1、第四課復(fù)合領(lǐng)域STS問(wèn)題探究1.質(zhì)譜儀。(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，由粒子源、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和攝影膠片組成。(2)原理：靜止時(shí)粒子被加速電場(chǎng)加速。根據(jù)動(dòng)能定理，可以得到關(guān)系式：曲=MV2。粒子被磁場(chǎng)中的洛侖茲力偏轉(zhuǎn)，以勻速圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律，qvb=m .要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質(zhì)量和比電荷，可以從這兩個(gè)方程中得到。r=，m=，=。2.回旋加速器。(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，D1和D2為半圓形金屬盒，d形盒的縫隙與交流電源相連。d形盒處于均勻磁場(chǎng)中。(2)原理：交流電的周期等于粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期。在圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，粒子一次又一次地穿過(guò)D形盒子的間隙，兩個(gè)盒子之間的電勢(shì)差一次又一

2、次地反向，所以粒子將被一次又一次地加速。從qvB=，Ekm=，可以看出，粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒半徑R決定，與加速電壓無(wú)關(guān)。3.速度選擇器(如圖所示)(1)平行板中的電場(chǎng)強(qiáng)度e和磁感應(yīng)強(qiáng)度b相互垂直。這個(gè)裝置可以選擇具有一定速度的粒子，所以它被稱為速度選擇器。(2)帶電粒子可以沿直線以恒定速度通過(guò)速度選擇器的條件是QE=qvb，即v=qvb。4.磁流體發(fā)電機(jī)。(1) MHD發(fā)電是一項(xiàng)新技術(shù)，它可以直接將內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化為電能。(2)根據(jù)左手定則，圖中的B是發(fā)電機(jī)的正極。(3)當(dāng)MHD發(fā)生器兩板之間的距離為L(zhǎng)，等離子體速度為V，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，兩板之間的最大電位差為U=BLV

3、。(4)功率電阻R=，外部電阻R中的電流可由閉合電路的歐姆定律計(jì)算，即I=。5.電磁流量計(jì)。工作原理：如圖所示，圓形導(dǎo)管直徑為d，由非磁性材料制成。導(dǎo)電液體在導(dǎo)管中向左流動(dòng)，并且導(dǎo)電液體中的自由電荷(正離子和負(fù)離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致a和b之間的電勢(shì)差，形成電場(chǎng)。當(dāng)自由電荷施加的電場(chǎng)力和洛侖茲力平衡時(shí)，a和b之間的電勢(shì)差保持穩(wěn)定，即qvb=QE=6.霍爾效應(yīng)。矩形截面載流導(dǎo)體置于均勻磁場(chǎng)中。當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直于電流方向時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電位差。其原理如圖所示。質(zhì)譜儀的兩個(gè)重要組成部分是加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。例如，質(zhì)譜

4、儀的示意圖顯示在右側(cè)。假設(shè)有一個(gè)靜態(tài)帶電粒子，質(zhì)量為m，電荷為q(不包括重力)，它被電壓為u的加速電場(chǎng)加速，然后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶電粒子擊中負(fù)片上的P點(diǎn)。如果OP=X，X和U之間的函數(shù)關(guān)系可以正確地反映在下圖中分析：帶電粒子首先被加速電場(chǎng)加速，所以曲=MV2，進(jìn)入磁場(chǎng)后偏轉(zhuǎn)，OP=X=2R=，兩個(gè)方程是聯(lián)立的：OP=X=，所以B是正確的。課堂作業(yè)一、單項(xiàng)選擇問(wèn)題1.如圖所示，將金屬塊置于垂直于表面c的均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，厚度為d，高度為h。當(dāng)穩(wěn)定電流I沿平行于平面c的方向通過(guò)時(shí)，金屬塊中每單位體積參與傳導(dǎo)的自由電子數(shù)為(上表面m和下表面n上的電勢(shì)分別為um和un)(c

5、)。A.|UM-UN| B.|C.| D.|UM-UN|分析：假設(shè)電子的定向運(yùn)動(dòng)速度為V，每單位體積的自由電子數(shù)為nC.其他條件不變，只是注射速度增加，UAB增加D.其他條件不變，只是磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，UAB增加分析：從左手定則可知，正電荷在B板，B板帶正電，A錯(cuò)在B；當(dāng)平衡穩(wěn)定時(shí)，QVB=Q，可以看出UAB隨著注入速度或磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加，C和D是正確的。3.從左端進(jìn)入質(zhì)譜儀后，具有相同速度的粒子束的軌跡如圖所示，那么以下相關(guān)陳述是正確的(C)A.帶電粒子帶負(fù)電B.速度選擇器的P1板帶負(fù)電C.帶電粒子通過(guò)狹縫S0的速度等于D.粒子越靠近狹縫S0撞擊薄膜，粒子的比電荷越小分析：根據(jù)左手定則，

6、皮帶中的帶電粒子帶正電，速度選擇器的P1板帶正電，所以選項(xiàng)A和B是錯(cuò)誤的；根據(jù)QE=qvb1，可以得到帶電粒子通過(guò)狹縫S0的速度v=并且選項(xiàng)c是正確的。從r=可以看出，粒子撞擊薄膜的位置越靠近狹縫S0，r越小，粒子的比電荷越大，選項(xiàng)d是錯(cuò)誤的。4.在電視機(jī)顯像管中，電子束的掃描是通過(guò)磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其掃描原理如圖一所示。偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在圓形區(qū)域的方向垂直于圓形表面，當(dāng)不施加磁場(chǎng)時(shí)，電子束將穿過(guò)屏幕中心的O點(diǎn)并擊中M點(diǎn)。為了使屏幕上出現(xiàn)一條以M為中心的亮線PQ，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間變化的規(guī)律應(yīng)該是B(B)分析：從問(wèn)題的含義來(lái)看，如果要得到以M為中點(diǎn)的亮線PQ，當(dāng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間T變化

7、時(shí)，方向應(yīng)該有變化，所以有兩個(gè)誤差C和d。對(duì)于選項(xiàng)A的變化圖像，可能只出現(xiàn)兩個(gè)亮點(diǎn)。因此，正確的選項(xiàng)是b .5.圖一是回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個(gè)丁字金屬盒。加速帶電粒子時(shí)，將兩個(gè)金屬盒置于均勻磁場(chǎng)中，分別與高頻電源相連。帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek隨時(shí)間T的變化規(guī)律如圖B所示。如果忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間，下面的判斷是正確的(B)A.高頻電源的變化周期應(yīng)等于TN-TN-1B.在Ekt圖中應(yīng)該有T4-T3=T3-T2=T2-t1C.粒子加速的次數(shù)越多，粒子獲得的最大動(dòng)能就越大D.不同粒子獲得的最大動(dòng)能是相同的分析：從圖中可以看出，單個(gè)D盒中粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為T(mén)N-TN-1。因?yàn)榱?/p>

8、子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與速度無(wú)關(guān)，所以B是正確的；交流電源周期為2(總氮-總氮-1)，甲錯(cuò)；從r=，可知當(dāng)粒子的運(yùn)動(dòng)半徑等于d盒半徑時(shí)，加速過(guò)程結(jié)束，粒子的動(dòng)能Ekm=即粒子的動(dòng)能與加速次數(shù)無(wú)關(guān)，而c是錯(cuò)誤的；粒子的最大動(dòng)能也與粒子的質(zhì)量和電荷有關(guān)。d是錯(cuò)的。第二，不定選擇題6.勞倫斯在1930年制造了世界上第一個(gè)回旋加速器。其原理如圖所示。這個(gè)加速器由兩個(gè)銅制的D盒D1和D2組成，中間有一個(gè)缺口。下列說(shuō)法是正確的A.離子從加速器中心附近進(jìn)入加速器B.離子從加速器的邊緣進(jìn)入加速器C.離子從磁場(chǎng)中獲得能量D.離子從電場(chǎng)中獲得能量分析：離子在其中心附近進(jìn)入加速器，從電場(chǎng)中獲得能量，最后從其邊緣離開(kāi)加

9、速器。選項(xiàng)A和D是正確的。7.如圖所示，是電磁流量計(jì)的示意圖。一段橫截面為矩形的管道由金屬制成，前后兩側(cè)由絕緣材料制成。圖中的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為a、b和c。流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道(圖中未示出)相連?，F(xiàn)在，一個(gè)大學(xué)流量計(jì)中液體的流速為v=，根據(jù)流動(dòng)的定義，q=BC=BCV。它可以通過(guò)以上兩個(gè)公式求解：q=0。8.圖A是用于加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒。加速帶電粒子時(shí)，將兩個(gè)金屬盒置于均勻磁場(chǎng)中，兩個(gè)金屬盒分別連接高頻電源。帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek隨時(shí)間T的變化規(guī)律如圖B所示，忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間，下面的判斷是正確的(AD)A.在ek-t圖

10、中，應(yīng)提供T4-T3=T3-T2=T2-t1B.高頻電源的變化周期應(yīng)等于TN-TN-1C.粒子加速的次數(shù)越多，粒子的最大動(dòng)能就越大D.如果粒子獲得的最大動(dòng)能較大，則可以增加D形盒的面積分析：帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度無(wú)關(guān)，所以T4-T3=T3-T2=T2-T1應(yīng)該在EK-T圖中找到，選項(xiàng)A是正確的；帶電粒子在回旋加速器中每周期加速兩次，高頻電源的變化周期應(yīng)等于2 (TN-TN-1)，選項(xiàng)B是錯(cuò)誤的；從r=可以看出，粒子獲得的最大動(dòng)能取決于D形盒的半徑，當(dāng)軌道半徑等于D形盒的半徑時(shí)，加速度不能繼續(xù)，因此選項(xiàng)C是錯(cuò)誤的，而選項(xiàng)D是正確的。9.在質(zhì)譜儀的示意圖中，離子源S產(chǎn)生的正離

11、子通過(guò)狹縫S1和S2之間的加速電場(chǎng)進(jìn)入離子速度選擇器。 P1P2之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1。離子從S3注入具有磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的均勻磁場(chǎng)區(qū)域。由于各種離子的軌道半徑不同，它們分別被注入到基底的不同位置，形成各自的譜線。如果氘和S3譜線之間的距離增加兩倍，A.把B2還原成原來(lái)的樣子B.B2增加兩倍C.將B1還原為原始值D.將E還原為原始值分析：在B2地區(qū)，如果要求R=，B2則選項(xiàng)A正確，否則離子離開(kāi)加速電場(chǎng)板S2的速度為V2V；在離子速度選擇器中，v=是根據(jù)qvb1=QE得到的，即B1,選項(xiàng)c是正確的(注意：調(diào)整B1同時(shí)涉及到調(diào)整加速電場(chǎng)的電壓U4U)10.該圖是MHD發(fā)電機(jī)的示意圖。在

12、距離為d的平行金屬板a和c之間，有一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，垂直方向，紙面朝外。兩塊金屬板通過(guò)導(dǎo)線與滑動(dòng)變阻器相連，變阻器接入電路的電阻為r。等離子體以平行于兩塊金屬板的速度v連續(xù)垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，理想電流表a讀數(shù)為I，然后(BCD)A.發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)B.發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻是r=-R。C.發(fā)電機(jī)的效率=D.當(dāng)變阻器觸點(diǎn)P向上滑動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)金屬板A和C的等離子體數(shù)量增加分析：當(dāng)?shù)入x子體上的洛倫茲力等于電場(chǎng)力時(shí)，電動(dòng)勢(shì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么場(chǎng)強(qiáng)E1=BV，發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E=E1D=EDV，外部電路的電壓是IR，而A是錯(cuò)誤的；發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻相當(dāng)于電源的內(nèi)阻，所以發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻R=-R，B是正確的；發(fā)電機(jī)

13、的效率=，c是正確的；當(dāng)觸點(diǎn)P向上移動(dòng)時(shí)，電路中的電阻減小，電路中的電流增加，單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的電荷數(shù)增加，D是正確的。第三，非選擇題11.如圖所示，左邊有一對(duì)平行的金屬板，兩板之間的距離為d，電壓為u；兩塊板之間有一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，方向平行于金屬板表面，向內(nèi)垂直于紙面。在圖的右側(cè)半徑為R、中心為O的圓形區(qū)域也有一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面。帶有電荷Q的正離子沿平行于金屬的方向注入平行金屬板之間式中，v是離子運(yùn)動(dòng)速度的大小，E0是平行金屬板之間均勻電場(chǎng)的強(qiáng)度，有：E0=，從 公式中得出：v=。(2)在圓形磁場(chǎng)中，離子勻速圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)洛倫茲力公式和牛頓第二定律：

14、qvB=m，在公式中，m和r分別是離子的質(zhì)量和它們的圓周運(yùn)動(dòng)半徑。假設(shè)離子穿過(guò)磁場(chǎng)邊界上的點(diǎn)g，離子圓周運(yùn)動(dòng)的中心O必須在穿過(guò)點(diǎn)e并垂直于EF的直線上，并且在EG的垂直平分線上(見(jiàn)上圖)。幾何關(guān)系如下：r=沙坦，在公式中，是OO和直徑EF之間的夾角，由幾何關(guān)系得到：2+=。聯(lián)立 方程，離子質(zhì)量為：m=cot。回答：(1) (2)嬰兒床12.如圖所示，在粒子源k和虛線MN之間存在加速電場(chǎng)，在虛線MN和PQ之間存在均勻電場(chǎng)，在虛線PQ和熒光屏之間存在均勻磁場(chǎng)，并且MN、PQ和熒光屏彼此平行。圖中顯示了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向。點(diǎn)a和點(diǎn)o之間的連線垂直于熒光屏。從k發(fā)射的具有零初始速度的正電荷粒子被電場(chǎng)加速

15、，并以速度v0從點(diǎn)a垂直注入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)。在離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后，它進(jìn)入一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，最后垂直擊中圖中的屏幕。眾所周知，電場(chǎng)和磁場(chǎng)面積在垂直方向上足夠長(zhǎng)，并且加速電場(chǎng)電壓和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系是U=，其中D是偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的寬度，并且磁感應(yīng)強(qiáng)度、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度和帶電粒子離開(kāi)加速電場(chǎng)的速度v0之間的關(guān)系符合表達(dá)式v0=(U、E和B是上述關(guān)系中的未知量)(1)試圖解釋v0的大小與k和MN之間的距離之間的關(guān)系；(2)計(jì)算帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度；(3)帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的總偏轉(zhuǎn)距離是多少？分析：(1)帶電粒子由加速電場(chǎng)中的動(dòng)能定理得到；mv=qU，可以看出，粒子獲得的速度只與加速電壓有關(guān)，與K和MN之間的距離無(wú)

16、關(guān)。(2)帶電粒子在加速電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能為：mv=qU=qEd，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后，偏轉(zhuǎn)角度為：tan =1，也就是說(shuō)，帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角為45。垂直速度等于水平速度：vy=v0，帶電粒子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)即進(jìn)入磁場(chǎng)的速度為v，v=v0。(3)磁場(chǎng)中帶電粒子的半徑為：R=d。帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中增加的動(dòng)能與在加速電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能相同。假設(shè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為 Y1，有：QED=QE y1，y1=0.5d；磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)距離是 y2，有：y2=r(1-cos)=d=0.414d；粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的總偏轉(zhuǎn)距離為 y，有： y= y1 y2=0.9d .回答：(1)v0的大小與K和MN之間的距離無(wú)關(guān)(2)