2020版物理浙江高考选考一轮复习讲义:选修3-1第八章专题突破带电粒子在复合场中的运.doc.pdf
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1、专題突破带勒竝子蛊复合场中的运动 命题点n带电粒子在复合场中运动的实例分析 命题角度1质谱仪的原理和分析 1?作用 测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。 2.原理(如图1所示) 6 747372 7()U 1 111 L ? I 1 / T 可 加速电场:qU=mv 2; 2 (2)偏转磁场:qoB=, l=2r ; 【例1】 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。工作原理如图2 所示, 电荷量均为+g、质量不同的离子初速度几乎为零地进入电压为S的加速电场。这些离 子经加速后通过狭缝0沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B 的匀强磁场中,最后打在底片上。已知放置底片的区域MN=L
2、,且OM=L 。某次 2 1 测量发现M/V中左侧彳区域MQ损坏,检测不到离子,但右侧扌区域QN仍能正常检 测到离子。在适当调节加速电压后,原木打在MQ的离子即可在QN检测到。为使原 本打在MN中点P的离子能打在0V区域,则加速电压U的值不可能为() 由以上两式可得尸訂竽, g_ 2U mB Q 图1 T x 吟 x Px Q;X N f / t / / / z Z / / “X X zz X / X “ B / / X X X X 解析 由题意知,开始离子在电场中加速,有qU严歸,在磁场中做匀速圆周运动,有 qvB=rrr,打在P点的离子尸0=扌厶,解得盘:;当加速电压为U时, ,2 qU=
3、*mvS qMB=;离子打在Q点时,厂 =舟厶,得 “=罟严;离子打在 ?点 时,尸厶得U= ;则加速电压U的范围为严 WUW 罟,选项D符合题答案D 命题角度2 回旋加速器的原理和分析 1.加速条件:T电场=T回旋=qB; 2 2.磁场约束偏转:qoB=% 氓 / t 1 3.带电粒子的最大速度坯和=牢严, G为D形盒的半径。粒子的最大速度Dmax与加 速 电压U无关。 4.回旋加速器的解题思路 (1)带电粒子在缝隙的电场中加速,交变电流的周期与带电粒子在磁场中做圆周运动的 周期相等,每经过电场一次,粒子加速一次。 (2)带电粒子在磁场中偏转、 半径不断增大, 周期不变, 最大动能与D形盒的
4、半径 有关。 【例2 (2018-常州模拟 )回旋加速器是加速带电粒子的装置,其核心部分是分别 与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成周期性变化的电 A. 16S 9 口100S D. o 1 140S 81 D.2l/o 场,使粒子在通过狭缝吋都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中, 如图3所示。设D形盒半径为 /? 。若用回旋加速器加速质子时,匀强磁场的磁感应强 度为B,高频交流电频率为则下列说法正确的是() B 图3 A.质子被加速后的最大速度不可能超过2nfR B.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小有关 C.高频电源只能使用矩形交变电流,不能
5、使用正弦式交变电流 D.不改变B和/, 该回旋加速器也能用于加速(I粒子 解析 由T=警, T气,可得质子被加速后的最大速度为2劝R,即不可能超过2次, 质子被 加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关,选项A正确、B错误;高频电源可以 使用正弦式交变电源,选项C错误;要加速a粒子,髙频交流电周期必须变为a粒子 在其中做圆周运动的周期,即T=需,故选项D错误。 答案A 命题角度3霍尔效应的原理和分析 1?定义: 高为/2,宽为的金属导体 (自由电荷是电子) 置于匀强磁场3中,当电流通 过 金属导体时,在金属导体的上表面力和下表面川之间产生电势差,这种现象称为霍尔 效应,此电压称为霍尔电压。 2
6、.电势高低的判断:如图4,金属导体中的电流 / 向右时,根据左手定则可得,下表面4 的电势高。 3.霍尔电压的计算:导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转,A、A间出现 电势差,当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时,A、“间的电势差( S就保持稳 T J DT 07 1 定,由qvB=cj, / ncjvS, S =hd; 联乂得U=两 =k/ ,比=称为霍尔系数。 【例3 (2018-4月浙江选考,22)压力波测量仪可将待测压力波转换成电压信号, 其原理如图5所示。压力波0(/)进入弹性盒后,通过与较链0相连的“ T ”型轻杆 L,驱动杆端头A处的微型霍尔片在磁场中沿x轴方向做微小振动
7、,其位移x与压 力成 正比a=ap, ?0)o霍尔片的放大图如图6所示,它由长 X宽乂厚 =aXhXd. 单位体积内 白由电子数为斤的N型半导体制成。磁场方向垂直于兀轴向上,磁感应强度大小为 B=3o(l“闵),00。无压力波输入吋,霍尔片静止在x=0处,此时 给霍尔片通以 沿GC2方向的电流 /, 则在侧面上D、0两点间产生霍尔电压S。 (1)指出D、6 两点哪点电势高; 推导出 S与人B()Z间的关系式(提示:电流/ 与自由电子定向移动速率eZ间关 系为 I=nevbd,其中幺为电子电荷量); (3)弹性盒中输出压力波p(f),霍尔片中通以相同电流,测得霍尔电压随时间t 变 化图象如图7。
8、忽略霍尔片在磁场中运动产生的电动势和阻尼,求压力波的振幅和频 率。(结果用U。、U fo、a及表不) 解析(1)N型半导体可以自由移动的是电子(当然题目也给出了自由电子), 根据左 手 定则可以知道电子往P端移动,因此D点电势髙。 (2)根据霍尔元件内部电子受的洛伦兹力和电场力平衡得 evBo=eE Hi U ()=EHb 将代入,解得5=需 (3)由任意时刻霍尔元件内部电子受到的洛伦兹力和电场力平衡得 * - p(t) 1 H= L 弹性盒8 匸fz .4 - evB= =爲=作1 - 伽尸繳1 -恥 根据图象可知压力波P关于时间是一个正弦函数,其绝对值的周期是原函数周期 的一半,根据图象可
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