示，两平行金属板之间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，电场场强大小为E，磁感应强度大小为B。左侧小孔中射入大量不同水平速度的带电粒子，某一特定速度的粒子能沿着图示虚线运动并从右侧小孔射出，其它的粒子则会被挡板挡住。（粒子不计重力）
1.负离子情况分析：
当负粒子进入速度选择器时，负粒子会受到与电场场强相反的竖直向上的电场力，负粒子也会受到竖直向下的洛仑兹力，重力不计。只有当洛仑兹力与电场力相等时，负粒子才能做直线运动，从右侧小孔射出。代入电场力公式和洛仑兹力的公式可得，进一步推导得当粒子的速度大小满足时，将沿虚线运动，并从左侧小孔射出。
当时，洛仑兹力大于电场力，粒子将向下偏转，打到挡板上。
当时，洛仑兹力小于电场力，粒子将向上偏转，也打到挡板上。
结论1：速度选择器能选择出的负离子
2.正离子情况分析：
正粒子进入速度选择器，会受到竖直向下的电场力和竖直向上的洛仑兹力，当电场力与洛仑兹力的大小相等时，也能沿虚线做直线运动，从右侧小孔射出。进一步分析可得，当粒子的速度大小满足时，将沿虚线运动，从右侧小孔射出。
结论2：速度选择器能选择出的正离子
3.粒子从右侧进入速度选择器
当粒子从左侧进入速度选择器时，无论什么粒子，都不能沿水平直线运动并从左侧小孔射出。
结论3：当粒子从左侧进入速度选择器时，无论什么粒子，都不能沿水平直线运动并从左侧小孔射出。
总结论：无论什么粒子，只要速度大小满足的粒子从左侧进入速度选择器，就能沿水平直线运动并从右侧小孔射出，与粒子的质量、正负等因素无关。其它速度的粒子将被挡住，从而选出速度大小为的粒子。
二、磁流体发电机的工作原理
一种用磁流体发电的装置如图所示。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。
当等离子体进入两极板间的磁场区域后，用左手定则可判断出，正离子受到竖直向下的洛仑兹力，负离子受到竖直向上的洛仑兹力。正离子会向下偏转，聚集到下极板B，负离子则会向上偏转，聚集到上极板A。两极板一旦聚集了电荷，会产生什么东西呢？同学可以思考下。好，我想同学们肯定可以想到两极板间会出现竖直向上的匀强电场，如带电的电容器一样。这样，会使后面进入的正离子除了受到竖直向下的洛仑兹力之外，还会受到竖直向上的电场力，由于刚开始两极板聚集的电荷不多，因而电场强度不大，使电场力小于洛仑兹力，所以正离子继续向下偏转，聚集到B极板。同理负离子继续向上偏转，聚集到A极板，使电场强度越来越大，离子受到的电场力也越来越大。最终，当电场力等于洛仑兹力的时候，正、负离子将不再向两极板偏转，电场强度也不再增大，维持电场力与洛仑兹力的平衡。
公式推导过程：
三、电磁流量计的工作原理
如右图所示是电磁流量计的示意图。圆管由非磁性材料制成，空间有匀强磁场。当管中的导电液体流过磁场区域时，测出管壁上M、N两点间的电势差U，就可以知道管中液体的流量Q——单位时间内流过管道横截面的液体体积。已知管的直径为d，磁感应强度为B，试推出Q与U关系的表达式。假定管中各处液体的流速相同。
流量的定义是液体流过管道某一横截面的体积与所用时间的比值，根据定义我们可推导出流量的公式为，S为横截面积、v为液体的流速。横截面积S可以用刻度尺测出管道内径再用公式算出，液体的流速v我们采用电磁的方法测出。为了便于分析，我们把原理示意图画成正面剖视图，如下图所示。导电液体中存在大量可自由移动的正负离子，正负离子随着液体的流动而向左运动，宏观上正负离子运动的速度与液体的流速相同。加上垂直纸面向里的磁场，正负离子会受到洛仑兹力，正离子受到向下的洛仑兹力会向下偏转，聚集于下表面，负离子受到向上的洛仑兹力会向上偏转，聚集于上表面，上下两表面聚集电荷后会出现竖直向上的匀强电场，后续的正离子除受到向下的洛仑兹力外，还受到向上的电场力，因刚开始的电场不强，电场力不大，所以正离子继续向下偏转聚集到下表面，负离子继续聚集到上表面，从而使电场强度不断增强，最终离子受到的两个力达到平衡而不再偏转。
公式推导过程：
四、霍尔元件的工作原理
霍尔元件是由金属导体或半导体材料制成的一种电学元件，它能建立起电流、电压与磁感应强度等物理量的关系，可用来检测磁场。示意图如图所示，形状为长方体形，长宽高分别为L、d、h。当通过如图所示方向的电流时，在正面加上垂直正面向前的匀强磁场时，上下两表面会出现电势差。若由金属材料制成，则导电的自由移动的电荷为电子，若由半导体材料制成，由于半导体材料的特殊性，不同材料的半导体内部自由移动的电荷是不同的，可能是正电荷，也可能是电子，这一点我们要特别注意，要仔细审题。若是正电荷导电，电流方向即为正电荷定向移动的方向，可知正电荷向右移动，受到向上的洛仑兹力并向上偏转从而聚集到上表面，产生竖直向下的匀强电场，最终电场力与洛仑兹力平衡，上表面电势高于下表面；若是负电荷导电，则负电荷聚集到上表面，上表面的电势低于下表面。
公式推导过程：
五、课堂小结
洛仑兹力等于电场力