新教科版第10章專題提升課13現(xiàn)代科技中的電場與磁場問題課件（31張）

專題提升課13現(xiàn)代科技中的電場與

磁場問題第十章專題概要:帶電粒子在組合場、疊加場中的運(yùn)動規(guī)律的應(yīng)用非常廣泛,生產(chǎn)生活及現(xiàn)代科技中的許多儀器都與這些規(guī)律密切相關(guān)。組合場應(yīng)用實(shí)例主要有質(zhì)譜儀和回旋加速器等;疊加場應(yīng)用實(shí)例有速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計、霍爾元件等?？键c(diǎn)一質(zhì)譜儀的原理和分析(師生共研)1.構(gòu)造如圖所示,由粒子源、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和照相底片等構(gòu)成。2.原理

典例1.(2023內(nèi)蒙古赤峰模擬)質(zhì)譜儀可以用來分析同位素。如圖所示,帶電粒子先經(jīng)過加速電場,然后進(jìn)入速度選擇器,速度選擇器內(nèi)存在相互垂直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場和電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2,平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場。下列說法正確的是(

)A.速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向里B.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于C.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,粒子的比荷越小D.同一帶電粒子,磁感應(yīng)強(qiáng)度B0越大,粒子打到膠片的位置越靠近狹縫P答案

D解析

根據(jù)帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向,由左手定則知,該粒子帶正電,則在速度選擇器中粒子受到的靜電力水平向右,洛倫茲力水平向左,根據(jù)左手定則知,磁場方向垂直紙面向外,A錯誤。在速度選擇器中,能通過狹縫P的對點(diǎn)演練1.(多選)(2023四川成都模擬)如圖所示,某質(zhì)譜儀的靜電分析器通道中心線半徑為R,通道內(nèi)有均勻輻向電場(方向指向圓心O),中心線處的電場強(qiáng)度大小為E1,磁分析器中分布著方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場,其右邊界與靜電分析器的左邊界平行,由粒子源發(fā)出不同種類的帶電粒子,其中粒子a和b(初速度為零,重力不計),經(jīng)加速電場加速后由小孔S1進(jìn)入靜電分析器,恰好做勻速圓周運(yùn)動,而后經(jīng)小孔S2垂直磁場邊界進(jìn)入磁分析器,最終打在膠片M上,a和b的運(yùn)動軌跡如圖所示。下列說法正確的是(

)A.a和b均帶負(fù)電,圖中P板電勢低于Q板電勢B.加速電場的電壓U=ERC.a經(jīng)過S1時的速度小于b經(jīng)過S1時的速度D.a的比荷小于b的比荷答案

CD考點(diǎn)二回旋加速器原理和分析(師生共研)1.構(gòu)造:如圖所示,D1、D2是半圓形金屬盒,D形盒的縫隙處接交變電流,D形盒處于勻強(qiáng)磁場中。2.原理:①交變電流周期和粒子做圓周運(yùn)動的周期相等;②使粒子每經(jīng)過一次D形盒縫隙,粒子被加速一次。典例2.某型號的回旋加速器的工作原理如圖甲所示,圖乙為俯視圖?；匦铀倨鞯暮诵牟糠譃閮蓚€D形盒,分別為D1、D2。D形盒裝在真空容器里,整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場中,磁場可以認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場,且與D形盒底面垂直。兩盒間的狹縫很小,帶電粒子穿過狹縫的時間可以忽略不計。D形盒的半徑為R,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。質(zhì)子從粒子源O處進(jìn)入加速電場的初速度不計,質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為+q。加速器接入一定頻率的高頻交變電壓,加速電壓為U。不考慮相對論效應(yīng)和重力作用。(1)質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動時,隨軌跡半徑r的增大,同一D形盒中相鄰軌跡的半徑之差Δr如何變化?為什么?(2)若使用這臺回旋加速器加速α粒子,需要如何改造?答案

(1)Δr隨r增大而減小,理由見解析(2)見解析對點(diǎn)演練2.(2022山東臨沂模擬)回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置,如圖所示,它的核心部分是兩個D形金屬盒,兩盒相距很近,分別和高頻交流電源相連接,兩盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場,使帶電粒子每次通過窄縫都得到加速。兩盒放在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于盒底面,帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動,通過兩盒間的窄縫時反復(fù)被加速,直到達(dá)到最大圓周半徑時通過特殊裝置被引出。如果用同一回旋加速器分別加速氚核,比較它們所加的高頻交流電源的周期和獲得的最大動能的大小,有(

)A.加速α粒子的交流電源的周期較大B.加速氚核和α粒子的交流電源的周期一樣大C.α粒子獲得的最大動能較大D.氚核和α粒子獲得的最大動能一樣大答案

C3.(2022廣東茂名模擬)回旋加速器在科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)方面都有著重要的應(yīng)用?；匦铀倨鞯墓ぷ髟砣鐖D甲所示,置于真空中的D形金屬盒的半徑為R,兩盒間的狹縫間距為d(d?R),D形盒處于方向與盒面垂直、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場中,加在狹縫間的交變電壓如圖乙所示,U0為已知量。質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的粒子從A點(diǎn)飄入狹縫(初速度忽略不計),加速后從D形盒出口處射出,不計粒子重力及相互間作用力,忽略相對論效應(yīng)的影響。(1)求交變電壓的周期。(2)若不考慮帶電粒子在電場中運(yùn)動的時間,粒子從飄入狹縫至射出D形盒所需的時間為多少?(3)若考慮帶電粒子在電場中運(yùn)動的時間,在0~時間內(nèi)從A處連續(xù)均勻地飄入狹縫的粒子中能一直加速從D形盒射出的粒子所占的比例為多少(粒子在電場中的加速時間極短)?解析

(1)交變電壓的周期與帶電粒子在磁場中運(yùn)動的周期相等,則由洛倫茲力提供向心力可知考點(diǎn)三電場與磁場疊加的應(yīng)用實(shí)例(師生共研)典例3.(多選)質(zhì)譜儀的前端是速度選擇器,如圖所示,一束帶電粒子(不計重力)從左端水平射入后,部分粒子沿直線從右端水平射出,則下列說法正確的是(

)A.射出的帶電粒子一定帶負(fù)電B.速度選擇器的上極板一定帶正電答案

BC

解析

假設(shè)粒子帶正電,根據(jù)左手定則可知,粒子所受洛倫茲力向上,為使粒子沿直線通過速度選擇器,粒子所受靜電力應(yīng)向下,故速度選擇器的上極板帶正電。同理,假設(shè)粒子帶負(fù)電,則洛倫茲力和靜電力都改變方向,仍可得到上極板帶正電。速度選擇器的上極板帶正電,且入射粒子所受的靜電力和洛倫茲力等大,粒子就能從右端水平射出,與粒子的電性無關(guān),A錯誤,B正確;由帶電粒子受力平衡可知qE=qvB,解得v=

,C正確;若帶電粒子的入射速度v>

,則qvB>qE,若粒子帶正電,則粒子將向上偏轉(zhuǎn),若粒子帶負(fù)電,則粒子將向下偏轉(zhuǎn),D錯誤。對點(diǎn)演練4.磁流體發(fā)電的原理如圖所示,將一束速度為v的等離子體垂直于磁場方向噴入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,在相距為d、寬為a、長為b的兩平行金屬板間便產(chǎn)生電壓。如果把上、下板和電阻R連接,上、下板就是一個直流電源的兩極。若穩(wěn)定時等離子體在兩板間均勻分布,電阻率為ρ,忽略邊緣效應(yīng),下列判斷正確的是(

)答案

C解析

等離子體是由大量正、負(fù)離子組成的氣體狀物質(zhì),根據(jù)左手定則可知,正離子受到的洛倫茲力向下,負(fù)離子受到的洛倫茲力向上,所以下板為正極;當(dāng)磁流體發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,極板間的離子受力平衡,滿足qvB=5.某電氣設(shè)備和顯示屏對應(yīng)部位分別有磁體和霍爾元件。當(dāng)顯示屏開啟時磁體遠(yuǎn)離霍爾元件,電氣設(shè)備正常工作;當(dāng)顯示屏閉合時磁體靠近霍爾元件,屏幕熄滅,電氣設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。如圖所示,一塊寬為a、厚為b、長為c的矩形半導(dǎo)體霍爾元件,元件內(nèi)的導(dǎo)電粒子是電荷量為q的自由電荷,單位體積內(nèi)自由電荷的個數(shù)為n,通入方向向右的電流I。當(dāng)顯示屏閉合時元件處于垂直于上表面、方向向下的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。于是元件的前、后表面間出現(xiàn)電壓U,以此控制屏幕的熄滅。則元件的(

)A.前、后表面的電勢的高、低與q的