1.4.2 速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册 （粤教版2019）

第2课时　速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件

[学习目标]　1.知道速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理(重点)。2.学会应用工作原理解决实际问题(难点)。

一、速度选择器

速度选择器是近代物理学研究中常用的一种实验工具，其功能是可以选择某种速度的带电粒子。如图，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧射入，不计粒子重力。

1．带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝。

2．速度选择器中偏转情况：

(1)当v＞时，粒子向f方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大。

(2)当v＜时，粒子向F电方向偏转，F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小。

某粒子在速度选择器中匀速运动，若只改变其电性或电荷量，粒子能否匀速通过？

答案　粒子仍能匀速通过。由v＝知速度选择器只对选择的粒子速度有要求，而对粒子的电荷量及电性无要求。

例1　(多选)(2023·汕头市潮阳南侨中学高二期中)如图，速度选择器两极板间有互相垂直的匀强电场和匀强磁场，一电荷量为＋q的粒子以水平速度v0从左侧射入，恰能沿直线飞出速度选择器，不计粒子重力和空气阻力。下列说法不正确的是(　　)

A．若仅将粒子改为从右侧射入，粒子仍将沿直线飞出

B．若仅将粒子改为从右侧射入，粒子不能沿直线飞出

C．若仅将电荷量改为－q，粒子不能沿直线飞出

D．若仅将电荷量改为＋2q，粒子不能沿直线飞出

答案　ACD

解析　粒子在速度选择器中做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力大小相等、方向相反。根据qE＝qvB，若仅改变粒子的电性或者电荷量，粒子仍受力平衡，仍可沿直线运动，故C、D错误；若仅将粒子改为从右侧射入，根据左手定则，粒子受到的洛伦兹力将变为向下，粒子所受电场力也向下，则受力不再平衡，无法沿直线运动，故A错误，B正确。

二、磁流体发电机

磁流体发电机的发电原理图如图甲所示，其平面图如图乙所示。

将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)以速度v喷入磁场，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，开关断开，电路稳定时极板间电压为U，重力不计，根据f＝F电，有qvB＝qE＝，得U＝Bdv。上极板是正极。

在上述图乙中，若平行金属板A、B的面积均为S，磁场的磁感应强度为B，两板间的垂直距离为d，等离子体的电阻率为ρ，速度为v，电路电阻为R，则闭合开关后电路中电流多大？

答案　电动势E＝Bdv，等离子体电阻r＝ρ，由I＝，得I＝。

例2　磁流体发电的原理如图所示，将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，在相距为d、宽为a、长为b的两平行金属板间便产生电压。如果把上、下板和电阻R连接，上、下板就是一个直流电源的两极，若稳定时等离子体在两板间均匀分布，电阻率为ρ，忽略边缘效应，下列判断正确的是(　　)

A．上板为正极，电流I＝

B．上板为负极，电流I＝

C．下板为正极，电流I＝

D．下板为负极，电流I＝

答案　C

解析　根据左手定则可知，正离子在磁场中受到的洛伦兹力向下，故下板为正极，设两板间的电压为U，则q＝Bqv，得U＝Bdv，电流I＝＝，故选C。

三、电磁流量计

如图甲、乙所示是电磁流量计的示意图。

设圆管的直径为D，磁感应强度为B，a、b两点间的电势差是由于导电液体中电荷受到洛伦兹力作用，在管壁的上、下两侧堆积产生的。到一定程度后，a、b两点间的电势差达到稳定值U，上、下两侧堆积的电荷不再增多，此时，洛伦兹力和电场力平衡，有qvB＝qE＝q，所以v＝，又圆管的横截面积S＝πD2，故流量Q＝Sv＝。

例3　(2023·广州市高二期末)某实验室中有一种污水流量计，其原理可以简化为如图所示模型：废液内含有大量正、负离子，从直径为d的圆柱形容器右侧流入，左侧流出，流量值Q等于单位时间内通过横截面的液体的体积。空间有垂直纸面向里的磁感应强度大小为B的匀强磁场，下列说法正确的是(　　)

A．改变污水的流速，M、N两点电压不会发生变化