专题12电磁场在科学技术中的应用.docx
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专题12电磁场在科学技术中的应用
[04年高三物理热点专题]
考点12电磁场在科学技术中的应用
命题趋势
电磁场的问题历来是高考的热点，随着高中新课程计划的实施，高考改革的深化，这方面的问题依然是热门关注的焦点，往往以在科学技术中的应用的形式出现在问题的情景中，这几年在理科综合能力测试中更是如此。
2000年理科综合考霍尔效应，占16分；2001年理科综合考卷电磁流量计（6分）、质谱仪（14分），占20分；2002年、2003年也均有此类考题。
每年都考，且分值均较高。
将其他信号转化成电信号的问题较多的会在选择题和填空题中出现；而用电磁场的作用力来控制运动的问题在各种题型中都可能出现，一般难度和分值也会大些，甚至作为压轴题。
知识概要
电磁场在科学技术中的应用，主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，已达到预定的目的。
例如：
密立根实验—电场力与重力实验
速度选择器—电场力与洛伦兹力的平衡
直线加速器—电场的加速
质谱仪—磁场偏转
示波管—电场的加速和偏转
回旋加速器—电场加速、磁场偏转
电流表—安培力矩
电视机显像管—电场加速、磁场偏转
电动机—安培力矩
磁流体发电—电场力与洛伦兹力的平衡
霍尔效应—电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡
磁流体发电机—电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡
讨论与电磁场有关的实际问题，首先应通过分析将其提炼成纯粹的物理问题，然后用解决物理问题的方法进行分析。
这里较多的是用分析力学问题的方法；对于带电粒子在磁场中的运动，还特别应注意运用几何知识寻找关系。
解决实际问题的一般过程：
点拨解疑
【例题1】（2001年高考理综卷）图1是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。
设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。
分子离子从狭缝s1以很小的速度进入电压为U的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s2、s3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ。
最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3的细线。
若测得细线到狭缝s3的距离为d
（1）导出分子离子的质量m的表达式。
（2）根据分子离子的质量数M可用推测有机化合物的结构简式。
若某种含C、H和卤素的化合物的M为48，写出其结构简式。
（3）现有某种含C、H和卤素的化合物，测得两个M值，分别为64和66。
试说明原因，并写出它们的结构简式。
在推测有机化合物的结构时，可能用到的含量较多的同位素的质量数如下表：
元素
H
C
F
Cl
Br
含量较多的同
位素的质量数
1
12
19
35，37
79，81
【点拨解疑】
（1）为测定分子离子的质量，该装置用已知的电场和磁场控制其运动，实际的运动现象应能反映分子离子的质量。
这里先是电场的加速作用，后是磁场的偏转作用，分别讨论这两个运动应能得到答案。
以m、q表示离子的质量电量，以v表示离子从狭缝s2射出时的速度，由功能关系可得
①
射入磁场后，在洛仑兹力作用下做圆周运动，由牛顿定律可得
②
式中R为圆的半径。
感光片上的细黑线到s3缝的距离
d＝2R③
解得
④
（2）CH3CH2F
（3）从M的数值判断该化合物不可能含Br而只可能含Cl，又因为Cl存在两个含量较多的同位素，即35Cl和37Cl，所以测得题设含C、H和卤素的某有机化合物有两个M值，其对应的分子结构简式为CH3CH235ClM＝64；CH3CH237ClM＝66
【例题2】（2000年高考理综卷）如图2所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′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B的关系为U=k
式中的比例系数k称为霍尔系数。
霍尔效应可解释如下：
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。
设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：
（1）达到稳定状态时，导体板上侧面Ａ的电势下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。
（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。
（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为．
（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=
，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
【点拨解疑】霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。
（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。
由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。
根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A板聚集，A¹板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A¹板电势，应填“低于”。
（2）电子所受洛仑兹力的大小为
（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度
，电子所受电场力的大小为
（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有
e
＝evB可得Ｕ＝hvB
通过导体的电流强度微观表达式为
由题目给出的霍尔效应公式
，有
得
点评：
①该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。
②联系宏观量I和微观量的电流表达式
是一个很有用的公式。
【例题3】正负电子对撞机的最后部分的简化示意图如图3所示（俯视图），位于水平面内的粗实线所示的圆环形真空管道是正、负电子作圆运动的“容器”，经过加速器加速后的正、负电子分别引入该管道时，具有相等的速度v，它们沿管道向相反的方向运动。
在管道内控制它们转弯的是一系列圆形电磁铁，即图中的A1、A2、A3、…An，共n个，均匀分布在整个圆环上（图中只示意性地用细实线画了几个，其他的用虚线表示），每个电磁铁内的磁场都是匀强磁场，并且磁感应强度都相同，方向竖直向下。
磁场区域的直径为d，改变电磁铁内电流的大小，就可改变磁感应强度，从而改变电子偏转角度的大小。
经过精确的调整，首先实现了电子沿管道的粗虚线运动，这时电子经每个磁场区域时入射点和出射点都是磁场区域的同一直径的两端，如图4所示。
这就为正、负电子的对撞做好了准备。
（1）试确定正、负电子在管道中是沿什么方向旋转的。
（2）已知正、负电子的质量都是m，所带的电荷都是e，重力不计。
求电磁铁内匀强磁场的磁感应强度的大小。
【点拨解疑】
（1）根据洛伦兹力提供向心力和磁场方向向下，可判断出正电子沿逆时针方向转动，负电子沿顺时针方向转动。
（2）如图5所示，电子经过每个电磁铁，偏转角度是
，射入电磁铁时与该处直径的夹角为
，电子在磁场内作圆周运动的半径为
。
由几何关系可知，
，解得：
。
【例题4】图6是生产中常用的一种延时继电器的示意图。
铁芯上有两个线圈A和B。
线圈A跟电源连接，线圈B的两端接在一起，构成一个闭合电路。
在拉开开关S的时候，弹簧k并不能立即将衔铁D拉起，从而使触头C（连接工作电路）立即离开，过一段时间后触头C才能离开；延时继电器就是这样得名的。
试说明这种继电器的工作原理。
【点拨解疑】当拉开开关S时使线圈A中电流变小并消失时，铁芯中的磁通量发生了变化（减小），从而在线圈B中激起感应电流，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁场的减小，这样，就使铁芯中磁场减弱得慢些，因此弹簧k不能立即将衔铁拉起
针对训练
1．电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。
为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。
图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。
当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。
已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为
A．
B．
C．
D．
2．图8是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在的电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（）
A．距离变化B．正对面积变化
C．介质变化D．电压变化
3．如图9所示是一种延时开关，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通。
当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放。
则
A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
C．如果断开B线圈的电键S2，无延时作用
D．如果断开B线圈的电键S2，延时将变长
4．电视机显象管的偏转线圈示意图如图10所示，它由绕在磁环上的两个相同的线圈串联而成，线圈中通有方向如图所示的电流。
则由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转？
A．向上偏转B．向下偏转C．向左偏转D．向右偏转
5．如图11所示为静电除尘器的原理示意图，它是由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接高压电源的正极，B接负极，A、B间有很强的非匀强电场，距B越近处场强越大。
燃烧不充分带有很多煤粉的烟气从下面入口C进入。
经过静电除尘后从上面的出口D排除，下面关于静电除尘器工作原理的说法中正确的是
A．烟气上升时，煤粉接触负极B而带负电，带负电的煤粉吸附到正极A上，在重力作用下，最后从下边漏斗落下。
B．负极B附近空气分子被电离，电子向正极运动过程中，遇到煤粉使其带负电，带负电的煤粉吸附到正极A上，在重力作用下，最后从下边漏斗落下。
C．烟气上升时，煤粉在负极B附近被静电感应，使靠近正极的一端带负电，它受电场引力较大，被吸附到正极A上，在重力作用下，最后从下边漏斗落下。
D．以上三种说法都不正确。
6．如图12所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小金属块，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器。
该电容器的电容C可用公式
计算，式中常量
F/m，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离。
当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测到是哪个键被按下了，从而给出相应的信号。
设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时两金属片的距离为0.6mm。
如果电容变化了0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下mm。
7．（2003年上海卷）为研究静电除尘，有人设计了一个盒状容器，容器侧面是绝缘的透明有机玻璃，它的上下底面是面积A=0.04m2的金属板，间距L=0.05m，当连接到U=2500V的高压电源正负两极时，能在两金属板间产生一个匀强电场，如图13所示，现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内，每立方米有烟尘颗粒1013个，假设这些颗粒都处于静止状态，每个颗粒带电量为q=+1.0×10-17C，质量为m=2.0×10-15kg，不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力，并忽略烟尘颗粒所受重力。
求合上电键后：
（1）经过多长时间烟尘颗粒可以被全部吸附？
（2）除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功？
（3）经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大？
8．（2002年全国理综卷）电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。
电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区域，如图14所示。
磁场方向垂直于圆面。
磁场区中心为O，半径为r。
当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕的中心M点。
为了让电子束射到屏幕边缘P点，需要加一匀强磁场，使电子束偏转一已知角度
，此时磁场的磁感应强度B应为多少？
图15
9．（2001年全国理综卷）图15
（1）是一台发电机定子中的磁场分布图，其中N、S是永久磁铁的两个磁极，它们的表面呈半圆柱面形状。
M是圆柱形铁芯，它与磁极的柱面共轴。
磁极与铁芯之间的缝隙中形成方向沿圆柱半径、大小近似均匀的磁场，磁感应强度B=0.050T
图15
（2）是该发电机转子的示意图（虚线表示定子的铁芯M）。
矩形线框abcd可绕过ad、cb边的中点并与图
（1）中的铁芯M共轴的固定转轴oo′旋转，在旋转过程中，线框的ab、cd边始终处在图
（1）所示的缝隙内的磁场中。
已知ab边长l1=25.0cm,ad边长l2=10.0cm线框共有N=8匝导线，线框的角速度
。
将发电机的输出端接入图中的装置K后，装置K能使交流电变成直流电，而不改变其电压的大小。
直流电的另一个输出端与一可变电阻R相连，可变电阻的另一端P是直流电的正极，直流电的另一个输出端Q是它的负极。
图15（3）是可用于测量阿伏加德罗常数的装置示意图，其中A、B是两块纯铜片，插在CuSO4稀溶液中，铜片与引出导线相连，引出端分别为x、y。
现把直流电的正、负极与两铜片的引线端相连，调节R，使CuSO4溶液中产生I=0.21A的电流。
假设发电机的内阻可忽略不计，两铜片间的电阻r是恒定的。
（1）求每匝线圈中的感应电动势的大小。
（2）求可变电阻R与A、B间电阻r之和。
10．如图16所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存在垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场，质量为m，电量为+q的粒子在环中做半径为R的圆周运动。
A、B为两块中心开有小孔的极板，原来电势都为零，每当粒子飞经A板时，A板电势升高为+U，B板电势仍保持为零，粒子在两极间电场中加速，每当粒子离开B板时，A板电势又降为零，粒子在电场一次次加速下动能不断增大，而绕行半径不变。
⑴设t=0时，粒子静止在A板小孔处，在电场作用下加速，并绕行第一圈。
求粒子绕行n圈回到A板时获得的总动能En。
⑵为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动，磁场必须周期性递增。
求粒子绕行第n圈时的磁感应强度B。
⑶求粒子绕行n圈所需的总时间tn（设极板间距远小于R）。
⑷在粒子绕行的整个过程中，A板电势是否可始终保持为+U？
为什么？
11．在原子反应堆中抽动液态金属或在医疗器械中抽动血液等导电液体时，常使用电磁泵。
某种电磁泵的结构如图17所示，把装有液态钠的矩形截面导管（导管是环形的，图中只画出其中一部分）水平放置于匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，方向与导管垂直。
让电流I按如图方向横穿过液态钠且电流方向与B垂直。
设导管截面高为a，宽为b，导管有长为l的一部分置于磁场中。
由于磁场对液态钠的作用力使液态钠获得驱动力而不断沿管子向前推进。
整个系统是完全密封的。
只有金属钠本身在其中流动，其余的部件都是固定不动的。
（1）在图上标出液态钠受磁场驱动力的方向。
（2）假定在液态钠不流动的条件下，求导管横截面上由磁场驱动力所形成的附加压强p与上述各量的关系式。
（3）设液态钠中每个自由电荷所带电量为q，单位体积内参与导电的自由电荷数为n，求在横穿液态钠的电流I的电流方向上参与导电的自由电荷定向移动的平均速率v0。
12．如图18所示是静电分选器的原理。
将磷酸盐和石英的混合颗粒由传送带送至两个竖直的带电平行板上方，颗粒经漏斗从电场区域的中央处开始下落，经分选后的颗粒分别装入A、B桶中，混合颗粒离开漏斗进入电场时磷酸盐颗粒带正电，石英颗粒带负电，所有颗粒所带的电量与质量之比均为10-5C/kg。
若已知两板之间的距离为10cm，两板的竖直高度为50cm。
设颗粒进入电场时的初速度为零，颗粒间相互作用不计。
如果要求两种颗粒离开两极板间的电场区域时，有最大的偏转量且又恰好不接触到极板，
（1）两极板间所加的电压应多大？
（2）若带电平行板的下端距A、B桶底高度为H=1.0m，求颗粒落至桶底时速度的大小。
13．美国航天飞机“阿特兰蒂斯”号上进行过一项卫星悬绳发电实验。
航天飞机在赤道上空圆形轨道上由西向东飞行，速度为7.5km/s。
地磁场在航天飞机轨道处的磁感应强度B=0.50×10-4T，从航天飞机上发射出的一颗卫星，携带一根与航天飞机相连的场L=20km的金属悬绳，航天飞机和卫星间的这条悬绳方向沿地球径向并指向地心，悬绳电阻约r=800Ω，由绝缘层包裹。
结果在绳上产生的电流强度约I=3A。
（1）估算航天飞机运行轨道的半径。
取地球半径为6400km，第一宇宙速度为7.9km/h。
（2）这根金属绳能产生多大的感应电动势？
计算时认为金属绳是刚性的，并比较绳的两端，即航天飞机端与卫星端电势哪端高？
（3）试分析绳上的电流是通过什么样的回路形成的？
（4）金属绳输出的电功率多大？
参考答案：
1．A
2．A解析：
电容式话筒中振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器相当于一个平行板电容器。
当人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使两极板间的距离发生变化，从而导致电容器的电容发生变化．所以选（A）．
3．BC4．A5．B6．0.15
7．
（1）当最靠近上表面的烟尘颗粒被吸附到下板时，烟尘就被全部吸附。
烟尘颗粒受到的电场力F=qU/L①
②
∴
③
（2）
=2.5×10-4（J）④
（3）设烟尘颗粒下落距离为x
⑤
当
时EK达最大，
⑥
8．电子在磁场中沿圆弧ab运动，圆心为C，半径为R。
以v表示电子进入磁场时的速度，m、e分别表示电子的质量和电量，则
①
②
又有
③
由以上各式解得
④
9．
（1）设线框边的速度为，则
一匝线圈中的感应电动势为
代入数据解得
V
（2）N匝线圈中的总感应电动势为
由欧姆定律，得
代入数字解得
10．
（1）设经n圈回到A板时被加速n次，由动能定理得，nqU=En-0，得En=nqU
（2）经n次加速后，速度为vn，由动能定理得，nqU=
，
在绕行第n圈时，由
解得
（3）绕行第n圈时间
（4）不可能。
11．
（1）F的方向沿导管水平向里，且与B、I垂直
（2）
（3）
12．
（1）U=10000V
（2）v=5.5m/s
13．
（1）7.1×103km
（2）7500V航天飞机上电势高
（3）悬绳相当于电源，周围稀薄气体电离产生的离子导电构成回路（4）15.3km
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