《磁场和现代科技应用》高三复习学案

 

一、  教材分析

纵观近几年的高考试题，常常以加速器、质谱仪、速度选择器、磁流体发电机、回旋加速器为背景，结合最新的现代科技知识与情景，考查带电粒子在电磁场中的加速、偏转问题。

二、  设计理念

倡导学生在教师指导下主动有效地学习，提倡自主探究与合作交流的学习方式，高度重视学生的主动参与，打造高效地绿色课堂

三、  学习目标

1.   掌握速度选择器、质谱仪的工作原理和应用

2.   知道磁流体发电机的发电原理

3.   知道回旋加速器的基本构造和加速原理

四、  重点、难点

重点：速度选择器、磁流体发电机和回旋加速器的应用

难点：磁流体发电机的实际应用和回旋加速器的加速原理及应用

五、  课前自主学习

1．学生自主复习教材第46课时P153至P154。

2．结合复习的内容思考如下问题：

（1）通过速度选择器的粒子的速度应该满足怎样的条件？如果改变速度的 方向还能否实现选择的目的？

（2）磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应的原理是 什么？试填写下列表格

原 理：
电势高低：
特 征  量：	电动势E= 内阻r= 电流I=	流速V= 流量 Q=	单位体积内正电子数密度为n 霍尔电压UH=

六、  课堂学习过程

（一）、速度选择器（滤速器）

[例1]  如图质量为 m、带电量为 +q 的粒子，从两平行电极板正中央垂直电场线和磁感线以某一初速度V₀飞入.已知两极板间电压为 U , 间距为 d ,磁感应强度为B，这时粒子恰能沿直线穿过电磁场区域（重力不计），则：

 1.粒子的初速度V₀应满足什么条件？

2．思考与讨论：① 若v₀ 、E 、B都保持不变,只改变带电粒子的电性,粒子是否还能沿直线穿越该电磁场区域?

② 若v₀ 大小和粒子的电性保持不变,只改变V₀的方向、B的方向或E的方向,粒子是否还能沿直线穿越该电磁场区域?

③ 若v₀ 和粒子的电性保持不变,同时改变E和B的方向,粒子是否还能沿直线穿越该电磁场区域?

变式1.如图所示的虚线区域内，充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场。一带电粒子a（不计重力）以一定的初速度由左边界的O点射入磁场、电场区域，恰好沿直线由区域右边界的O′点（图中未标出）穿出。若撤去该区域内的磁场而保留电场不变，另一个同样的粒子b（不计重力）仍以相同初速度由O点射入，从区域右边界穿出，则粒子b     （　    ）

A．穿出位置一定在O′点下方          B．穿出位置一定在O′点上方

C．运动时，在电场中的电势能一定减小  D．在电场中运动时，动能一定减小

变式2.如图所示，有一正方形区域，CB为对角线，A、D分别为对应边的中点，一不计重力的带电粒子以速度v沿CB方向射入．当在正方形平面内有垂直于CB方向的匀强电场E时，粒子从A点飞出，速率为v₁，所用时间为t₁；当区域有垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场时，粒子从D点飞出，速率为v₂，所用时间为t₂．则下列说法正确的是         （　　   ）

  A．t₁＝t₂　　      　B．t₁＜t₂　　　

  C．v₁＝v₂      D．v₁<v₂

变式3.如图所示，两竖直平行板间同时存在匀强电场和匀强磁场，电场的场强为E、方向水平向右，磁场的磁感应强度为B、方向与电场垂直且水平向里．一带电液滴以竖直向下的初速度v0=E/B进入电、磁场区域，最终能飞出该区域．则液滴在电、磁场中     (      )

   A．做匀速直线运动             

   B．做匀变速曲线运动

   C．运动速度逐渐减小           

   D．机械能逐渐减小

(二)、质谱仪

[例2] 如图所示，一带电量为+q的离子从狭缝S₁以很小的速度进入电压为 U的加速电场（初速不计），加速后通过狭缝 S₂ 再进入磁感应强度为 B 的匀强磁场，最后离子打在离狭缝S₂的距离为 d 的感光片p上。试导出离子的质量 m 的表达式。

2.思考与讨论：① 若让氢的同位素的原子核 (

)通过同一台质谱仪,能否将其区分?  ② 若让氘核和α离子通过同一台质谱仪,能否将其区分?

变式4.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外

C．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/B  

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

 (三)、磁流体发电机,电磁流量计,霍尔效应

学生分组讨论预习中出现的问题，教师给出适当指导

[例3] 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（即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流体的管道相连（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。当导电流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表示测量的电流值。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．

课堂小结：

七、  课后练

1.如图所示，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转。如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入后一磁场的离子，可得出结论（    ）

 A. 它们的动能一定各不相同

 B. 它们的电量一定各不相同

 C. 它们的质量一定各不相同   

 D. 它们的电量与质量之比一 定各不相同

2.为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图所示．在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M和N与内阻为R的电流表相连．污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况．下列说法中错误的是（　　）

A．M板比N板电势低

B．污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小

C．污水流量越大，则电流表的示数越大

D．若只增大所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大

3.法拉第曾提出一种利用河流发电的设想，并进行了实验研究。实验装置的示意图可用下图表示，两块面积均为S的矩形金属板，平行、正对、竖直地全部浸在河水中，间距为d。水流速度处处相同，大小为v，方向水平。金属板与水流方向平行。地磁场磁感应强度的竖直分量为B，水的电阻

率为ρ，水面上方有一阻值为R的电阻通过绝缘导线和电建K连接到两金属板上。忽略边缘效应，求：（1）该发电装置的电动势；（2）通过电阻R的电流强度；（3）电阻R消耗的电功率。

4.串列加速器是用来产生高能离子的装置．图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电势U，a、c两端均有电极接地（电势为零）．现将速度很低的负一价碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b处的特殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小．这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动．已知碳离子的质量为m=2.0×10^-26kg，U=7.5×10⁵V，B=0.50T，n=2，基元电荷e=1.6×10^-19C，求R．

5.质谱仪是一种测带电粒子质量和分析同位素的重要工具，现有一质谱仪，粒子源产生出质量为m电量为的速度可忽略不计的正离子，出来的离子经电场加速，从点沿直径方向进入磁感应强度为B半径为R的匀强磁场区域，调节加速电压U使离子出磁场后能打在过点并与垂直的记录底片上某点上，测出点与磁场中心点的连线物夹角为，求证：粒子的比荷

　　

6.如图为一种质谱仪示意图，由加速电场U、静电分析器E和磁分析器B组成。若静电分析器通道半径为R，均匀辐射方向上的电场强度为E，试计算：

（1）为了使电荷量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速后通过静电分析器E，加速电场的电压应是多大？　　（2）离子进入磁分析器后，打在核乳片上的位置A距入射点O多远？

课后反思：我们教师不能强迫学生去，因此，教师在教学中，要重视激发学生和保持学生的学习兴趣，才能使学生自觉、积极地进行思考和学习，这才是我们教学目标和价值实现的有效保证。

 

评课：这节课体现了高三复习性的特点，在突破易错点的同时，让学生注意解题的规范性，同时也要保证思考的过程性；在学习重点模型时，让学生犯错，让学生充分思考，并在其中渗透物理思想。

师2：整堂课的容量大，反应好；对知识的归纳总结，非常有针对性。学生的特点：敢讲，让部分学生先将答案讲出来，可以激发其他学生的思维。总之，知识归纳清晰，学生上课反应好，是一堂好课。