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涉及循環(huán)水流量計霍爾效應(yīng)問題易錯點的剖析

發(fā)布時間:2021-01-04 08:30:41??點擊次數(shù):2066次
摘要:介紹了學(xué)生學(xué)習(xí)霍爾效應(yīng)中的幾個易錯點:不同電性載流子對循環(huán)水流量計霍爾電壓的影響,現(xiàn)代科技中利用霍爾效應(yīng)原理器材間的區(qū)別與聯(lián)系等,通過剖析,理順原理與關(guān)系。
涉及循環(huán)水流量計的霍爾效應(yīng)的問題,是近幾年高考物理命題的一個熱點。由于它與現(xiàn)代科技應(yīng)用聯(lián)系緊密,是考查學(xué)生運用物理知識解決實際問題能力的好素材。但教學(xué)中發(fā)現(xiàn),學(xué)生對循環(huán)水流量計的霍爾效應(yīng)問題的理解存在一些誤區(qū),因而每當(dāng)遇到此類問題時,常常錯誤百出,根據(jù)學(xué)生中存在的問題,可歸納為以下幾種情況。易錯點1:正、負(fù)載流子對霍爾電壓的影響霍爾效應(yīng)中,霍爾電壓的正負(fù)與載流子的電性有關(guān),不像金屬導(dǎo)體,移動的只是電子,它有多種情形。
情形1:單種載流子。如圖1所示,若載流子帶正電荷,則載流子在洛倫茲力作用下會向下偏轉(zhuǎn),導(dǎo)體下表面積累正電荷。同時,上表面失去正電荷而帶上負(fù)電,從而使下表面電勢高于上表面。

反之,如圖2所示,若載流子帶負(fù)電荷,則載流子在洛倫茲力作用下會向下偏轉(zhuǎn),導(dǎo)體下表面積累負(fù)電荷。同時,上表面失去負(fù)電荷而帶上正電,從而使上表面電勢高于下表面。

可見,在磁場、電流方向相同的情況下,單種載流子電性相反,則上下表面的電勢高低也相反。
情形2:正、負(fù)載流子反向運動。如圖3所示,長方體玻璃水槽中盛有NaCl的水溶液,水槽左、右側(cè)壁內(nèi)側(cè)各裝一導(dǎo)體片,在溶液中通入水平向右的電流,勻強(qiáng)磁場B垂直紙面向外。NaCl溶液中既有正離子,又有負(fù)離子,根據(jù)左手定則可判斷正離子受到向下的洛倫茲力,故向下運動并堆積。同理,負(fù)離子也受到指向下的洛倫茲力,也向下運動并堆積。由于正負(fù)離子均向下側(cè)面堆積,故上下兩側(cè)面的電勢均為零,但下側(cè)面處離子濃度大于上側(cè)面離子濃度。

情形3:正、負(fù)載流子同向運動。如圖4所示,為了監(jiān)測某化工廠的污水排放量,技術(shù)人員在排污管末端安裝了流量計。上下兩內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電*,污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置。污水向右流動,污水中既有正離子,又有負(fù)離子,在磁場的作用下,根據(jù)左手定則,正離子往下表面偏,負(fù)離子往上表面偏,故下表面的電勢比上表面高。

情形2和情形3對比發(fā)現(xiàn),同樣有兩種電性相反的載流子,由于運動方向不同,結(jié)果也完全不同。可見,在分析循環(huán)水流量計霍爾電壓的問題時,*先應(yīng)明確載流子的電性和運動方向,在此基礎(chǔ)上才能正確判斷其受力方向和偏轉(zhuǎn)方向,進(jìn)而確定電勢的高低。
易錯點2:磁強(qiáng)計、循環(huán)水流量計、磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾元件間的區(qū)別與聯(lián)系磁強(qiáng)計、循環(huán)水流量計、磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾元件都是利用電磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)效應(yīng),并且穩(wěn)定時電場力與磁場力均達(dá)到平衡。很多學(xué)生容易將其混淆,遇到問題常常搞不清原理,亂代公式,筆者特將4者涉及的公式及特點等做一對比區(qū)別如表1所示。

易錯點3:兩*板間的電場強(qiáng)度E=U/d中的U到底是電勢差還是電動勢?
粒子偏轉(zhuǎn)后,若兩*板間聚集等量的異種電荷,相當(dāng)于一個電源,板間形成電場。穩(wěn)定時,F電=F磁。若與外電路接通,計算板間場強(qiáng)大小時,其U指電勢差還是電動勢?此時F電和F磁還相等嗎?以下題為例。

【例1】圖5為磁流體發(fā)電機(jī)示意圖。設(shè)兩金屬板間的距離為d,兩*板間勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。等離子體垂直進(jìn)入磁場的速度為v,單個離子所帶的電荷量為q。離子通道(即兩*板內(nèi)所圍成的空間)的等效電阻為r,負(fù)載電阻為R。則下列判斷正確的是(  )
A。該發(fā)電機(jī)的電動勢E=Bdv
B。電阻R兩端的電壓為Bdv
C。該發(fā)電機(jī)的輸出功率為P=(B2d2v2)/R
D。兩板間的電場強(qiáng)度E=Bv
筆者發(fā)現(xiàn),學(xué)生對選項A和B問題不大,根據(jù)平衡條件和部分電路歐姆定律即可得出A對,B錯。C容易出錯,疏忽了發(fā)電機(jī)的內(nèi)電阻,發(fā)動機(jī)的輸出功率:

選項D很糾結(jié),究其原因,是對離子的受力情況和運動情況分析不透。
當(dāng)外接電阻時,電荷在外電路中定向移動,板上電量減少,板間電壓減小,電場減弱,F電<F磁。帶電粒子朝著磁場力的方向偏轉(zhuǎn),此時有新電荷不斷補(bǔ)充到兩*板,形成一種動態(tài)平衡。由Eq<qvB可得,兩板間的電勢差U<Bdv,故電場強(qiáng)度E<Bv。選項D錯。
可見,只有未接外電路時,兩板間的電場強(qiáng)度E=Bv才成立。
通過以上歸類、對比和總結(jié),幫助學(xué)生理清不同電性載流子對霍爾電勢差正負(fù)的影響,正確理解科技領(lǐng)域涉及循環(huán)水流量計霍爾效應(yīng)的測量儀器的原理及相互聯(lián)系,同時理清元件中涉及的各物理量間的關(guān)系,有助于學(xué)生更靈活地運用所學(xué)知識。
總之,在教學(xué)過程中善于發(fā)現(xiàn)、總結(jié)學(xué)生的易錯點,并設(shè)計針對性的教學(xué)環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析與討論,是提高課堂教學(xué)效率的有效途徑之一。
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