2023版新教材高中物理第一章磁吃电流的作用专项9电磁流量计及霍尔元件课时作业教科版选择性必修第二册

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 eq\a\vs4\al(专) eq\a\vs4\al(项)9　电磁流量计及霍尔元件1．(多选)目前世界上一种新型发电机叫磁流体发电机，它的发电原理如图所示，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的粒子，从整体来说呈中性)沿图中所示方向喷射入磁场，磁场中有两块金属板P、Q，这时金属板上就聚集了电荷．下列说法正确的是(　　)A．P板带正电B．有电流从b经用电器流向aC．金属板P、Q间的电场方向向上D．等离子体发生偏转的原因是粒子所受洛伦兹力大于所受电场力2．(多选)如图所示，甲是回旋加速器，乙是磁流体发电机，丙是速度选择器，丁是霍尔元件，下列说法正确的是(　　)A．甲图可通过增加回旋加速器的半径来增大粒子的最大动能B．乙图可通过增加A、B两板间的距离来增大电源电动势C．丙图可以判断出带电粒子的电性，但带电粒子不能够从右侧沿水平直线匀速通过速度选择器D．丁图中产生霍尔效应时，无论载流子带正电或负电，稳定时都是D板电势低3．某兴趣小组设计的测量大电流的装置如图所示，通有电流I的螺绕环在霍尔元件处产生的磁场B＝k1I，通有待测电流I′的直导线ab垂直穿过螺绕环中心，在霍尔元件处产生的磁场B′＝k2I′.调节电阻尺，当电流表示数为I0时，元件输出霍尔电压UH为零，则待测电流，I′的方向和大小分别为(　　)A．a→b，eq \f(k2,k1)I0B．a→b，eq \f(k1,k2)I0C．b→a，eq \f(k2,k1)I0D．b→a，eq \f(k1,k2)I04．中国科学院武汉国家生物安全实验室是我国防护等级最高的P4实验室，致力于最危险的病毒研究．在该实验室中有一种污水流量计，如图甲所示，其原理可以简化为如图乙所示模型．废液内含有大量正、负离子，从圆柱形容器右侧流入，左侧流出，流速为v，流量Q等于单位时间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为B的匀强磁场，下列说法正确的是(　　)A．图乙中N点的电势低于M点电势B．当污水中离子浓度降低，M、N两点电压将减小C．若测定污水的流速，则需要测量直径两端点M、N两点电压U、磁感应强度B、直径dD．若测定污水的流量，则只需要测量直径两端点M、N两点电压U及磁感应强度B5．(多选)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).下列说法中正确的是(　　)A．图乙中霍尔元件的载流子带正电B．已知自行车车轮的半径，再根据单位时间内的脉冲数，即获得车速大小C．若传感器的电源输出电压U1变大，则霍尔电势差U2变大D．霍尔电势差U2的大小与霍尔元件所用的材料有关6．如图所示，电磁流量计的测量管横截面直径为D，在测量管的上下两个位置固定两金属电极a、b，整个测量管处于水平向里的匀强磁场中，磁感应强度大小为B.当含有正、负离子的液体从左向右匀速流过测量管时，连在两个电极上的显示器显示的流量为Q(单位时间内流过的液体体积)，下列说法正确的是(　　)A．a极电势低于b极电势B．液体流过测量管的速度大小为eq \f(Q,πD2)C．a、b两极之间的电压为eq \f(4QB,πD)D．若流过的液体中离子浓度变高，显示器上的示数将变大7．(多选)霍尔元件是一种以霍尔效应为工作原理的磁电器件，可用于检测电流或磁场的变化，在生产生活中有着广泛的应用．如图所示，有一厚度为h、宽度为b的金属霍尔元件，通过C、D端点连接在一直流电路中，同时外加一与元件前后表面垂直的匀强磁场B.将一电容器通过导线连接至元件的上下表面，闭合开关，系统达到稳定后，一带电油滴静止于两板正中间，下列说法正确的是(　　)A．油滴带负电B．换成厚度h更大的金属霍尔元件，油滴向上运动C．换成宽度b更小的金属霍尔元件，油滴向上运动D．向右移动滑片P，油滴向上运动8.为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a＝2m、b＝0.4m、c＝0.2m，左、右两端开口，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B＝1.25T的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N作为电极，污水充满装置以某一速度从左向右匀速流经该装置时，用电压表测得两个电极间的电压U＝1V．且污水流过该装置时受到阻力作用，阻力f＝kLv，其中比例系数k＝25N·s/m2，L为污水沿流速方向的长度，v为污水的流速．求：(1)污水的流速v的大小；(2)污水的流量(单位时间内流出的污水体积)Q；(3)为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压强差Δp.专项9　电磁流量计及霍尔元件1．答案：AD解析：根据左手定则知，带正电的粒子向上偏转，带负电的粒子向下偏转，则P板带正电，Q板带负电，故A正确；因为Q板带负电，P板带正电，所以电流从a经用电器流向b，故B错误；因为P板带正电，Q板带负电，所以金属板间的电场方向向下，故C错误；等离子体发生偏转的原因是粒子所受洛伦兹力大于所受电场力，故D正确．2．答案：AB解析：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得qvmB＝meq \f(v eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(m)) ,R)粒子的最大速度为vm＝eq \f(qBR,m)粒子的最大动能为Ekm＝eq \f(1,2)mv eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(m)) ＝eq \f(q2B2R2,2m)当回旋加速器的半径增大时，粒子的最大动能增大，故A正确；当磁流体发电机稳定时，带电粒子在A、B两极板间受到的电场力与洛伦兹力平衡，有qvB＝qeq \f(U,d)则电源电动势为U＝Bvd所以增加两板间距可以增大电源电动势，故B正确；粒子恰能沿直线匀速运动时，电场力与洛伦兹力平衡qvB＝qE，改变电性时，电场力和洛伦兹力方向同时发生改变，仍然满足电场力与洛伦兹力平衡，故无法确定粒子的电性，故C错误；如果载流子带正电，根据左手定则可知，带正电的载流子向D偏转，则稳定时D板电势高，故D错误．故选AB.3．答案：D解析：霍尔元件输出的电压为零，则霍尔元件中的载流子不发生偏转，即霍尔元件所在处的磁感应强度为零，故螺绕环在霍尔元件处所产生磁场的磁感应强度与直导线在霍尔元件处所产生磁场的磁感应强度大小相等、方向相反，即k1I0＝k2I′，解得I′＝eq \f(k1I0,k2)，又由右手螺旋定则可知螺绕环在霍尔元件处产生的磁场方向竖直向下，则直导线在该处产生的磁场方向应竖直向上，由安培定则可知直导线中的电流方向由b到a，D正确，ABC错误．4．答案：C解析：根据左手定则可知，污水中的正离子在洛伦兹力的作用下，在N点聚集，所以M点电势低于N点电势，故A错误；当M、N两点间电压U稳定时，根据平衡条件有qvB＝qE　①根据匀强电场中电势差与场强的关系有U＝Ed　②联立①②解得U＝Bvd　③根据③式可知M、N两点电压U与污水中离子浓度无关，且若测定污水的流速v，则需要测量直径两端点M、N两点电压U、磁感应强度B、直径d，故B错误，C正确；由题意可知污水的流量为Q＝vS＝eq \f(1,4)πd2v　④联立③④解得Q＝eq \f(πdU,4B)　⑤由⑤式可知若测定污水的流量，则需要测量直径两端点M、N两点电压U、磁感应强度B、直径d，故D错误．5．答案：BCD解析：根据左手定则可判断，霍尔元件的电流I是由负电荷的定向移动形成的，故A错误；根据单位时间的脉冲数，可求得车轮的转动周期，从而求得车轮的角速度，根据v＝ωr，可求得车速的大小，故B正确；根据qvB＝qeq \f(U2,d)，得U2＝Bdv，由电流的微观表达式I＝neSv得v＝eq \f(I,neS)，联立得U2＝eq \f(IdB,neS)，若传感器的电源输出电压U1变大，电流增大，U2也增大，不同的材料单位体积内的自由电子数不同，所以霍尔电势差U2的大小与霍尔元件所用的材料有关，故C、D正确．6．答案：C解析：根据左手定则，正电荷受向上的洛伦兹力，向上偏转到a极，负电荷受向下的洛伦兹力，向下偏转到b极，故a极带正电，b极带负电，a极电势高于b极电势，故A错误；设液体流过测量管的速度大小为v，则流量Q＝Sv＝eq \f(1,4)πD2v，解得v＝eq \f(4Q,πD2)，故B错误；随着ab两极电荷量的增加，两极间的电场强度变大，离子受到的电场力变大，当电场力大小等于洛伦兹力时，离子不再偏转，两板电压达到稳定，设稳定时两板间电压为U，离子电量为q，则离子受的电场力F＝qeq \f(U,D)，离子所受的洛伦兹力F洛＝qvB，由电场力和洛伦兹力平衡得qeq \f(U,D)＝qvB，解得U＝BDv＝eq \f(4BQ,πD)，故C正确；由以上解答得显示器显示的流量Q＝eq \f(1,4)πD2v，显示器上的示数与离子速度有关而与浓度无关，故D错误．7．答案：BC解析：根据题意，该霍尔元件为金属霍尔元件，即自由电子导电，根据左手定则判定，霍尔元件上表面的电势低于下表面的电势，即电容器极板间的场强方向向上，根据油滴的受力可知，电场力方向与场强方向相同，所以油滴带正电，故A错误；当系统达到稳定后，有Eq＝Bqv，I＝nqSv，U＝Eh，I＝eq \f(U电,R滑＋ρ\f(l,bh))，联立解得，上下表面间的电势差为U＝eq \f(BI,nqb)＝eq \f(BU电,nqb\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R滑＋ρ\f(l,bh))))，由此可知，换成厚度h更大的金属霍尔元件，电容器两极板间电压增大，电场力变大，油滴向上运动；换成宽度b更小的金属霍尔元件，电容器两极板间电压变大，电场力变大，油滴向上运动，故BC正确；向右移动滑片P，接入电路电阻变大，电流减小，电容器两极板间电压减小，油滴向下运动，故D错误．8．答案：(1)4m/s　(2)0.32m3/s　(3)2500Pa解析：(1)最终离子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，有qvB＝qeq \f(U,c)解得v＝eq \f(U,Bc)＝eq \f(1,1.25×0.2)m/s＝4m/s(2)污水的流量为Q＝vbc＝4×0.4×0.2m3/s＝0.32m3/s(3)污水流过该装置时受到阻力为f＝kLv＝kav＝25×2×4N＝200N为使污水匀速通过该装置，左、右两侧管口应施加的压力差是200N，则压强差为Δp＝eq \f(F,S)＝eq \f(200,0.4×0.2)Pa＝2500Pa