2022高三总复习物理教案-知识讲解 复合场的实际应用(提高).doc
《2022高三总复习物理教案-知识讲解 复合场的实际应用(提高).doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2022高三总复习物理教案-知识讲解 复合场的实际应用(提高).doc(14页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、物理总复习:复合场的实际应用 编稿:李传安 审稿:【考纲要求】知道速度选择器、回旋加速器、质谱仪、电磁流量计、霍尔效应、磁流体发电机的原理及基本构造,会分析相关的应用问题。【考点梳理】考点、复合场的实际应用1、速度选择器要点诠释:利用垂直的电场、磁场选出一定速度的带电粒子的装置。基本构造如图所示,两平行金属板间加电压产生匀强电场E,匀强磁场B与E垂直当带电荷量为q的粒子以速度v垂直进入匀强电场和磁场的区域时,粒子受电场力和洛伦兹力的作用,无论粒子带正电还是带负电,电场力和洛伦兹力的方向总相反。若电场力与洛伦兹力大小相等,即,则粒子受合力为零,匀速通过狭缝射出,若粒子速度,则洛伦兹力大于电场力;
2、若,则电场力大于洛伦兹力,粒子将向下或向上偏转而不能通过狭缝。所以通过速度选择器射出的粒子都是速度的粒子。2、质谱仪要点诠释:(1)构造:如图所示,由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等。(2)原理:粒子由静止在加速电场中被加速,根据动能定理 粒子在磁场中受洛伦兹力偏转,做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律由两式可得出需要研究的物理量如粒子轨道半径、粒子质量、比荷等。轨道半径,粒子质量,比荷。3、回旋加速器要点诠释:(1)构造:如图所示,是半圆金属盒,D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 (2)原理:交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等,粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙
3、,两盒间的电势差一次一次地反向,粒子就会被一次一次地加速。由,得,可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径R决定。对回旋加速器的进一步理解:(1)粒子在回旋加速器电场内的运动由于磁场不能对粒子加速,所以粒子每次进入电场的初速度是上一次离开电场时的末速度,忽略粒子在速度方向上发生的变化,粒子在电场中的运动可看作匀变速直线运动,其加速度,在电场中运动的总时间,总路程。(2)粒子在磁场中运动的总时间粒子在磁场中运动一个周期,被电场加速两次,带电粒子被电场加速的次数由加速电压决定,所以粒子在磁场中运动的总时间。(3)金属盒的作用使带电粒子在回旋加速器的金属盒中运动,是利用了金属盒的静电屏蔽作用
4、,不受外界电场干扰。带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动。这样,粒子在装置内沿螺旋轨道逐渐趋于金属盒的边缘,达到预期能量后,用特殊装置把它们引出。4、霍尔效应要点诠释:如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体板时,在导体板上侧面A和下侧面之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和磁感应强度B的关系为,式中的比例系数k称为霍尔系数霍尔效应可解释为:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场,横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静
5、电力。当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。霍尔效应原理的应用常见的有:磁强计、电磁流量计、磁流体发电机等。为了便于理解和掌握,这里分别叙述和讲解。5、电磁流量计要点诠释:如图所示,一圆形导管直径为d,由非磁性材料制成,其中有可以导电的液体向左流动。导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下发生偏转,a、b间出现电势差保持恒定。(图中根据左手定则,正离子打在b上,为正极,负离子打在a上为负极,洛伦兹力方向向下,电场力方向向上)由可得故流量。6、磁流体发电机要点诠释:如图所示是磁流体发电机,其原理是:等离子气体喷入磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转而
6、聚集到B、A板上,产生电势差。设A、B平行金属板的面积为S,相距l,等离子气体的电阻率为,喷入气体速度为v,板间磁场的磁感应强度为B,板外电阻为R,当等离子气体匀速通过A、B板间,A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,即为电源电动势。此时离子受力平衡:,电动势(l是AB间的距离,不是板的长度),电源内电阻(AB的长度是l),所以R中电流。【典型例题】类型一、速度选择器 例1、在图中实线框所示的区域内同时存在着匀强磁场和匀强电场一个带电粒子(不计重力)恰好能沿直线MN从左至右通过这一区域那么匀强磁场和匀强电场的方向可能为下列哪种情况 ( ) A匀强磁场方向竖直向上,匀强电场方向垂直于纸面向外
7、B匀强磁场方向竖直向上,匀强电场方向垂直于纸面向里 C匀强磁场方向垂直于纸面向里,匀强电场方向竖直向上D匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右【思路点拨】理解“恰好能沿直线MN从左至右通过这一区域”的意义,理解“匀强磁场和匀强电场的方向可能为” 的意义,对各种情况进行分析。【答案】BD【解析】A选项:根据左手定则,如果粒子带正电,洛伦兹力方向垂直于纸面向外,电场力方向也垂直于纸面向外,粒子不能做直线运动;如果粒子带负电,洛伦兹力方向垂直于纸面向里,电场力方向也垂直于纸面向里,粒子也不能做直线运动,A错。B选项:根据左手定则,如果粒子带正电,洛伦兹力方向垂直于纸面向外,电场力方向垂直于纸面向里,如果
8、洛伦兹力等于电场力,粒子做匀速直线运动,可以;如果粒子带负电,洛伦兹力方向垂直于纸面向里,电场力方向垂直于纸面向外,也可能,只要有一种电荷能满足条件,答案就是对的,B正确。C选项:同上方法分析得出,无论粒子带正电还是带负电都不可能,C错;D选项:磁场方向与运动方向平行,不受洛伦兹力,只受电场力,正电荷做匀加速直线运动,负电荷做匀减速直线运动,D对。故选BD。【总结升华】“恰好能沿直线MN从左至右通过这一区域”的意义是:第一种情况合力为零,洛伦兹力与电场力等大反向,做匀速直线运动;第二种情况合力与运动方向平行,做变速直线运动,如果洛伦兹力发生变化,不可能做直线运动,那么只有洛伦兹力为零,磁场方向
9、与速度方向平行。举一反三【变式】如图所示,电源电动势为E,内阻为r,滑动变阻器电阻为R,开关K闭合。两平行极板间有匀强磁场,一带电粒子(不计重力)正好以速度v匀速穿过两板。以下说法正确的是 ( )A保持开关闭合,将滑片p向上滑动一点,粒子将可能从下极板边缘射出B保持开关闭合,将滑片p向下滑动一点,粒子将可能从下极板边缘射出C保持开关闭合,将a极板向下移动一点,粒子将一定向下偏转D如果将开关断开,粒子将继续沿直线穿出【答案】AB【解析】开关K闭合,滑片未滑动时,带电粒子正好匀速穿过两板,电场力等于洛伦兹力,当滑片向上滑动时,两板电压减小,电场力减小,由于不知道带电粒子的电性,所以电场力方向可能向
10、上也可能向下,带电粒子刚进入电场时洛伦兹力大小不变,与电场力方向相反,所以带电粒子可能向上也可能向下运动。当滑片向下滑动时,两板电压增大,电场力变大,由于不知道带电粒子的电性,所以带电粒子可能向上也可能向下运动。AB正确。保持开关闭合,将a极板向下移动一点,两板间距离减小,电容C变大,电压不变,由知场强变大,电场力变大,粒子将向电场力方向偏转,由于不知道带电粒子的电性,仍然是两种可能,C错。如果将开关断开,电容器放电,两板间电压消失,带电粒子将在洛伦兹力作用下运动,D错。故选AB。类型二、质谱仪例2、对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示,质量为m、电荷量为q的铀23
11、5离子,从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场,其初速度可视为零,然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,做半径为R的匀速圆周运动。离子进行半个圆周后离开磁场并被收集,离开磁场时离子束的等效电流为I。不考虑离子重力及离子间的相互作用。(1)求加速电场的电压U:(2)求出离子被收集的过程中任意时间t内收集到离子的质量M;(3)实际上加速电压的大小会在U范围内微小变化。若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子,如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离,为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠,应小于多少?(结果用百分数表示,保留两位有效数字)【思路点拨】对质
12、谱仪要了解其结构,A是离子源产生离子,U是加速电场,磁场是偏转磁场,理解它们各自的作用。【答案】(1);(2);(3)。【解析】(1)铀粒子在电场中加速到速度v,根据动能定理有 进入磁场后在洛伦兹力作用下做圆周运动,根据牛顿第二定律有 由以上两式化简得 (2)在时间t内收集到的粒子个数为N,粒子总电荷量为Q,则 由式解得 (3)两种粒子在磁场中运动的轨迹不发生交叠,即不要重合,由可得半径为 由此可知质量小的铀235在电压最大时的半径存在最大值 质量大的铀238质量在电压最小时的半径存在最小值所以两种粒子在磁场中运动的轨迹不发生交叠的条件为 化简得 【总结升华】(1)质谱仪不仅可以求粒子轨道半径
13、、粒子质量、比荷,当然也可以求加速电场的电压;(2)求收集到离子的质量M,应该考虑到求任意时间t内收集到的粒子个数为N,根据基本定义写出三式,即可求得质量M;(3)求加速电压U变化的百分数,关键要根据半径公式分析出两种离子半径的最大值、半径的最小值,就能区分(不发生交叠),应是质量小的铀235在电压最大时的半径存在最大值(图形上是最大内圈),质量大的铀238质量在电压最小时的半径存在最小值(图形上是最小外圈),找到临界条件,最后进行代数运算求出的百分数。举一反三【变式】图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和
14、E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( )A质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的荷质比越小 【答案】ABC【解析】由加速电场可见粒子所受电场力向下,即粒子带正电,在速度选择器中,电场力水平向右,洛伦兹力水平向左,如图所示,因此速度选择器中磁场方向垂直纸面向外B正确;经过速度选择器时满足,可知能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/B,带电粒子进入磁场做匀速圆周运动则有,可见当v相同时,所以可以用来区分同位素,且
15、R越大,比荷就越大,D错误。故选ABC。类型三、回旋加速器例3、回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用,有力地推动了现代科学技术的发展。(1)当今医学成像诊断设备PET/CT堪称“现代医学高科技之冠”,它在医疗诊断中,常利用能放射电子的同位素碳11为示踪原子,碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得,同时还产生另一粒子,试写出核反应方程。若碳11的半衰期为20min,经2.0h剩余碳11的质量占原来的百分之几?(结果取2位有效数字)(2)回旋加速器的原理如图,D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒,它们接在电压一定、频率为f的交流电源上,位于D1圆心处的
16、质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略,重力不计),它们在两盒之间被电场加速,D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P,求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式(忽略质子在电场中运动的时间,其最大速度远小于光速)。【思路点拨】理解回旋加速器的原理,交流电源的频率与质子回旋频率相同,理解“输出时质子束的等效电流”的意义,即。【答案】(1),;(2)【解析】(1)核反应方程为 设碳11原有质量为m0,经过t1=2.0h剩余的质量为mr,根据半衰其定义有 (2)设质子质量为m,电荷量为q,质子离开加速器时速度大小为v,由牛顿第二定律知
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2022高三总复习物理教案-知识讲解 复合场的实际应用提高 2022 高三总 复习 物理教案 知识 讲解 复合 实际 应用 提高
限制150内