1.4 专题 磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件 课件-2025-2026学年高二上学期物理粤教版选择性必修第二册

专题：磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件 第 一 章 学习目标 1.知道磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理(重点)。 2.会应用它们的工作原理解决实际问题(难点)。 内容索引 二、电磁流量计 一、磁流体发电机 三、霍尔元件 < 一 > 磁流体发电机 磁流体发电机的构造图如图甲所示，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，带电粒子的电荷量为q，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，开关断开，喷入磁场的带电粒子在洛伦兹力的作用下，带正电粒子打在 极板上，带负电粒子打在___极板上，这样A、B极板间会形成方向竖直 的电场，当射入磁场的带电粒子受到的洛伦兹力 电场力时，电路稳定(不计粒子重力)。此时，A、B两板相当于电源的正、负极，由qvB=qE=q得等效电源的电动势U= 。 A B 向下 等于 Bdv 说明：外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，故磁流体发电机的电动势E=U=Bdv。 (2024·广州市高二期末)如图为磁流体发电机示意图。平行金属板a、b之间存在匀强磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量等量正、负离子)垂直于磁场的方向喷入磁场，a、b两板间便产生电压。如果把a、b板与用电器R相连接，a、b板就是等效直流电源的两个电极。若磁场的磁感应强度为B，离子入射速度为v，a、b两板间距为d，两板间正对面积为S，两板间等离子体的等效电阻为r。稳定时，下列判断正确的是 A.用电器中电流为I= B.a、b板间的电势差为Bdv C.图中a板是电源的正极，b板是电源的负极 D.只增大a、b板的正对面积S，会使电源的电动势变大 例1 √ 由平衡条件得qvB=q，电源电动势E=U=Bdv 电动势的大小与B、v、d有关，与极板间的正对面积无关；电流I= =，用电器两端的电压，即a、b板间的电势差UR=IR=Bvd，故B、D错误，A正确； 由左手定则，正离子受洛伦兹力向下偏转，负离子受洛伦兹力向上偏转，a板为电源的负极，b板为电源的正极，C错误。 拓展　仅减小发电通道上下两板间距，发电机电动势　　　；仅提高喷射的速度，电动势　　　；仅提高磁感应强度，电动势　　　(均选填“增大”或“减小”)。  减小 增大 增大 返回 < 二 > 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 ，所以v= ，又圆管的横截面积S=πD2， 故流量Q=Sv= 。 qvB=qE=q (2025·北京卷)电磁流量计可以测量导电液体的流量Q——单位时间内流过管道横截面的液体体积。如图所示，内壁光滑的薄圆管由非磁性导电材料制成，空间有垂直管道轴线向里的匀强磁场，磁感应强度为B。液体充满管道并以速度v沿轴线方向向左流动，圆管壁上的M、N两点连线为直径，且垂直于磁场方向，M、N两点的电势差为U0。下列说法错误的是 A.N点电势比M点高 B.U0正比于流量Q C.在流量Q一定时，管道半径越小，U0越小 D.若直径MN与磁场方向不垂直，测得的流量Q偏小 例2 √ 根据左手定则可知液体中正离子向下偏转，负离子向上偏转，故N点电势比M点高，故A正确； 设管道半径为r，稳定时，离子受到的洛伦兹力与电场力平衡有q= Bqv，同时有Q=Sv=πr2v，联立可得U0=，故U0正比于流量Q，流量Q一定时，管道半径越小，U0越大，故B正确，C错误； 若直径MN与磁场方向不垂直，则Q=，此时测得的流量Q偏小，故D正确。 返回 < 三 > 霍尔元件 如图所示的元件，宽度和厚度分别为h和d，放在沿-z方向的匀强磁场B中，当元件通有沿+x方向的电流I时，在元件的上侧面和下侧面之间会产生电势差U。这种现象叫作霍尔效应，产生的电压称为霍尔电压。已知该霍尔元件的载流子是电子，电荷量为e，单位体积中的自由电子数为n。 (1)达到稳定状态时，元件上侧面的电势　　　(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面的电势。  低于 (2)达到稳定状态时，请证明：U=。 答案　自由电子在洛伦兹力的作用下累积在元件的上侧面，下侧面感应出等量的正电荷，当上下侧面有稳定的电势差时，静电力和洛伦兹力平衡，则有eE=evB 上下侧面间的电场可视为匀强电场，故有E= 由电流的微观表达式，有I=nevS=nevhd 联立可得U= (3)由上问可知，在I、n、e、h一定的条件下，U与B成正比，由U的数值可以比较B的大小，因此可以用这种元件探测某空间磁场的磁感应强度。该元件摆放的方向对测量结果是否有影响？简要说明理由。 答案　用霍尔元件探测空间磁场时，元件的摆放方向对U有影响。因为洛伦兹力的大小与电子运动方向有关。若B的方向平行于I的方向，则U=0；若B的方向与I的方向垂直，U值最大。所以使用时应该调整装置方向找到最大值U。 (4)若电流为正电荷定向移动形成的，上下侧面哪个面的电势高？ 答案　上侧面 (2024·温州市高二期末)自行车速度计可以利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，一块磁铁安装在前轮上，轮子每转一圈，磁铁就靠近传感器一次，传感器就会输出一个脉冲电压。如图乙所示，电源输出电压为U1，当磁场靠近霍尔元件时，在导体前后表面间出现电势差U2(前表面的电势低于后表面的电势)。下列说法中错误的是 A.图乙中霍尔元件的载流子带负电 B.若电流I变大，则霍尔电势差U2变大 C.自行车的车速越大，则霍尔电势差 U2越大 D.若传感器的电源输出电压U1变大，则霍尔电势差U2变大 例3 √ 由题意可知，前表面的电势低于后表面的电势，结合左手定则可知，霍尔元件的电流I是由负电荷定向运动形成的，A正确，不符合题意； 根据qvB=q 解得U2=Bdv 由电流的微观定义式I=neSv，n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电荷量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度，整理得v=，联立解得U2=，可知霍尔电势差U2与车速大小无关，若电流I变大，则霍尔电势差U2变大，B正确，不符合题意；C错误，符合题意。 分析两侧面产生电势高低时应特别注意霍尔元件的材料，若霍尔元件的材料是金属，则参与定向移动形成电流的是电子，偏转的也是电子；若霍尔元件的材料是半导体，则参与定向移动形成电流的可能是正“载流子”，此时偏转的是正电荷。 总结提升 返回 本课结束 第 一 章 $