復(fù)合場(chǎng)模型及應(yīng)用帶答案

1、授課教案學(xué)員姓名：_ 授課教師：_ 所授科目：_學(xué)員年級(jí)：_ 上課時(shí)間：_年_月_日_時(shí)_分至_時(shí)_分共_小時(shí)教學(xué)標(biāo)題帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)1.掌握帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的幾種典型模型及原理2.會(huì)分析速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、質(zhì)譜儀、回旋加速器等磁場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題教學(xué)重難點(diǎn)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的幾種典型模型原理及應(yīng)用上次作業(yè)檢查授課內(nèi)容：一、速度選擇器如圖所示，粒子經(jīng)加速電場(chǎng)后得到一定的速度v0，進(jìn)入正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，受到的電場(chǎng)力與洛侖茲力方向相反，若使粒子沿直線從右邊孔中出去，則有qv0BqE,v0=E/B，若v= v0=E/B粒子做直線運(yùn)動(dòng)，與粒子電量、電性、質(zhì)量無(wú)關(guān)若vE/

2、B，電場(chǎng)力大，粒子向電場(chǎng)力方向偏，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能增加若vE/B，洛侖茲力大，粒子向磁場(chǎng)力方向偏，電場(chǎng)力做負(fù)功，動(dòng)能減少二、磁流體發(fā)電機(jī)如圖所示，由燃燒室O燃燒電離成的正、負(fù)離子（等離子體）以高速?lài)娙肫D(zhuǎn)磁場(chǎng)B中在洛侖茲力作用下，正、負(fù)離子分別向上、下極板偏轉(zhuǎn)、積累，從而在板間形成一個(gè)向下的電場(chǎng)兩板間形成一定的電勢(shì)差當(dāng)qvB=qU/d時(shí)電勢(shì)差穩(wěn)定UdvB，這就相當(dāng)于一個(gè)可以對(duì)外供電的電源三、電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)原理可解釋為：如圖所示，一圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動(dòng)導(dǎo)電液體中的自由電荷（正負(fù)離子）在洛侖茲力作用下縱向偏轉(zhuǎn)，a,b間出現(xiàn)電勢(shì)差當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)

3、力和洛侖茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定（流量單位m3/s）由Bqv=Eq=Uq/d，可得v=U/Bd流量Q=Sv=Ud/4B四、質(zhì)譜儀1、組成：離子源O，加速場(chǎng)U，速度選擇器（E,B1），偏轉(zhuǎn)場(chǎng)B2，膠片2、原理：加速場(chǎng)中qU=½mv2速度選擇器選擇器中：Bqv=Eq v=E/B1偏轉(zhuǎn)場(chǎng)中：偏移量d2r，qvB2mv2/r荷質(zhì)比：質(zhì)量3、作用：主要用于測(cè)量粒子的質(zhì)量、比荷、研究同位素五、回旋加速器1、組成：兩個(gè)D形盒，大型電磁鐵，高頻振蕩交變電壓，兩縫間可形成電壓U2、作用：電場(chǎng)用來(lái)對(duì)粒子（質(zhì)子、氛核,a粒子等）加速，磁場(chǎng)用來(lái)使粒子回旋從而能反復(fù)加速高能粒子是研究微觀物理的重

4、要手段3、要求：粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于交變電源的變化周期4、關(guān)于回旋加速器的幾個(gè)問(wèn)題：(1)回旋加速器中的D形盒，它的作用是靜電屏蔽，使帶電粒子在圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只處在磁場(chǎng)中而不受電場(chǎng)的干擾，以保證粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng).(2)回旋加速器中所加交變電壓的頻率f,與帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的頻率相等：(3)回旋加速器最后使粒子得到的能量，可由公式來(lái)計(jì)算，在粒子電量，、質(zhì)量m和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定的情況下，回旋加速器的半徑R越大，粒子的能量就越大例回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子，使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒

5、子每次穿過(guò)狹縫都得到加速，兩盒放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示問(wèn)：(1)D形盒內(nèi)有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電壓頻率應(yīng)是多大，粒子運(yùn)動(dòng)的角速度為多大？(4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度為多大？最大動(dòng)能為多少？B(5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，盒間距離為d，其間電場(chǎng)均勻，求把靜止粒子加速到上述能量所需時(shí)間（多出部分見(jiàn)背面或另附紙張）作業(yè)：學(xué)員課堂表現(xiàn)：簽字確認(rèn)學(xué)員_ 教師_ 班主任_1回旋加速器的工作原理勞倫斯和利文斯設(shè)計(jì)出回旋加速器，工作原理示

6、意圖如圖4所示置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可忽略磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直，高頻交流電頻率為f，加速電壓為U.若A處粒子源產(chǎn)生質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為q，在加速器中被加速，且加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力的影響則下列說(shuō)法正確的是()A質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2RfB質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器時(shí)的最大動(dòng)能與加速電壓U成正比C質(zhì)子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為1D不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B和交流電頻率f，該回旋加速器的最大動(dòng)能不變2質(zhì)譜儀的工作原理對(duì)鈾235的進(jìn)一步研究在核能的開(kāi)發(fā)和利用中具有重要意義如圖5所示，質(zhì)量為m、電荷量為q的鈾2

7、35離子，從容器A下方的小孔S1不斷飄入加速電場(chǎng)，其初速度可視為零，然后經(jīng)過(guò)小孔S2垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)離子行進(jìn)半個(gè)圓周后離開(kāi)磁場(chǎng)并被收集，離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)離子束的等效電流為I.不考慮離子重力及離子間的相互作用 (1)求加速電場(chǎng)的電壓U；(2)求出在離子被收集的過(guò)程中任意時(shí)間t內(nèi)收集到的離子的質(zhì)量M.3如圖所示，導(dǎo)電物質(zhì)為電子的霍爾元件位于兩串聯(lián)線圈之間，線圈中電流為I，線圈間產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B與I成正比，方向垂直于霍爾元件的兩側(cè)面，此時(shí)通過(guò)霍爾元件的電流為IH，與其前后表面相連的電壓表測(cè)出的霍爾電壓UH滿足：UHk，k為霍爾系數(shù)，d為霍

8、爾元件兩側(cè)面間的距離電阻R遠(yuǎn)大于RL，霍爾元件的電阻可忽略，則()A霍爾元件前表面的電勢(shì)低于后表面B若電源的正、負(fù)極對(duì)調(diào)，電壓表將反偏CIH與I成正比D電壓表的示數(shù)與RL消耗的電功率成正比4磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如圖1是它的示意圖平行金屬板A、B之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)離子)噴入磁場(chǎng)，A、B兩板間便產(chǎn)生電壓如果把A、B和用電器連接，A、B就是直流電源的兩個(gè)電極，設(shè)A、B兩板間距為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子體以速度v沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入A、B兩板之間，則下列說(shuō)法正確的是()AA是直流電源的正極 BB是直流電源

9、的正極C電源的電動(dòng)勢(shì)為Bdv D電源的電動(dòng)勢(shì)為qvB5如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過(guò)由相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(B)和勻強(qiáng)電場(chǎng)(E)組成的速度選擇器，然后粒子通過(guò)平板S上的狹縫P，進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場(chǎng)(B)，最終打在A1A2上，下列表述正確的是()A粒子帶負(fù)電B所有打在A1A2上的粒子，在磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相同C能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于D粒子打在A1A2上的位置越靠近P，粒子的比荷越大6霍爾元件是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)的磁傳感器，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如在翻蓋手機(jī)中，常用霍爾元件來(lái)控制翻蓋時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉運(yùn)行程序如圖是一霍爾元件的示意圖，磁場(chǎng)方向垂直霍爾元件工作面，霍爾元件寬為d(M、N間距離

10、)，厚為h(圖中上下面距離)，當(dāng)通過(guò)以圖示方向電流時(shí)，MN兩端將出現(xiàn)電壓UMN，則()AMN兩端電壓UMN僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)B若霍爾元件的載流子是自由電子，則MN兩端電壓UMN<0C若增大霍爾元件寬度d，則MN兩端電壓UMN一定增大D通過(guò)控制磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以改變MN兩端電壓UMN1. 答案AC解析質(zhì)子被加速后的最大速度受到D形盒半徑R的制約，因v2Rf，故A正確；質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器的最大動(dòng)能Ekmmv2m×42R2f22m2R2f2，與加速電壓U無(wú)關(guān)，B錯(cuò)誤；根據(jù)R，Uqmv，2Uqmv，得質(zhì)子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為1，C正確；因回旋加速器的最大動(dòng)能

11、Ekm2m2R2f2與m、R、f均有關(guān)，D錯(cuò)誤2. 答案(1)(2)解析(1)設(shè)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度為v，由動(dòng)能定理得qUmv2離子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所受洛倫茲力提供向心力，即qvBm由式解得U(2)設(shè)在任意時(shí)間t內(nèi)收集到的離子個(gè)數(shù)為N，總電荷量為Q，則QItNMNm由式解得M3. 答案CD解析當(dāng)霍爾元件通有電流IH時(shí)，根據(jù)左手定則，電子將向霍爾元件的后表面運(yùn)動(dòng)，故霍爾元件的前表面電勢(shì)較高若將電源的正、負(fù)極對(duì)調(diào)，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向變化，IH的方向變化，根據(jù)左手定則，電子仍向霍爾元件的后表面運(yùn)動(dòng)，故仍是霍爾元件的前表面電勢(shì)較高，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤因R與RL并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)分流，得IHI，故IH與I成正比，選項(xiàng)C正確由于B與I成正比，設(shè)BaI，則ILI，PLIRL，故UHkPL，知UHPL，選項(xiàng)D正確答案BC解析等離子體噴入磁場(chǎng)，正離子因受向下的洛倫茲力而向下偏轉(zhuǎn)，B是直流電源的正極，則選項(xiàng)B正確；當(dāng)帶電粒子以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，qqvB，電源的電動(dòng)勢(shì)UBdv，則選項(xiàng)C正確5答案：CD解析：帶電粒子在磁場(chǎng)B中根據(jù)左手定則可以判斷帶電粒子帶正電，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；帶電粒子在速度選擇器中做直線運(yùn)動(dòng)，則電場(chǎng)力與洛倫茲力等大反向，即EqBqv，可得：v，C選項(xiàng)正確；根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心力可得：r，則，越靠近P，r越小，粒子的比荷越大，D選項(xiàng)正確；所有打在