【金版学案】2016届高考物理一轮复习课件 第九章 磁场 第4课 复合场中的STS题型探究

高考总复习物理第二单元磁场对运动电荷的作用第4课复合场中的STS题型探究高考展望题型探究栏目链接1.了解速度选择器、磁流体发电机、质谱仪、回旋加速器、霍耳效应、电磁流量计、电磁偏转技术等STS设备的原理.2.直接考查一般为选择题.高考展望题型探究栏目链接提醒探究题型1理解速度选择器与质谱仪1．粒子通过速度选择器的条件．(1)速度选择器只选择速度，与比荷无关，也与电性无关；如换负电荷从左端射入，只要速度适合v＝EB，也一样可从右端选择出来．(2)若从右端射入，而复合电磁场的方向没有相应改变，则无论速度是否适合v＝EB，都不能从左端选择出来．提醒探究(3)若正粒子的速度v′＞v＝EB，则qv′B＞qE，粒子向上偏转；若正粒子的速度v′＜v＝EB，则qv′B＜qE，粒子向下偏转．2．质谱仪的主要特征．将质量数不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速后进入偏转磁场．各粒子由于轨道半径不同而分离，其轨道半径r＝mvqB＝2mEkqB＝2mqUqB＝1B2mUq.在上式中，B、U、q对同一元素均为常量，故r∝m，根据不同的半径，就可以计算出粒子的质量或比荷．提醒探究【例❶】如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里C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于EBD．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小提醒探究解析：本题考查质谱仪的工作原理，意在考查学生分析带电粒子在电场、磁场中的受力和运动的能力．粒子先在电场中加速，进入速度选择器做匀速直线运动，最后进入磁场做匀速圆周运动．在速度选择器中受力平衡：qE＝qvB，得v＝EB，方向由左手定则可知磁场方向垂直纸面向外，C选项正确，B选项错误．进入磁场后，洛伦兹力提供向心力，由qvB0＝mv2R得R＝mvqB0，所以荷质比不同的粒子偏转半径不一样，所以A选项正确、D选项错误．答案：AC提醒探究方法点窍本题其实是速度选择器与质谱仪的组合体，通过利用力的平衡条件确立了通过速度选择器的速度公式，再通过洛伦兹力作为向心力确立了半径的公式，从而明确了速度选择器只能筛选速度，质谱仪再筛选比荷的道理．提醒探究题型2理解回旋加速器回旋加速器决定带电粒子最终能量的因素．由于盒的半径的约束，粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径．根据牛顿运动定律：qvB＝mv2r，得：v＝qBrm.提醒探究故粒子离开加速器时获得的动能为：Ek＝12mv2＝（qBr）22m.故要提高加速粒子最后的能量，应尽可能增大磁感应强度B和加速器的半径r.提醒探究【例❷】回旋加速器是用于加速带电粒子流，使之获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速；两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q、质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，磁场的磁感应强度为B，其运动轨迹如图所示，问：提醒探究(1)粒子在盒内磁场中做何种运动？(2)粒子在两盒间狭缝内做何种运动？(3)所加交变电压频率为多大？粒子运动角速度为多大？(4)粒子离开加速器时速度为多大？提醒探究解析：(1)D形盒由金属导体制成，可屏蔽外电场，因而盒内无电场．盒内存在垂直盒面的磁场，故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动．(2)两盒间狭缝内存在匀强电场，且粒子速度方向与电场方向在同一条直线上，故粒子做匀加速直线运动．(3)粒子在电场中运动时间极短，高频交变电压频率要符合粒子回旋频率，回旋频率：f＝1T＝qB2πm，角速度：ω＝2πf＝qBm.提醒探究(4)因粒子最大回旋半径为Rm，故：Rm＝mvmqB，即vm＝qBRmm.答案：(1)匀速圆周运动(2)匀加速直线运动(3)qB2πmqBm(4)qBRmm提醒探究题型3电磁流量计【例❸】医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度．电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线与磁场方向和血流速度方向两两垂直，如上图所示．由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小的电势差．提醒探究在达到平衡时，血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零．在某次监测中，两触点间的距离为3.0mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160μV，磁感应强度的大小为0.040T．则血流速度的近似值和电极a、b的正负分别为()A．1.3m/s，a正、b负B．2.7m/s，a正、b负C．1.3m/s，a负、b正D．2.7m/s，a负、b正提醒探究解析：血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，正离子受到向上的洛伦兹力向上偏转，负离子受到向下的洛伦兹力向下偏转，上下壁间形成电势差U，电极a的电势高于b；上下壁间形成电场，正、负离子受到与洛伦兹力f方向相反的电场力F作用．当离子受到的电场力F与洛伦兹力f平衡时，电势差稳定．根据平衡条件：qvB＝qE＝qUd得v＝UBd＝1.33m/s.答案：A提醒探究题型4理解磁偏转的应用——电视机显像管【例❹】如图所示为电视机显像管及其偏转线圈L的示意图．如果发现电视画面的幅度比正常时偏小，可能的原因是()提醒探究A．加速电场的电压过低B．加速电场的电压过高C．偏转线圈发生断路，没有磁场D．偏转线圈发生短路，磁场磁感应强度偏大提醒探究解析：首先了解一下物理模型，通过电源E1加热金属丝K，在K处发射出电子；再通过电源E2产生加速电场，对电子加速，根据动能定理，有：eU＝12mv2，得离开电场时的速度为v＝2eUm.再垂直进入电磁铁L所产生的匀强磁场中，由下图可知匀强磁场为上N下S.提醒探究电子在洛伦兹力作用下做磁偏转，把磁场按垂直纸面向里处理，如下图所示．根据洛伦兹力等于向心力，有：evB＝mv2R，得偏转半径为：R＝mveB.设电子在磁场中的偏转角为θ，有：sinθ＝LR.以上各式联立得：sinθ＝BLe2mU.电视画面的幅度比正常时偏小，即θ偏小，则可能是B偏小，也可能U偏大．答案：B提醒探究方法点窍本题其实是加速电场与偏转磁场的组合题，加速电场中根据动能定理确定电子被加速获得的速度，偏转磁场要设偏转角，根据洛伦兹力作向心力定半径，根据几何知识定偏转角．