1、,磁場的綜合應(yīng)用,一、質(zhì)譜儀 二、速度選擇器 三、回旋加速器 06年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題8 07年佛山市教學(xué)質(zhì)量檢測8 07屆廣東省惠陽市綜合測試卷三 2 2007年高考廣東卷15(3) 江蘇省如東高級中學(xué)07年2月期末試卷19 2007年高考江蘇卷17,磁場的綜合應(yīng)用,一、質(zhì)譜儀,帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動規(guī)律廣泛應(yīng)用于近代物理的許多實(shí)驗裝置中，如質(zhì)譜儀、回旋加速器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計等，因此，在復(fù)習(xí)中應(yīng)將基礎(chǔ)理論知識融入實(shí)際應(yīng)用之中，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。,以下的兩種裝置都可以用來測定帶電粒子的荷質(zhì)比.也可以在已知電量的情況下測定粒子質(zhì)量。,帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,由電壓

2、U加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,設(shè)軌道半徑為r,則有：,可得,帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,以速度v穿過速度選擇器(電場強(qiáng)度E，磁感應(yīng)強(qiáng)度B1),垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場.設(shè)軌道半徑為r,則有：,qE=qvB1,可得：,二、速度選擇器,正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場組成“速度選擇器”。帶電粒子（不計重力）必須以唯一確定的速度才能勻速（或者說沿直線）通過速度選擇器。否則將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個速度的大小可以由洛侖茲力和電場力的平衡得出：,qvB=Eq,這個結(jié)論與離子帶何種電荷、電量多少都無關(guān)。,若速度小于這一速度，電場力將大于洛侖茲力，帶電粒子向電場力方向偏轉(zhuǎn)，電場力做正功，動能將增大，洛侖茲

3、力也將增大；若大于這一速度，將向洛侖茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場力將做負(fù)功，,動能將減小,洛侖茲力也將減小， 粒子的軌跡既不是拋物線，也不 是圓，而是一條復(fù)雜曲線。,三、回旋加速器,利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期與速度大小無關(guān)的特點(diǎn)，可以作成回旋加速器。,在AA和AA間加交變電壓，其周期與粒子運(yùn)動周期相同。帶電粒子在兩個D形金屬盒之間運(yùn)動時，被電場加速；在D形金屬盒內(nèi)運(yùn)動時，由于D形金屬盒可以屏蔽電場，因此帶電粒子只受洛侖茲力作用而作勻速圓周運(yùn)動。D形金屬盒的半徑與粒子的最大動能對應(yīng)。用此裝置可以將質(zhì)子加速到約20MeV。,06年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題8,8回旋加速器是加速帶電粒子的裝置

4、，其核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距離為d，勻強(qiáng)電場間的加速電壓為U，要增大帶電粒子（電荷量為q質(zhì)量為m，不計重力）射出時的動能，則下列方法中正確的是： ( ) A增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓 B減小狹縫間的距離 C增大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 D增大D形金屬盒的半徑,解：,C D,07年佛山市教學(xué)質(zhì)量檢測8,8回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒

5、間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(其頻率為f ),使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距離為d，勻強(qiáng)電場間的加速電壓為U。則下列說法中正確的是：( ),A增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓，被 加速粒子最終獲得的動能將增大； B.增大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度, 被加速粒 子最終獲得的動能將增大； C.被加速粒子最終速度大小不超2f R； D.增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓, 被加速 粒子在加速器中運(yùn)動的圈數(shù)將減少。,B C D,07屆廣東省惠陽市綜合測試卷三 2,2.為了測量某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該

6、廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計，該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口，在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，在前后兩個內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U若用Q表示污水流量（單位時間內(nèi)打出的污水體積），下列說法中正確的是 （ ） A若污水中正離子較多，則前表面比后表面電勢高 B前表面的電勢一定低于后表面的電勢， 與哪種離子多無關(guān) C污水中離子濃度越高，電壓表 的示數(shù)將越大 D污水流量Q與U成正比，與a、 b無關(guān),解見下頁,B D,解：由左手定則，正離子向后表面集中，負(fù)離子向前表面集中，前后表面形成電

7、勢差，前表面的電勢一定低于后表面的電勢。,設(shè)液體中離子的帶電量為q，污水的速度為v, Bqv=qU/ b, U= v Bb,電壓表的示數(shù)與q無關(guān)，即與污水中離子濃度無關(guān),流量 Q=V/t=LS/t=vS=vbc=cU/B,即Q與U成正比，與a、b無關(guān),2007年高考廣東卷15(3),15.(3)帶電粒子的荷質(zhì)比q/m是一個重要的物理量。某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計了一個實(shí)驗,探究電場和磁場對電子運(yùn)動軌跡的影響,以求得電子 的荷質(zhì)比,實(shí)驗裝置如圖13所示。 他們的主要實(shí)驗步驟如下： A首先在兩極板M1M2之間不 加任何電場、磁場，開啟陰極射線管電源，發(fā)射的電子從兩極板中央通過，在熒幕的正中心處觀察到一

8、個亮點(diǎn)； B在M1M2兩極板間加合適的電場：加極性如圖13所示的電壓，并逐步調(diào)節(jié)增大，使熒幕上的亮點(diǎn)逐漸向熒幕下方偏移，直到熒幕上恰好看不見亮點(diǎn)為止，記下此時外加電壓為U。請問本步驟目的是什么？,解:,使電子剛好落在正極板的近熒光屏端邊緣，利用已知量表達(dá)q/m.,根據(jù)上述實(shí)驗步驟,同學(xué)們正確推算出電子的荷質(zhì)比與外加電場、磁場及其他相關(guān)量的關(guān)系為 一位同學(xué)說，這表明電子的荷質(zhì)比將由外加電壓決定，外加電壓越大則電子的荷質(zhì)比越大，你認(rèn)為他的說法正確嗎？為什么？,C保持步驟B中的電壓U不變，對M1M2區(qū)域加一個大小、方向合適的磁場B，使熒幕正中心重現(xiàn)亮點(diǎn)，試問外加磁場的方向如何？,垂直電場方向向外（垂

9、直紙面向外）,說法不正確，電子的荷質(zhì)比是電子的固有參數(shù).,江蘇省如東高級中學(xué)07年2月期末試卷19,19如圖（甲）為電視機(jī)中顯像管的原理示意圖，電子槍中的燈絲加熱陰極而逸出電子，這些電子再經(jīng)加速電場加速后，從O點(diǎn)進(jìn)入由磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場中，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁場后打到熒光屏MN上，使熒光屏發(fā)出熒光形成圖像，不計逸出電子的初速度和重力。已知電子的質(zhì)量為m、電荷量為e，加速電場的電壓為U0，假設(shè)偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場分布在邊長為L的正方形區(qū)域abcd內(nèi)，磁場方向垂直紙面，且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律如圖（乙）所示。在每個周期內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度都是從-B0均勻變化到B0。磁場區(qū)域的左邊界的中點(diǎn)與O點(diǎn)重合，ab邊與

10、OO平行，右邊界bc與熒光屏之間的距離為s。由于磁場區(qū)域較小，電子速度很大，通過磁場時間t 遠(yuǎn)小于磁場變化周期T，不計電子之間的相互作用。,第3頁, 若電視機(jī)工作中由于故障而導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)線圈中電流突然消失（其它部分工作正常），在熒光屏中心形成亮斑。設(shè)所有電子垂直打在熒光屏上之后，全部被熒光屏吸收，且電子流形成的電流為I，求熒光屏所受平均作用力F大小；（用I、U0、e、m表示） 為使所有的電子都能從磁場的bc邊射出，求偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值B0； 熒光屏上亮線的最大長度是多少。（假設(shè)電子不會打在熒光屏之外）,第4頁,解:, 由動能定理得： eU0 = mv2/2,設(shè)時間t內(nèi)有N個電子打

11、在熒光屏上，則有 I=N e/t，,根據(jù)動量定理知：F t = Nmv-0,由上三式得：, 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0或B0時（垂直于紙面向外為正方向），電子剛好從b點(diǎn)或c點(diǎn)射出，設(shè)此時圓周的半徑為R，如圖所示。根據(jù)幾何關(guān)系有：,解得： R = 5L/4,電子在磁場中運(yùn)動,洛侖茲力提供向心力,因此有:,解得：,題目, 設(shè)電子偏離原來方向的角度為,根據(jù)幾何關(guān)系可知：,= 37,設(shè)電子打在熒光屏上離O點(diǎn)的最大距離為d，則,由于偏轉(zhuǎn)磁場的方向隨時間 變化，根據(jù)對稱性可知，熒 光屏上的亮線最大長度為：,題目,第2頁,2007年高考江蘇卷17,17、（15分）磁譜儀是測量能譜的重要儀器。磁譜儀的工作原理如圖所示，放射源S發(fā)出質(zhì)量為m、電量為q的粒子沿垂直磁場方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，被限束光欄Q限制在 的小角度內(nèi)，粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后打到與限束光欄平行的感光片P上。（重力影響不計） (1)若能量在EE+E（E0,且EE）范圍內(nèi)的粒子均沿垂直于限束光欄的方向進(jìn)入磁場.試求這些粒子打在