高中物理與磁場(chǎng)有關(guān)的六種儀器的高考試題解析

1、與磁場(chǎng)有關(guān)的六種儀器的高考試題解析現(xiàn)代儀器很多都要用到磁場(chǎng)，利用帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)偏轉(zhuǎn)、分析、選擇粒子，而帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)又是高考的重點(diǎn)，所以把帶電粒子的運(yùn)動(dòng)和與磁場(chǎng)有關(guān)的儀器結(jié)合起來(lái)成為高考命題者追求的目標(biāo)，下面就近幾年來(lái)?？嫉膸追N題型歸類如下：1.速度選擇器由正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)組成，帶電粒子必須滿足唯一的速度大小和方向才能通_E _E過(guò)，否則會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由= 得 s ,即只有 b的粒子才能通過(guò)。(06重慶)有人設(shè)想用下圖所示的裝置來(lái)選擇密度相同、大小不同的球狀納米粒子。 TOC o 1-5 h z 粒子在電離室中電離后帶正電，電量與其表面積成正比。電

2、離后，粒子緩慢通過(guò)小孔O進(jìn)入極板間電壓為U的水平加速電場(chǎng)區(qū)域I ,再通過(guò)小孔O射入相互正交的恒定勻強(qiáng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)區(qū)域II ,其中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 B,方向如圖。收集室的小孔 Q與O. Q在同一條 水平線上。半徑為r。的粒子，其質(zhì)量為 no、電量為q。，剛好能沿 OO直線射入收集室。不 計(jì)納米粒子重力。430弊=_河球=4后(3)(1)試求圖中區(qū)域II的電場(chǎng)強(qiáng)度；(2)試求半徑為r的粒子通過(guò) Q時(shí)的速率；(3)討論半徑rw匕的粒子剛進(jìn)入?yún)^(qū)域II時(shí)向哪個(gè)極板偏轉(zhuǎn)。解析:(1)設(shè)半徑為r0的粒子加速后的速度為設(shè)區(qū)域II內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為E,則8 = 8盡vo q oB= q 0E1電場(chǎng)強(qiáng)度方向豎直向上

3、。(2)設(shè)半徑為r的粒子的質(zhì)量為 m帶電量為q、被加速后的速度為 v,則-wv -qU V=J二，一為2得： 1 W上(3)半徑為r的粒子，在剛進(jìn)入?yún)^(qū)域 II時(shí)受到合力為：_ _ _ _z 二為=、， F合=qE-qvB=qB (vo-v)由 可知，當(dāng)rr。時(shí)，v0,粒子會(huì)向上極板偏轉(zhuǎn)；rvo, F合d時(shí)，ti可忽略不計(jì)。.電磁流量計(jì)原理：流管由非磁性材料制成， 導(dǎo)電流體在其中流動(dòng)， 導(dǎo)電流體中的正負(fù)離子在洛倫茲 力的作用下分別向相反方向偏轉(zhuǎn)，兩板間形成電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受的電場(chǎng)力和洛倫茲力口2 U C 6 SUqvB = qS= - v = y = jSv = 相平衡時(shí)，兩極的電勢(shì)差保持穩(wěn)

4、定，由d得 即，流量M（01全國(guó)）電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體（如污水）在管中的流量（在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管內(nèi)橫截面的流體的體積）。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如圖所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中的a、b、Co流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道相連接（圖中虛線）。圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料。現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面。當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測(cè)得的電流值。 已知流體的電阻率為 p,不計(jì)電流表的內(nèi)阻， 則可求得流量為（）i aC-Q-S

5、v = ti T/D . 、 r - p-解析：由流量的公式比，電壓U=(式+r),內(nèi)阻 成，面積S二期，Q穌+.3聯(lián)立求解得B a ,所以選擇A。.磁流體發(fā)電機(jī)利用等離子氣體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)， 受洛倫茲力上下偏轉(zhuǎn)聚集到兩極板產(chǎn)生電勢(shì)差，對(duì)外供電。設(shè)AB平行板的面積為 S板間距L,離子體的電阻率p ,噴氣速度V,板間磁感應(yīng)強(qiáng)度 B電動(dòng)勢(shì)二- _n,E BLv BLvS工 人R + pl期3SS(04天津)磁流體發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，圖 1和圖2是其工作原理示意圖。圖 1 中的長(zhǎng)方體是發(fā)電導(dǎo)管，其中空部分的長(zhǎng)、高、寬分別為1、Q、6 ,前后兩個(gè)側(cè)面是絕緣體，上下兩個(gè)側(cè)面是電阻可略的導(dǎo)體電極，這兩個(gè)

6、電極與負(fù)載電阻用相連。整個(gè)發(fā)電導(dǎo)管處于圖2中磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向如圖所示。發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)有電阻率為戶的高溫、高速電離氣體沿導(dǎo)管向右流動(dòng)，并通過(guò)專用管道導(dǎo)出。由于運(yùn)動(dòng)的電離 氣體受到磁場(chǎng)作用， 產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)電離氣體流速隨磁場(chǎng)有無(wú)而不同。設(shè)發(fā)電導(dǎo)管內(nèi)電離氣體流速處處相同，且不存在磁場(chǎng)時(shí)電離氣體流速為,。，電離氣體所受摩擦阻力總與流速成正比，發(fā)電導(dǎo)管兩端的電離氣體壓強(qiáng)差3維持恒定，求：(1)不存在磁場(chǎng)時(shí)電離氣體所受的摩擦阻力F多大;(2)磁流體發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì) E的大??；(3)磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電導(dǎo)管的輸入功率P。b_-i*1 ffll(1)不存在磁場(chǎng)時(shí)，由力的平衡得(2

7、)設(shè)磁場(chǎng)存在時(shí)的氣體流速為 V, Bav1 7 十_體電捶|酚突住x短電薪k負(fù)金屯W砸埔球 圖2尸二極。,則磁流體發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì) E = Bav回路中的電流.p . E - 江R +竺電流i受到的安培力 卻Fr _v設(shè)廣為存在磁場(chǎng)時(shí)的摩擦阻力，依題意F 幣存在磁場(chǎng)時(shí)，由力的平衡得-1+8跖.根據(jù)上述各式解得AR(l +荷-)。(3)磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電導(dǎo)管的輸入功率1 一 r?abv .Ap1+爐也由能量守恒定律得 匚丁故6.顯像管利用帶電粒子在電場(chǎng)中加速后進(jìn)入磁場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，出磁場(chǎng)后做直線運(yùn)動(dòng)打到熒光屏上的原理。（02年全國(guó)）電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電子束經(jīng)過(guò) 電壓為U的加速電場(chǎng)后，進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)， 如圖所示。磁場(chǎng)方向垂直于圓面。磁場(chǎng)區(qū) 的中心為0,半彳5為r。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)，電子束將通過(guò)O點(diǎn)而打到屏幕的中心 M點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕邊緣 巳需要加磁場(chǎng)，使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度