星博物理：叠加场在科技中的四种应用
试卷中常见的四种科研装置，这四种装置的共同特点：带电粒子在叠加场中受到的静电力和洛伦兹力平衡
，带电粒子在叠加场中做匀速直线运动（不考虑粒子自身的重力）。
1.速度选择器
（1）平行板间电场强度E和磁感应强度B互相垂直。
（2）带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是受到的洛伦兹力与静电力平衡，即
（3）注意：速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量。
（4）速度选择器具有单向性，即粒子只能沿一个方向做匀速直线运动，其他方向不可以。
2.磁流体发电机
（1）原理：如图所示，等离子体喷入磁场，正、负离子会在洛伦兹力的作用下发生偏转而分别聚集在A、B板上，从而使两板间产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能。
（2）电源正、负极判断：根据左手定则可判断出正离子偏向B板，负离子偏向A板，图中的B板是发电机的正极，图中的A板是发电机的负极。
（3）发电机的电动势：发电机外电路断路时，当正、负离子所受静电力和洛伦兹力平衡时，两极板间达到的最大电势差为U,则
，当发电机接入电路时，遵从闭合电路欧姆定律。
3.电磁流量计
（1）流量（Q）：单位时间流过导管某一截面的导电液体的体积。
（2）导电液体的流速（v）的计算：
如图所示，一圆柱形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向右流动。导电液体中的正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转，根据左手定则，a处积累正电荷，b处积累负电荷，使a、b间出现电势差
。当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差U达到最大，由
可得。
（3）流量的表达式：
（4）电势高低的判断：根据左手定则，a处积累正电荷，b处积累负电荷，可得
4.霍尔效应的原理和分析
（1）定义：高为h、宽为d的导体（自由电荷是电子或正电荷）置于匀强磁场B中，当电流通过导体时，在导体的上表面A和下表面A′之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压。
（2）电势高低的判断：如图，导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，若自由电荷是电子，则下表面A′的电势高。若自由电荷是正电荷，则下表面A′的电势低。
（3）霍尔电压：导体中的自由电荷（电荷量为q）在洛伦兹力作用下偏转，A、A′间出现电势差，当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，A、A′间的电势差（U）就保持稳定，由
联立解得
，k=称为霍尔系数。
例题
如图所示，M、N为速度选择器的上、下两个带电极板，两极板间有匀强电场和匀强磁场。匀强电场的场强大小为E、方向由M板指向N板，匀强磁场的方向垂直纸面向里。速度选择器左右两侧各有一个小孔P、Q，连线PQ与两极板平行。某种带电微粒以速度v从P孔沿PQ连线射入速度选择器，从Q孔射出。不计微粒重力，下列判断正确的是（ ）
A．带电微粒一定带正电
B．匀强磁场的磁感应强度大小为
C．若将该种带电微粒以速率v从Q孔沿QP连线射入，不能从P孔射出
D．若将该带电微粒以的速度从P孔沿PQ连线射入后将做类平抛运动
【答案】C
【详解】
A．若带电微粒带正电，则受到的洛伦兹力向上，电场力向下，若微粒带负电，受到的洛伦兹力向下，电场力向上，洛伦兹力等于电场力，微粒沿PQ运动，因此微粒可以是正电也可以是负电，故A错误；
B．对微粒受力分析EP=qvB，解得
故B错误；
C．若带电微粒带负电，从Q孔沿QP连线射入，受到的洛伦兹力和电场力均向上，若带电微粒带正电，从Q孔沿QP连线射入，受到的洛伦兹力和电场力均向下，不可能做直线运动，故不能从P孔射出，故C正确；
D．若将该带电微粒以2v的速度从P孔沿PQ连线射入后，洛伦兹力大于电场力，微粒做曲线运动，由于洛伦兹力是变力，不可能做类平抛运动，故D错误。
故选C。
在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，并测出M、N间的电压U，则下列说法正确的是（ ）
A．正、负离子所受洛伦兹力方向是相同的
B．容器内液体的流速为
C．河水流量计也可以用于测量不带电的液体的流速
D．污水流量为
【答案】B
【详解】
A．带电粒子进入磁场后受到洛伦兹力作用，根据左手定则可知，正粒子受到的洛伦兹力向下，负粒子受到洛伦兹力向上，故A错误；
B．当达到平衡时有
解得
选项B正确；
C．不带电的液体在磁场中不受力，M、N两点没有电势差，无法计算流速，故C错误；
D．污水流量为
选项D错误。
故选B。
解密粒子：12场改变世界的实验
每次抬头仰望星空，都会感慨人类的渺小。
我们存在于世界中，却无法完全得知世界的本源，好奇心支撑人类不断研究与发现，终于，逐渐接近了“真实世界”。
从宏观到微观，人类正一步步了解世界的构成。对自然界最小组成部分的研究，由电子到原子再到粒子……
粒子物理学是如此神秘又有趣。世界由质子、中子和电子组成，标准模型将物质划分为三种粒子：上夸克和下夸克构成了质子和中子，上夸克和下夸克与电子一起组成原子。
尽管研究的过程是辛苦又偶有迷茫，但它们带来了前所未有的突破。这些发现与突破一次次以意想不到的方式改变着我们的生活，为大家带来便利。
《迷人的粒子》带我们走进12个伟大神奇的粒子实验，顺着研究路径了解物理学的发展小史，追溯人类世界发生巨变的“起源”。
1895年，威廉·伦琴在发光的阴级射线管看到手的影子，从而发现“X射线”，看到人体内部。进一步深挖成像原理，1897年，汤姆孙发现了电子，而后电子工业诞生。再到如今，CT影像广泛应用到医学领域。
在当时，物理学研究也影响到了天文学领域。
1933年，卡尔·史斯基发现了“星体噪音”，属于无线电光谱。1937年格罗特·雷伯投资建造第一台射电望远镜，在天鹅座和仙后座发现了很强的无线电波源。
从电子感应加速器到同步回旋加速器，将电子束产生可见光的称为同步辐射，再到发现星体的磁场让带电粒子弯曲。
生物学家使用同步辐射光源研究微观尺度的物理结构，新冠病毒的结构就是通过这种方式研究得出的。
一代又一代学者们前仆后继，用数次实验，带来科学和技术领域的重大突破。每一段故事都看得我这个外行人热血沸腾，原本以为“粒子”微小又陌生，如今才知道粒子研究与我们息息相关。
关于发现和研究的物理故事永远不会结束，向所有物理研究人员致敬！
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