對帶電粒子在疊加場中運動的實例分析

【摘要】帶電粒子在疊加場中的運動規(guī)律廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活中.隨著高考改革對具體問題情境考查力度的加大，高考考題更加關(guān)注應(yīng)用物理類問題和具體的物理儀器原理的考查.然而，部分學(xué)生只掌握了知識，卻不能將其運用于實際，無法形成縝密的知識體系.本文結(jié)合實例探究帶電粒子在疊加場中的運動問題，以供讀者參考.

【關(guān)鍵詞】高中物理；帶電粒子；疊加場

1 速度選擇器

例1 速度選擇器是物理實驗中的重要儀器，主要用于篩選特定速度的粒子，這為粒子物理實驗和研究提供了重要幫助.如圖1所示為一類經(jīng)典的速度選擇器模型，平行板中磁感應(yīng)強度B垂直于紙面向里，電場強度E豎直向下，設(shè)一帶電粒子從平行板左端開口處以速度v沿虛線方向水平射入后做直線運動，不計粒子重力產(chǎn)生的影響，則下列選項中正確的是（ "）

（A）該帶電粒子一定帶負(fù)電.

（B）該帶電粒子一定帶正電.

（C）速度v=EB.

（D）若粒子沿虛線從右端射入，會做直線運動.

解 若粒子帶正電，則根據(jù)左手定則可知洛倫茲力方向豎直向上，電場力方向豎直向下，符合題意.若粒子帶負(fù)電，同理可知洛倫茲力方向豎直向下，電場力方向豎直向上，符合題意，故粒子帶正電或負(fù)電均可，選項（A）（B）錯誤.

粒子所受電場力F電=qE，洛倫茲力F洛=qvB.因為粒子沿直線運動，故豎直方向上兩力平衡，v=EB，選項（C）正確.此粒子從右端沿虛線方向射入，無論粒子帶正電或負(fù)電，電場力與洛倫茲力同向，不做直線運動，選項（D）錯誤.

評析 速度選擇器是物理實驗中非常經(jīng)典的實驗裝置，其基于帶電粒子在復(fù)合場中的運動特點進行設(shè)計，展示了力平衡原理的巧妙運用，使得只有特定速度的帶電粒子能夠通過選擇器.

2 磁流體發(fā)電機

例2 磁流體發(fā)電機作為一種高效、低污染的發(fā)電方式，為能源領(lǐng)域帶來了新的可能性和解決方案.如圖2所示為一類經(jīng)典的磁流體發(fā)電機，磁鐵的NS兩端在兩相距為d、寬為a、長為b的平行金屬板間形成勻強磁場B，將速度為v的等離子體垂直于勻強磁場B入射.將上、下板和電阻R之間用導(dǎo)線相連，若穩(wěn)定時等離子體在兩板間均勻分布，電阻率為ρ，將上、下板視為直流電源的兩極，不計邊緣效應(yīng)，下列說法正確的是（ "）

（A）上板為正極，電流I=BdvabRab+ρd.

（B）上板為負(fù)極，電流I=Bvad2Rab+ρb.

（C）下板為正極，電流I=BdvabRab+ρd.

（D）下板為負(fù)極，電流I=Bvad2Rab+ρb.

解 由左手定則得正、負(fù)電荷分別受到向下和向上的洛倫茲力，故上、下極板分別為電源的負(fù)極和正極，達到穩(wěn)定時qvB=qEd，則電源電動勢E=Bdv，流過R的電流為I=ER+r，而r=ρdS，S=ab，故電流大小為I=BdvabRab+ρd.選項（C）正確.

評析 磁流體發(fā)電機是一種創(chuàng)新的發(fā)電技術(shù)，它利用帶電粒子流體在磁場中的運動來產(chǎn)生電能.同時其還可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，無需經(jīng)過機械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，顯著提高了燃料的利用率.

3 電磁流量計

例3 電磁流量計基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量導(dǎo)電流體在磁場中運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，來準(zhǔn)確計算流量.這種測量方式不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，因此具有廣泛的應(yīng)用.圖3為一個監(jiān)測化工廠污水排放量的絕緣長方體流量計，左右兩端開口，長、寬、高分別為a、b、c，前后兩個側(cè)面固定有金屬板作為電極.裝置處在一個豎直向下的勻強磁場B中，污水從左向右流經(jīng)該裝置時，M、N兩端間的電壓表顯示兩極板之間的電壓U，若以Q代表污水流量（單位時間內(nèi)排出的污水體積），則下列說法正確的是（ "）

（A）M端的電勢高于N端.

（B）U與a和b均成正比，與c無關(guān).

（C）U與Q成正比.

（D）若污水中正、負(fù)離子數(shù)相同，則U=0.

解 由左手定則得正、負(fù)離子所受的洛倫茲力方向分別為向里和向外，故N端帶正電，M端帶負(fù)電，M端的電勢低于N端，選項（A）錯誤.

離子最終處于平衡狀態(tài)，洛倫茲力和電場力大小相等，即qvB=qUb，U=Bbv，U與b成正比，與污水中正、負(fù)離子數(shù)無關(guān)，選項（B）（D）錯誤.

因為v=UBb，則Q=vbc=UcB，故U=BQc，所以U與Q成正比，選項（C）正確.

評析 電磁流量計是一種利用電磁原理進行測量的儀器，可以將流量這一運動學(xué)量通過電學(xué)量的大小表示出來.在分析時，要辨析清楚流體中粒子的類型以及流動方向.

4 結(jié)語

通過對上述例題的分析可以發(fā)現(xiàn)，解答此類問題需要遵循以下步驟：先提取問題中的信息并進行分析、判斷，其主要可以分為電場問題、磁場問題、復(fù)合場問題三個類型，據(jù)此構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，最后解決問題并檢驗.高中物理中實例分析對于教學(xué)的作用是多層次的，其主要體現(xiàn)在概念的理解與深化、興趣的激發(fā)和培養(yǎng)、問題解決能力的提升、實驗技能的培養(yǎng)、物理視角的開闊等多個方面.它不僅能夠幫助學(xué)生更好地理解和深化相應(yīng)的物理概念，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，提高學(xué)生解決問題的能力、思維能力和創(chuàng)新能力.因此，教師在教學(xué)的過程中要注重實例分析的拓展應(yīng)用與講解.