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          50条信息

            • 1.
              磁流体发电具有结构简单、启动快捷、环保且无需转动机械等优势。如图所示,是正处于研究阶段的磁流体发电机的简易模型图,其发电通道是一个长方体空腔,长、高、宽分别为\(l\)、\(a\)、\(b\),前后两个侧面是绝缘体,上下两个侧面是电阻可忽略的导体电极,这两个电极通过开关与阻值为\(R\)的某种金属直导体\(MN\)连成闭合电路,整个发电通道处于匀强磁场中,磁感应强度的大小为\(B\),方向垂直纸面向里。高温等离子体以不变的速率\(v\)水平向右喷入发电通道内,发电机的等效内阻为\(r\),忽略等离子体的重力、相互作用力及其他因素。
              \((1)\)求该磁流体发电机的电动势大小\(E\);
              \((2)\)当开关闭合后,整个闭合电路中就会产生恒定的电流。
              \(a.\)要使等离子体以不变的速率\(v\)通过发电通道,必须有推动等离子体在发电通道内前进的作用力。如果不计其它损耗,这个推力的功率\(P_{T}\)就应该等于该发电机的总功率\(P_{D}\),请你证明这个结论;
              \(b.\)若以该金属直导体\(MN\)为研究对象,由于电场的作用,金属导体中自由电子定向运动的速率增加,但运动过程中会与导体内不动的粒子碰撞从而减速,因此自由电子定向运动的平均速率不随时间变化。设该金属导体的横截面积为\(s\),电阻率为\(ρ\),电子在金属导体中可认为均匀分布,每个电子的电荷量为\(e.\)求金属导体中每个电子所受平均阻力的大小\(f\)。
            • 2.
              电磁流量计是一种测量导电液体流量的装置\((\)单位时间里通过某一截面的液体体积,称为流量\()\),其结构如图所示,上、下两个面\(M\)、\(N\)为导体材料,前后两个面为绝缘材料。流量计的长、宽、高分别为\(a=1m\)、\(b=0.5m\)、\(c=0.4m\),左、右两端开口,在垂直于前、后表面向里的方向加磁感应强度为\(B=0.8T\)的匀强磁场,在污水充满装置以某一速度\(v\)从左向右匀速流经该装置时,测得\(M\)、\(N\)两板间的电压\(U=1V\)。
              \((1)M\)、\(N\)板哪端电势高?
              \((2)\)求此刻液体的流量\(Q\);
              \((3)\)若要求电压表示数\(U\)与流量\(Q\)在数值上相同,磁感应强度大小应该调整为多少\((\)流量计尺寸不变\()\)?
            • 3.
              一块\(N\)型半导体薄片\((\)称霍尔元件\()\),其横载面为矩形,体积为\(b×c×d\),如图所示\(.\)已知其单位体积内的电子数为\(n\)、电阻率为\(ρ\)、电子电荷量\(e.\)将此元件放在匀强磁场中,磁场方向沿\(Z\)轴方向,并通有沿\(x\)轴方向的电流\(I\).
              \((1)\)此元件的\(CC′\)两个侧面中,哪个面电势高?
              \((2)\)试证明在磁感应强度一定时,此元件的\(CC′\)两个侧面的电势差与其中的电流成正比
              \((3)\)磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度\(B\) 的仪器\(.\)其测量方法为:将导体放在匀强磁场之中,用毫安表测量通以电流\(I\),用毫伏表测量\(C\)、\(C\),间的电压\(U\) \({\,\!}_{CC′}\),就可测得\(B.\)若已知其霍尔系数\(k= \dfrac {1}{ned}=10mV/mA\cdot T.\)并测得\(U_{CC′}=0.6mV\),\(I=3mA.\)试求该元件所在处的磁感应强度\(B\)的大小.
            • 4. 如图所示,某一新型发电装置的发电管是横截面为矩形的水平管道,管道的长为\(L\)、宽为\(d\)、高为\(h\),上下两面是绝缘板\(.\)前后两侧面\(M\)、\(N\)是电阻可忽略的导体板,两导体板与开关\(S\)和定值电阻\(R\)相连\(.\)整个管道置于磁感应强度大小为\(B\)、方向沿\(z\)轴正方向的匀强磁场中\(.\)管道内始终充满电阻率为\(ρ\)的导电液体\((\)有大量的正、负离子\()\),且开关闭合前后,液体在管道进、出口两端压强差的作用下,均以恒定速率\(v_{0}\)沿\(x\)轴正向流动,液体所受的摩擦阻力不变.
              \((1)\)求开关闭合前,\(M\)、\(N\)两板间的电势差大小\(U_{0}\);
              \((2)\)求开关闭合前后,管道两端压强差的变化\(\triangle p\);
              \((3)\)调整矩形管道的宽和高,但保持其他量和矩形管道的横截面积\(S=dh\)不变,求电阻\(R\)可获得的最大功率\(P_{m}\)及相应的宽高比\( \dfrac {d}{h}\)的值.
            • 5. 在研究某些物理问题时,有很多物理量难以直接测量,我们可以根据物理量之间的定量关系和各种效应,把不容易测量的物理量转化成易于测量的物理量.
              金属导体板垂直置于匀强磁场中,当电流通过导体板时,外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成电场,该电场对运动的电子有静电力的作用,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,在导体板这两个表面之间就会形成稳定的电势差,这种现象称为霍尔效应\(.\)利用霍尔效应可以测量磁场的磁感应强度.
              如图所示,若磁场方向与金属导体板的前后表面垂直,通过如图所示的电流\(I\),可测得导体板上、下表面之间的电势差为\(U\),且下表面电势高\(.\)已知导体板的长、宽、高分别为\(a\)、\(b\)、\(c\),电子的电荷量为\(e\),导体中单位体积内的自由电子数为\(n.\)求:
              \((1)\)导体中电子定向运动的平均速率\(v\);
              \((2)\)磁感应强度\(B\)的大小和方向.
            • 6.

              \(1879\)年美国物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力情况时,发现了一种新的电磁效应:将导体置于磁场中,并沿垂直磁场方向通入电流,则在导体中垂直于电流和磁场的方向会产生一个横向电势差,这种现象后来被称为霍尔效应,这个横向的电势差称为霍尔电势差。


              \((1)\)如图甲所示,某长方体导体\(abcda′b′c′d′\)的高度为\(h\)、宽度为\(l\),其中的载流子为自由电子,其电荷量为\(e\),处在与\(ab b′a′\)面垂直的匀强磁场中,磁感应强度为\(B\)\({\,\!}_{0}\)。在导体中通有垂直于\(bcc′b′\)面的电流,若测得通过导体的恒定电流为\(I\),横向霍尔电势差为\(U\)\({\,\!}_{H}\),求此导体中单位体积内自由电子的个数。

              \((2)\)对于某种确定的导体材料,其单位体积内的载流子数目\(n\)和载流子所带电荷量\(q\)均为定值,人们将\(H=\)\(\dfrac{{1}}{nq}\)定义为该导体材料的霍尔系数。利用霍尔系数\(H\)已知的材料可以制成测量磁感应强度的探头,有些探头的体积很小,其正对横截面\((\)相当于图甲中的\(ab b′a′\)面\()\)的面积可以在\(0.1cm\)\({\,\!}^{2}\)以下,因此可以用来较精确的测量空间某一位置的磁感应强度。如图乙所示为一种利用霍尔效应测磁感应强度的仪器,其中的探头装在探杆的前端,且使探头的正对横截面与探杆垂直。这种仪器既可以控制通过探头的恒定电流的大小\(I\),又可以监测出探头所产生的霍尔电势差\(U\)\({\,\!}_{H}\),并自动计算出探头所测位置磁场的磁感应强度的大小,且显示在仪器的显示窗内。

              \(①\)在利用上述仪器测量磁感应强度的过程中,对探杆的放置方位有何要求;

              \(②\)要计算出所测位置磁场的磁感应强度,除了要知道\(H\)、\(I\)、\(U\)\({\,\!}_{H}\)外,还需要知道哪个物理量,并用字母表示。推导出用上述这些物理量表示所测位置磁感应强度大小的表达式。

            • 7. 据报道,我国实施的“双星”计划所发射的卫星中放置一种磁强计(霍尔元件传感器),用于测定地磁场的磁感应强度等研究项目.磁强计的原理如图所示,电路中有一段金属导体,它的横截面是宽为a、高为b的长方形,放在沿y轴正方向的匀强磁场中,导体中通有沿x轴正方向、电流强度为I的电流.已知金属导体单位体积中的自由电子数为n,电子电量为e.金属导电过程中,自由电子所做的定向移动可视为匀速运动.测出金属导体前后两个侧面间的电势差为U.则:
              (1)金属导体前后两个侧面哪个电势较高?
              (2)求磁场磁感应强度B的大小.
            • 8. 法拉第曾提出一种利用河流发电的设想,并进行了实验研究.实验装置的示意图如图所示,两块面积均为S的矩形金属板,平行、正对、竖直地全部浸在河水中,间距为d,水流速度处处相同,大小为v,方向水平.金属板与水流方向平行,地磁场磁感应强度的竖直分量为B,水的电阻率为ρ,水面上方有一阻值为R的电阻通过绝缘导线和开关S连接到两金属板上,忽略边缘效应,求:
              (1)该发电装置的电动势;
              (2)通过电阻R的电流大小;
              (3)电阻R消耗的电功率.
            • 9. 利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器,广泛应用于测量和自动控制等领域.如图1,将一金属或半导体薄片垂直至于磁场B中,在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时,另外两侧c、f间产生电势差,这一现象称霍尔效应.其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用相一侧偏转和积累,于是c、f间建立起电场EH,同时产生霍尔电势差UH.当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时,EH和UH达到稳定值,UH的大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式UH=RH,其中比例系数RH称为霍尔系数,仅与材料性质有关.

              (1)设半导体薄片的宽度(c、f间距)为L,请写出UH和EH的关系式;若半导体材料是电子导电的,请判断图1中c、f哪端的电势高;
              (2)已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n,电子的电荷量为e,请导出霍尔系数RH的表达式.(通过横截面积S的电流I=nevS,其中v是导电电子定向移动的平均速率);
              (3)图2是霍尔测速仪的示意图,将非磁性圆盘固定在转轴上,圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体,相邻永磁体的极性相反.霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近.当圆盘匀速转动时,霍尔元件输出的电压脉冲信号图象如图3所示.若在时间t内,霍尔元件输出的脉冲数目为P,请导出圆盘转速N的表达式.
            • 10. 磁流体发电是一种新型发电方式,图\(1\)和图\(2\)是其工作原理示意图\(.\)图\(1\)中的长方体是发电导管,其中空部分的长、高、宽分别为\(l\)、\(a\)、\(b\),前后两个侧面是绝缘体,上下两个侧面是电阻可略的导体电极,这两个电极与负载电阻\(R_{1}\)相连\(.\)整个发电导管处于图\(2\)中磁场线圈产生的匀强磁场里,磁感应强度为\(B\),方向如图所示\(.\)发电导管内有电阻率为\(ρ\)的高温、高速电离气体沿导管向右流动,并通过专用管道导出\(.\)由于运动的电离气体受到磁场作用,产生了电动势\(.\)发电导管内电离气体流速随磁场有无而不同\(.\)设发电导管内电离气体流速处处相同,且不存在磁场时电离气体流速为\(v_{0}\),电离气体所受摩擦阻力总与流速成正比,发电导管两端的电离气体压强差\(\triangle p\)维持恒定,求:
              \((1)\)不存在磁场时电离气体所受的摩擦阻力\(F\)多大;
              \((2)\)磁流体发电机的电动势\(E\)的大小;
              \((3)\)磁流体发电机发电导管的输入功率\(P\).
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