项目名称：多时空脉冲强磁场成形制造基础研究首席科学家：李亮华中科技大学 起止年限：2011.11-2016.8 依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容 2.1 拟解决的关键科学问题 本项目针对航空航天领域中关键复杂板金构件精确塑性流动控制成形、多层空心板结构的强磁场扩散与胀形、壁板结构强磁场诱导成形、复杂管件成形与连接等共性关键技术问题，以多时空脉冲强磁场的调控规律、耦合高能磁场与温度场条件下的高应变速率对组织结构演变和内应力分布的影响、时空分布的力场-热场-应变场耦合作用及其对材料成形成性控制为探索和认识的突破点，揭示基于多时空脉冲强磁场的成形制造过程的科学规律，建立和发展控形与控性相结合的柔性成形制造新原理和核心技术体系。 1）多级多向脉冲强磁场的时空分布规律及其成形力场的调控 传统电磁成形技术所使用设备存在能量低、磁场低、线圈强度低、线圈结构单一，无法满足复杂结构工件的成形成性要求，为此提出多级多向脉冲强磁场电磁成形系统方案，以实现工件多级加载、分区成形以及模具夹具电磁一体化设计。其面临的主要难点和拟解决的关键科学问题包括：研究多级多向线圈系统磁场与电磁力时空分布，解决电磁场、力场、温度场和位移场间耦合分析难题；研究高场强磁体线圈结构优化设计与增强技术，解决特定空间分布磁场的实现、线圈结构与布局最优化等难题；研究多模块脉冲电源协同充放电与时序控制控制技术，解决模块化电源与多时序控制的难题。在解决上述关键科学的基础上，建立多级多向线圈高速电磁成形系统理论与方法。 2）多时空脉冲强磁场作用下材料流动规律及成形成性控制 在多时空脉冲强磁场作用下，金属材料不仅产生高应变速率变形，同时还存在着时空分布的力场-温度场-应变场间的相互作用，这将使金属材料的塑变流动
电磁场在社会中的应用 麦克斯韦全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场” 和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。他的理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础。 麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个方程。 方程组的微分形式，通常称为麦克斯韦方程。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。 麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。 麦克斯韦方程组的积分形式如下： (1) (2) (3) (4) 上面四个方程可逐一说明如下：在电磁场中任一点处 （1）电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度 ； （2）磁感强度的散度处处等于零。 （3）电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负值； （4）磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和； 在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而 完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 1 CDMA 技术 CDMA ，就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用 户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。 CDMA 的带宽可以扩展较大，还可以传输影像呢，这是第三代手机为什么选用CDMA 的原因。就安全性能而言，CDMA 不但有良好的认证体制，更因为其传输的特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大地增强。 目前CDMA 系统正快速发展中。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统的标准之一。 1．1 CDMA 技术背景 CDMA 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战 争的需要而研究开发出CDMA 技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA 商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA 技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA 商用网络。 S d t D J s l d H c S )(??+=???S d t B l d H S S ????-=?dV S d D V V S ??=?ρ 0=??S S d B
磁场的综合应用 [P3 .] 复习精要 带电粒子在复合场中的运动规律广泛应用于近代物理的许多实验装置中，如质谱仪、回旋加速器、磁流体发电机、电磁流量计等，因此，在复习中应将基础理论知识融入实际应用之中，提高分析和解决实际问题的能力。 一、质谱仪 右图的两种装置都可以用来测定带电粒子的荷质 比。也可以在已知电量的情况下测定粒子质量。 ⑴带电粒子质量m ，电荷量q ，由电压U 加速后垂直 进入磁感应强度为B 的匀强磁场，设轨道半径为r ， 则有： 221mv qU =，r m v qvB 2=，可得222r B U m q = ⑵带电粒子质量m ，电荷量q ，以速度v 穿过速度选择器（电场强度E ，磁感应强度B 1）， 垂直进入磁感应强度为B 2的匀强磁场。设轨道半径为r ，则有：qE=qvB 1，r m v qvB 2 2=，可得：r B B E m q 21= [P5 .]二、速度选择器 正交的匀强磁场和匀强电场组成“速度选择器”。带电粒子（不计重力）必须以唯一确定的速度（包括大小、方向）才能匀速（或者说沿直线）通过速度选择器。否则将发生偏转。这个速度的大小可以由洛伦兹力和电场力的平衡得出：qvB=Eq ， B E v =。在本图中，速度方向必须向右。 ⑴这个结论与离子带何种电荷、电荷多少都无关。 ⑵若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力 方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；若大于这一速度，将向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是一条复杂曲线。 [P6 .]三、回旋加速器 利用带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度大小无关的特点，可以作成回旋加速器。在AA 和A /A /间加交变电压，其周期与粒子运动周期相同。带电粒子在两个D 形金属盒之间运动时，被电场加速；在D 形金属盒内运动时，由于D 形金属盒可以屏蔽电场，因此带电粒子只受洛伦兹力作用而作匀速圆周运动。D 形金属盒的半径与粒子的最大动能对应。用此装置可以将质子加速到约20MeV 。 [P7 .] 06年广东东莞中学高考模拟试题8．回旋加速器是加速带电粒子的装置， 其核心部分是分别与高频交流电两极相连接的两个D 形金属盒，两盒间的狭缝中 形成的周期性变化的匀强电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速．两D 形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，设匀强磁场的磁感应强度为B ， E
一、关键科学问题及研究内容 2.1 拟解决的关键科学问题 本项目针对航空航天领域中关键复杂板金构件精确塑性流动控制成形、多层空心板结构的强磁场扩散与胀形、壁板结构强磁场诱导成形、复杂管件成形与连接等共性关键技术问题，以多时空脉冲强磁场的调控规律、耦合高能磁场与温度场条件下的高应变速率对组织结构演变和内应力分布的影响、时空分布的力场-热场-应变场耦合作用及其对材料成形成性控制为探索和认识的突破点，揭示基于多时空脉冲强磁场的成形制造过程的科学规律，建立和发展控形与控性相结合的柔性成形制造新原理和核心技术体系。 1）多级多向脉冲强磁场的时空分布规律及其成形力场的调控 传统电磁成形技术所使用设备存在能量低、磁场低、线圈强度低、线圈结构单一，无法满足复杂结构工件的成形成性要求，为此提出多级多向脉冲强磁场电磁成形系统方案，以实现工件多级加载、分区成形以及模具夹具电磁一体化设计。其面临的主要难点和拟解决的关键科学问题包括：研究多级多向线圈系统磁场与电磁力时空分布，解决电磁场、力场、温度场和位移场间耦合分析难题；研究高场强磁体线圈结构优化设计与增强技术，解决特定空间分布磁场的实现、线圈结构与布局最优化等难题；研究多模块脉冲电源协同充放电与时序控制控制技术，解决模块化电源与多时序控制的难题。在解决上述关键科学的基础上，建立多级多向线圈高速电磁成形系统理论与方法。 2）多时空脉冲强磁场作用下材料流动规律及成形成性控制 在多时空脉冲强磁场作用下，金属材料不仅产生高应变速率变形，同时还存在着时空分布的力场-温度场-应变场间的相互作用，这将使金属材料的塑变流动行为及性能发生显著的变化，并存在着与准静态变形不同的缺陷生成和湮灭机制，是一个高度非线性的瞬态问题。揭示这一过程的科学规律，是实现轻金属材料的成形成性制造的基础。其面临的主要难点和拟解决的关键科学问题包括：材料特性、工件形状、成形力及成形速度等都会影响塑性流动的均匀性，研究金属材料的本构模型、塑变流动规律、金属材料连接的界面扩散机制、以及金属材料成形过程中的缺陷生成和湮灭机制；探讨成形过程中残余应力的分布与控制方法、材料均匀性流动控制方法、以及成形精度控制方法；研究多时空脉冲对成形构件服役性能的影响；构建高应变速率及多场耦合下的金属材料成形过程的物理模型，并通过数值模拟技术，实现电磁成形工艺的优化。 3）脉冲强磁场驱动下材料高速变形的微观结构演变与控制 材料在脉冲强磁场作用下成形是在电磁场、涡流场、温度场和力场的交互作
脉冲发生器工作原理 泥浆流动引起叶轮在其外部旋转。叶轮和脉冲发生器内部的主轴含有强力磁铁。叶轮与主轴之间的磁耦合运动产生两者间的磁力吸引。当叶轮在脉冲发生器外部旋转时，主轴则由于磁耦合作用在脉冲发生器内部旋转。 这是叶轮，这是主轴。把主轴伸入到叶轮里，来讲述这种磁耦合的强度。当试图转动主轴时，而主轴依然粘附在叶轮上。想转到主轴是非常困难的，磁耦合作用是相当强的。 脉冲发生器是一个充满油的密封单元。任何外部压力，象静水压力，可以通过这种活动的橡胶皮囊传递到脉冲发生器内部，或者对于没有橡胶皮囊的脉冲发生器，它是通过这个壳体里的活塞传递的。脉冲发生器内部与外部的压力是平衡的。由于脉冲发生器总与它周围的环境处于压力相等的状态，这样它不易损坏。压力平衡是由脉冲发生器的小直径促成的。脉冲发生器的壁较薄，能够承受足够的机械载荷，由于内外压力平衡，不必承受外部压力。 脉冲发生器内含有一个液压泵，液压泵是由六个柱塞和液缸组成。这六个柱塞随着其下端旋转斜盘的转动，在液缸内交替上下运动。通过六个柱塞的交替运动，把泵下端腔里的油，通过一组单流阀泵入到提升阀活塞液缸里。 这是活塞。在产生脉冲过程中，活塞被向上推入液缸里，使提升阀轴伸出。当活塞向上运动时，打开了液缸壁上的一组小孔，使液流回到液缸里，因此起到限制活塞继续运动和降低内部压力。 在主轴的下端是电磁发电机。它是由六个固定的线圈和八个磁极构成，当主轴旋转时，带动其下端的磁极相对线圈转动，线圈内磁场的变化从而产生电流。 主轴的旋转速度控制液压和产生电量的大小。主轴转动越快，产生电量越大。通常主轴的转速为2800rpm~3500rpm。 现在讲解更复杂的部件。我们怎样控制提升阀轴的运动？ 首先，当提升阀轴向下回缩时，让我们描述其液压油流的流动方向。(驱动活塞向上运动时)油从泵下面的腔中直接进入泵里，并通过泵和其出孔进入到活塞缸里。然而回缩活塞时(提升阀向下运动)，油顺着中心管向下流入到主阀里。 主阀内部有一个带小孔的活塞，允许一部分油直接流过主阀。流过主阀的油通过中心管向下继续流动，最终流过一个电磁控制阀，然后进入到电磁控制阀下
电场与磁场在实际中的应用 要点一 速度选择器 即学即用 1.如图所示,一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和 匀强电场正交的区域里,结果发现有些离子保持原来的运动方向,有些未发生任何偏转.如果让这些不偏转的离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分裂成几束,对这些进入另一磁场的离子,可得出结论 （ ） A .它们的动能一定各不相同 B .它们的电荷量一定各不相同 C .它们的质量一定各不相同 D .它们的电荷量与质量之比一定各不相同 答案 D 要点二 质谱仪 即学即用 2.质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要仪器,它的构造如图所 示.设从离子源S 产生出来的正离子初速度为零,经过加速电场加速后,进入一平行板电容器C 中,电场强度为E 的电场和磁感应强度为B 1的磁场相互垂直,具有某一速度的离子将沿图中所示的直线穿过两板间的空间而不发生偏转,再 进入磁感应强度为B 2的匀强磁场,最后打在记录它的照相底片上的P 点.若测得P 点到入口处S 1的距离为s ,证明离子的质量为m = E s B qB 221. 答案 离子被加速后进入平行板电容器,受到的水平的电场力和洛伦兹力平衡才能够竖直向上进入上面的匀强磁 场,由qvB 1=qE 得v =E/B 1,在匀强磁场中2 2 qB m s v ,将v 代入,可得m =E s B qB 221. 要点三 回旋加速器 即学即用 3.回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器,其核心部分是两个D 形金属盒,两盒分别和一高频交流电源两极相接,以便在盒间的窄缝中形成匀强电场,使粒子每次穿过狭缝都得到加速,两盒放在匀强磁场中,磁场 方向垂直于盒底面,离子源置于盒的圆心附近.若离子源射出的离子电荷量为q ,质量为m ,粒子
2019年度国家科学技术进步奖提名项目公示 一、项目名称 脉冲强磁场国家重大科技基础设施 二、奖励种类 国家科学技术进步奖（一等奖） 三、提名意见 专家提名意见1： 项目名称：脉冲强磁场国家重大科技基础设施 提名者：郭剑波院士（责任专家），电气工程 工作单位：中国电力科学研究院有限公司 脉冲强磁场装置是开展物理、化学、材料等领域前沿基础科学研究的重要极端条件实验平台。装置系统结构复杂，涉及多个学科，是一个不断挑战电磁极限的强电磁系统，其研制需攻克极限工况下的磁体系统电磁及结构稳定性设计、磁场波形精确调控和微弱信号精准测量等世界性难题。 十余年来，项目组通过自主创新，突破国外对高强高导材料的封锁，在衡量装置水平的磁场强度、稳定度、重复频率和测量精度等核心指标方面取得全面突破：创造了75T纯铜导线磁体的场强世界纪录，采用仅有国外2/3强度的国产导线、1/10的能量实现了与世界最高水平相当的磁场，使我国科学实验磁场从40T 提高到90T，获得迄今最高单位能量的磁场强度，寿命是美国的2倍；创造了64T 无纹波平顶磁场世界纪录，开启了脉冲场下核磁共振、拉曼光谱和比热精确测量等科学研究方向；实现了峰值45T、极性可调、重复频率世界最高的多种磁场波形；电输运实验站和磁特性实验站测量精度世界领先。 装置于2014年通过国家验收并对外开放运行，结束了我国相关研究长期依赖国外装置的历史，建成国际最先进的脉冲强磁场研究平台。截至2018年底，装置累计开放运行36358小时，已为北京大学、斯坦福大学、剑桥大学等国内外69家单位开展科学研究900余项，在Science、Nature等高水平杂志发表论文672篇，取得了一大批原创成果，包括发现第三种规律的新型量子振荡和最高临界电流密度的二维超导体等，研究成果居国际同类装置同期最好水平。 项目整体处于国际领先水平。 提名该项目参评国家科学技术进步奖一等奖。 专家提名意见2： 项目名称：脉冲强磁场国家重大科技基础设施 提名者：赵宪庚院士，理论物理 工作单位：中国工程院 脉冲强磁场是开展物理、化学、材料等领域前沿基础研究不可替代的手段，是探索物质微观世界的钥匙。我国长期缺乏相关条件，众多急需开展的科学研究只能依赖国外装置。2007年，国家批复在华中科技大学建设脉冲强磁场国家重大科技基础设施，该设施是挑战电磁极限的大型复杂系统，存在磁体冲击载荷大、波形调控难、信号干扰强等问题，其研制极其困难。
动量定理在电磁感应中的应用 例1.如图所示，在光滑的水平面上，有一垂直向下的匀强磁场分布在宽为L的区域内，有一个边长为a（a 例3.、如图所示，竖直放置的两光滑平行金属导轨置于垂直于导轨平面向里的匀强磁场中，两根质量相同的金属棒a和b，和导轨紧密接触且可自由滑动，先固定a释放b，当b速度达到10m/s时，再释放 a，经过1s时间 a的速度达到12m/s，则（） A.当va=12m/s时,vb=18m/s B. 当va=12m/s 时,vb=22m/s C.若导轨很长，它们最终的速度必相同 D.它们最终速度不相同，但速度差恒定 （2003年全国理综卷）如图5所示，两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上，磁感应强度B=0.50T的匀强磁场与导轨所在平面垂直，导轨的电阻很小，可忽略不计。导轨间的距离l=0.20m。两根质量均为m=0.10kg的平行金属杆甲、乙可在导轨上无摩擦地滑动，滑动过程中与导轨保持垂直，每根金属杆的电阻为R=0.50Ω。在t=0时刻，两杆都处于静止状态。现有一与导轨平行、大小为0.20N的恒力F作用于金属杆甲上，使金属杆在导轨上滑动。经过t=5.0s，金属杆甲的加速度为a=1.37m/s2，问此时两金属杆的速度各为多少？ 第三章第六节洛伦兹力带电粒子在磁场中的运动应用 制作人：审核人：高一备课组适用范围：高一学生使用日期： 【学习目标】掌握洛仑兹力的实际应用，学会提炼物理模型 学习重点：带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动 学习难点：带电粒子在复合场中的运动 学习方法：讲练结合 1、在图中虚线所围的区域内，存在电场强度为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场，已知从左方水平射入的电子，穿过这区域时未发生偏转，设重力可以忽略不计，则在此区域中E 和B的方向可能是 （） A、E和B都沿水平方向，并与电子运动方向相同 B、E和B都沿水平方向，并与电子运动方向相反 C、E竖直向上，B垂直纸面向外 D、E竖直向上，B垂直纸面向里 2、如图所示，一束正离子从S点沿水平方向射出，在没有电、磁场时恰好击中荧光屏上的坐标原点O。若同时加上电场和磁场后，正离子束最后打在荧光屏上坐标系的系III象限中，则所加电场E和磁场B的方向可以是（不计重力和其他力）（） A、E向上，B向上 B、E向下，B向下 C、E向上，B向下 D、E向下，B向上 3、质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。电荷电量相同质量有微小差别的带电粒子，经过相同的加速电压加速后，垂直进入同一匀强磁场，它们在匀强磁场中做匀速圆周运动，由qU= 2 1 mv2和r= Bq mv 求得：r= ，因此，根据带电粒子在磁场中做圆周运动的半径大小，就可判断带电粒子质量的大小，如果测出半径且已知电量，就可求出带电粒子的质量。 4、（1）回旋加速器是用来获得高能粒子的实验设备，其核心部分是两个D形金属扁盒，两D形盒的直径相对且留有一个窄缝，D形盒装在容器中，整个装置放在巨大的电磁铁两极间，磁场方向于D形盒的底面。两D形盒分别接在高频交流电源的两极上，且高频交流电的与带电粒子在D型盒中的相同，带电粒子就可不断地被加速。 （2）回旋加速器中磁场起什么作用？ （3）回旋加速器使粒子获得的最大能量是多少？最大能量与加速电压的高低有何关系？ （4）回旋加速器能否无限制地给带电粒子加速？ 【典型例题】 1、粒子速度选择器怎样选择粒子的速度？ 例：如图所示，a、b是位于真空中的平行金属板，a板带正电，b板带负电，两板间的电场为匀强电场，场强为E。同时在两板之间的空间中加匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度为B。一束电子以大小为v0的速度从左边S处沿图中虚线方向入射，虚线平行于两板，要想使电子在两板间能沿虚线运动，则v0、E、B之间的关系应该是（） A、 B E v =B、 E B v = C、 B E v =D、 E B v = 大洼高中高一物理学案 电磁场与电磁波在生活中的应用 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 电磁场与电磁波在生活中的应用 黄瑞 2013050201021 【摘要】：磁是人类生存的要素之一。地球本身就是一个磁场，由于地球自身运动导致的两极缩短、赤道拉长、冰川融化、海平面上升等原因，地球的磁场强度正逐渐衰减。外加高楼林立、高压电网增多，人为地对地球磁力线造成干扰和破坏。所以，现在地球的磁场强度只有500年前的50％了，许多人出现种种缺磁症状。科学家研究证实，远离地球的宇航员在太空中所患的“太空综合症’就是因缺磁而造成的。由此可见磁对于生命的重要性。磁场疗法，又称“磁疗法”“磁穴疗法”是让磁场作用于人体一定部位或穴位，使磁力线透入人体组织深处，以治疗疾病的一种方法。磁疗的作用机制是加速细胞的复活更新，增强血细胞的生命力，净化血液，改善微循环，纠正内分泌的失调和紊乱，调节肌体生理功能的阴阳平衡。 【关键词】：磁疗磁疗保健生物电磁学电磁对抗电磁环境运用发展 引言：生物电磁学是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科，主要涉及电磁场与微波技术和生物学。其意义在开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。电磁对抗主要是运用在军事方面，利用电磁波的特性制造出一系列的战争武器或战略武器。主要涉及各种频段的电磁波的运用。 【正文】： 一、电磁学在医疗上的应用 生物电磁学在医疗上的应用，简称磁疗。是20世纪九十年代才广泛兴起的一种自然疗法，用磁能作用于人体，通过磁的一系列生物与生物电磁学效应达到调整人体生理活动、实现身体保健和治疗疾病的目的。确切地说，磁疗是一种物理能量疗法。由于磁疗安全、方便、简捷、省时、无毒副作用、疗效肯定受到人们的认可和喜爱，被世界卫生组织推荐为最有前途的绿色疗法。从严格意义上说，磁疗还未真正地走进现代生命科学的殿堂，尚处于研究、探索、试用阶段，属于生命科学中一门崭新的边缘学科。本文所述的磁生物与生物电磁生理学效应是对近十年来人们使用磁性保健产品临床效果的总结和理性思考，也是第一次提出“磁生物与生物电磁生理学效应”这一概念，有关人体这一弱电磁生物体与磁场相互作用的具体细节及其量化表述有待进一步实验结果的充实。 在科学上，称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类，一类是天然电磁辐射，如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐射，微波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身生物电磁 电磁场中的科技应用题 广西柳江中学 周立 命题趋势 电磁场的问题历来是高考的热点，随着高中新课程计划的实施，高考改革的深化，这方面的问题依然是热门关注的焦点，往往以在科学技术中的应用的形式出现在问题的情景中，将其他信号转化成电信号的问题较多的会在选择题和填空题中出现；而用电磁场的作用力来控制运动的问题在各种题型中都可能出现，一般难度和分值也会大些，甚至作为压轴题。 知识概要 电磁场在科学技术中的应用，主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，已达到密立根实验—电场力与重力实验 速度选择器—电场力与洛伦兹力的平衡 直线加速器—电场的加速 质谱仪—磁场偏转 示波管—电场的加速和偏转 回旋加速器—电场加速、磁场偏转 电流表—安培力矩 电视机显像管—电场加速、磁场偏转 电动机—安培力矩 磁流体发电—电场力与洛伦兹力的平衡 霍尔效应—电场力与洛伦兹力作用 下的偏转与平衡 磁流体发电机—电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡 【例题1】（2001年高考理综卷）如图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A 中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。分子离子从狭缝s 1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s 2、s 3射入磁感应强度为B 的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ 。最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s 3的细线。若测得细线到狭缝s 3的距离为d ，导出分子离子的质量m 的表达式。 【例题2】如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q 、质量为m 的带正电的粒子从静止开始经过电势差为U 的加速电场后进入粒子速度选择器。选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E 、方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G 点垂直MN 进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN 为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H 点。可测量出G 、H 间的距离为l 。带电粒子的重力可忽略不计。求：（1）粒子从加速电场射出时速度v 的大小。（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B 1的大小和方向。（3）偏转磁场的磁感应强度B 2的大小。 加速电场 速度选择器 偏转磁场 U G H M N + - + 电磁场在科学技术中的应用 电磁场在科学技术中的应用，主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，已达到预定的目的。例如： 密立根实验—电场力与重力实验 速度选择器—电场力与洛伦兹力的平衡 直线加速器—电场的加速 质谱仪—磁场偏转 示波管—电场的加速和偏转 回旋加速器—电场加速、磁场偏转 电流表—安培力矩 电视机显像管—电场加速、磁场偏转 电动机—安培力矩 磁流体发电—电场力与洛伦兹力的平衡 霍尔效应—电场力与洛伦兹力作用下的偏 转与平衡 磁流体发电机—电场力与洛伦兹力作用下的偏转与平衡 讨论与电磁场有关的实际问题，首先应通过分析将其提炼成纯粹的物理问题，然后用解决物理问题的方法进行分析。这里较多的是用分析力学问题的方法；对于带电粒子在磁场中的运动，还特别应注意运用几何知识寻找关系。 解决实际问题的一般过程： 经典问题 【例题1】（2001年高考理综卷）图1是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A 中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。分子离子从狭缝s 1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s 2、s 3射入磁感应强度为B 的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ 。最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s 3的细线。若测得细线到狭缝s 3的距离为d （1）导出分子离子的质量m 的表达式。 若不能解决 科学技术问题 提取信息 分析、判断 复合场问题 电场问题 磁场问题 构建物理模型 解决问题、检验 电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用 摘要：电子通信技术是当代人们必不可少的应用技术，它与我们的生活息息相关，深刻影响着我们生活的方方面面，二十一世纪是信息化的时代，我们所使用的电话、互联网均离不开电子通信技术的支持。其中电磁场和电磁波对电子通信技术的意义是巨大的，它们的存在强度与否会直接影响电子通信技术的效果，为了提高电子通信技术必须深入探究电磁场与电磁波的价值意义，基于此背景笔者对电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用进行了研究，希望能为相关工作人员提供理论借鉴，为我国现代化电子通信技术的发展贡献绵薄之力。 关键词：电磁场电磁波电子通信技术 随着人们文化生活水平的体改，电子通信技术的价值意义逐渐增强，它的出现给人们的生产生活带来极大的便捷，能够实现高效的信息处理与传播。在某种意义上，电子通信技术的发展展现了一个国家综合实力的强弱，它依托当代移动端与多媒体的发展快速渗透到我们生活的周围，其中电磁场与电磁波作为载体推动了电子通信技术的发展，目前市场上存有的电力通信产品均离不开电磁场与电磁波的应用，因此对其在电子通信技术中的应用研究具有非常高的现实意 义，笔者结合自己的工作经验，认为该问题可以从以下几个方面分析。 一、基本概念综述 （一）电磁场 电磁场是一种带电物体产生的物理场，属于电磁学的范畴，凡是处于电磁场的带电物体均能感受到电磁场强大的作用力，它的应用特点可以通过麦克斯方程与洛伦兹力定律描述，更具体的说电磁场就是内在联系、相互依存的电场与磁场的统一体。随着时间的变化电场会产生磁场，同理磁场也会产生电场，两者互为因果。 （二）电磁波 电磁波是电磁场的衍生部分，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。从麦克斯韦方程组中能清楚的看出电磁波的运动范围和大致情况。电磁波本质上是一种能量，从科学角度上看，任何物体都能释放电磁波，它是电磁场的运动形态。 二、电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用 目前我们的电子通信技术已经发展到新的集成阶段，当下各类电子产品都离不开电磁场与电磁波的帮助，电磁波本 8.4 电磁场在实际中的应用（一） 三维目标： 知识与技能：1．了解回旋加速器、磁流体发电机、速度选择器、电磁流量计、霍耳效应磁哟 计、质谱仪等。 2．学会分析实际应用问题的解决方案。 过程与方法：通过磁场对通电导线及运动电荷的作用，增强应用已学知识处理问题的能力。 情感态度与价值观：通过电磁场实际中的应用的讨论，培养学生具体问题具体分析的科学素养。 教学重、难点：对几种典型模型的理解 知识链接：带电粒子在磁场中的半径公式：R=________________ 带电粒子在磁场中的周期公式：T=________________ 学习过程： 一、速度选择器 1、原理：如图所示，由所受重力可忽略不计，运动方向相同而速率不同的 带电粒子组成的粒子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区 中，已知电场强度大小为E ，方向向下，磁感应强度为B ，方向垂直于纸面 向里，若粒子运动轨迹不发生偏转，必须满足平衡条件：________,故 v=_________，这样就把满足v=__________的粒子从速度选择器中选择出来了。 2、特点 （1）速度选择器只选择速度（大小、方向），而不选择粒子的_____和______，如上图若从右侧入射则不能穿出场区。 （2）速度选择器B 、E 、v 三个物理量的大小、方向互相约束，以保证粒子受到的电场力和洛伦兹力________，_________，如图中只改变磁场B 的方向，假设此粒子带正电，粒子将向_____偏转。 阅读《走向高考》归纳领悟部分，对速度选择器的原理进一步理解 练习1、[06全国卷I]图中为一“滤速器”装置示意图。a 、b 为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O 进入a 、b 两板之间。为了选取具有某种特定速率的电子，可在a 、b 间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选 电子仍能够沿水平直线OO'运动，由O'射出。不计重力作用。可能达到上述目的的办法是（ ） A.使a 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向里 B.使a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向里 C.使a 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向外 D.使a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向外 二、质谱仪 高二物理学案 周次：编号：班级：姓名：主编：王亚琪审批： 课题带电粒子在复合场中的运动 学习目标：带电粒子在复合场中的综合应用 学习过程： 例1：如图所示，直角坐标系xOy位于竖直平面内，在水平的x轴下方存在匀强磁场和匀强电场，磁场的磁感应为B,方向垂直xOy平面向里，电场线平行于y轴。一质量为m、电荷量为q的带正电的小球，从y轴上的A点水平向右抛出，经x轴上的M点进入电场和磁场，恰能做匀速圆周运动，从x轴上的N点第一次离开电场和磁场，MN之间的距离为L,小球过M点时的速度方向与x轴的方向夹角为 .不计空气阻力，重力加速度为g,求 (1)电场强度E的大小和方向； (2)小球从A点抛出时初速度v0的大小; (3)A点到x轴的高度h. v 图甲图乙 精品 x 例2：如图甲所示，建立Oxy 坐标系，两平行极板P 、Q 垂直于y 轴且关于x 轴对称，极板长度和板间距均为l ，在第一、四象限有磁感应强度为B 的匀强磁场，方向垂直于Oxy 平面向里。位于极板左侧的粒子源沿x 轴向右连续发射质量为m 、电量为+q 、速度相同、重力不计的带电粒子。在0~3t 0时间内两板间加上如图乙所示的电压（不考虑极边缘的影响）。已知t=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在t 0时刻经极板边缘射入磁场。上述m 、q 、l 、t 0、B 为已知量。（不考虑粒子间相互影响及返回极板间的情况） （1）求电压U 的大小。 （2）求012 t 时进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。 （3）何时进入两板间的带电粒子在磁场中的运动时间最短？求此最短时间。 例3：如图所示，在xoy 坐标平面内的第一象限内有沿-y 方向的匀强电场。在第四象限内有垂直平面向外的匀强磁场。现有一质量为m ，带电量为+q 的粒子（重力不计）以初速度v 0沿-x 方向从坐标为（3L,L ）的P 点开始运动，接着进入磁场后由坐标原O 点射出，射出的速度与y 轴方向夹角为45o，求： （1）粒子从O 点射出的速度v 和电场强度E ； （2）粒子从P 点运动到O 电过程所需要的时间？ 专题:电场与磁场在实际中的应用 要点一 速度选择器 即学即用 1.如图所示,一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正 交的区域里,结果发现有些离子保持原来的运动方向,有些未发生任何偏转.如果让这 些不偏转的离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分裂成几束,对这些进入另一磁 场的离子,可得出结论 （ ） A .它们的动能一定各不相同 B .它们的电荷量一定各不相同 C .它们的质量一定各不相同 D .它们的电荷量与质量之比一定各不相同 答案 D 要点二 质谱仪 即学即用 2.质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要仪器,它的构造如图所示.设从离子 源S 产生出来的正离子初速度为零,经过加速电场加速后,进入一平行板电容器C 中,电 场强度为E 的电场和磁感应强度为B 1的磁场相互垂直,具有某一速度的离子将沿图中所 示的直线穿过两板间的空间而不发生偏转,再进入磁感应强度为B 2的匀强磁场,最后打在记录它的照相底片上的P 点.若测得P 点到入口处S 1的距离为s ,证明离子的质量为m = E s B qB 221. 答案 离子被加速后进入平行板电容器,受到的水平的电场力和洛伦兹力平衡才能够竖直向上进入上面的匀强磁 场,由qvB 1=qE 得v =E/B 1,在匀强磁场中 22qB m s v ,将v 代入,可得m =E s B qB 221. 要点三 回旋加速器 即学即用 3.回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器,其核心部分是两个D 形金属盒,两盒分别和一高频交流电源两极相接,以便在盒间的窄缝中形成匀强电场,使 粒子每次穿过狭缝都得到加速,两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面,离子源置 于盒的圆心附近.若离子源射出的离子电荷量为q ,质量为m ,粒子最大回转半径R m ,其运动轨迹如图所示. 求:（1）两个D 形盒内有无电场? （2）离子在D 形盒内做何种运动? （3）所加交流电频率是多大? （4）离子离开加速器的速度为多大?最大动能为多少? 答案 （1）无电场 （2）做匀速圆周运动,每次加速之后半径变大 （3）m qB π2 （4）m qBR m m R B q 2m 222 要点四 霍尔效应 即学即用 4.如图所示,厚度为h 、宽度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中, 磁场中的带电粒子综合应用 1．如图所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里．P为屏上的一个小孔．PC与MN垂直．一群质量为m、带电荷量为－q的粒子(不计重力)，以相同的速率v，从P处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域．粒子入射方向在与磁场B垂直的平面内，且散开在与PC夹角为θ的范围内．则在屏MN上被粒子打中的区域的长度为( D ) A. 2m v qB B. 2m v cosθ qB C. 2m v(1－sinθ) qB D. 2m v(1－cosθ) qB 2．回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示．它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速．两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动， 通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置 被引出．如果用同一回旋加速器分别加速氚核(13H)和α粒子(24He)，比较它 们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，有( B ) A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大 B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小 C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小 D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示．置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、 电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑 相对论效应和重力的影响．则下列说法正确的是（AC ） A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比 C．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1 D．不改变磁感应强度B和交流电频率f，该回旋加速器的最大动能不变 4．物体导电是由其中的自由电荷定向移动引起的，这些可以移动的自由电荷又叫载流子。金属导体的载流子是自由电子，现代广泛应用的半导体材料分为两大类：一类是N型半导体，它的载流子为电子；另一类是P 型半导体，它的载流子为“空穴”，相当于带正电的粒子。如果把某种材料制成的长方体放在匀强磁场中，磁场方向如图所示，且与前后侧面垂直，长方体中通有方向水平向右 的电流，设长方体的上下表面M，N的电势分别为φM和φN，则下列判 断中正确的是（ C ） A．如果是P型半导体，有φM>φN B．如果是N型半导体，有φM＜φN C．如果是P型半导体，有φM＜φN D．如果是金属导体，有φM＜φN 5．如图是质谱仪工作原理的示意图．带电粒子a、b经电压U加速（在A点初速度为零）后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分别打在感光板S上的x1、x2处．图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（ D ） A．a与b质量相同，打在感光板上时，b的速度比a大 B．a与b有相同的质量，但a的电量比b的电量小 C．a与b有相同的电量，但a的质量比b的质量大 D．a与b有相同的电量，但a的质量比b的质量小 第三讲 磁场知识在技术中的应用 考点一 利用电场力与磁场力的平衡的器材 1．速度选择器(如图) (1)平行板间电场强度E 和磁感应强度B 互相垂直，且B\E\V 三者速度相互制约．这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器． (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE ＝q v B ，即v ＝E /B . 例 1 如图所示，有一混合正离子束先后通过正交电场、磁场区域Ⅰ 和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子束在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径又相同，则说明这些正离子具有相同的( ) A ．动能 B ．质量 C ．电荷量 D ．比荷 【解析】 设电场的场强为E ，由于正离子在区域Ⅰ里不发生偏转， 则Eq ＝q v B 1，得v ＝E B 1 ；当正离子进入区域Ⅱ时，偏转半径又相同，所以 R ＝m v B 2q ＝m E B 1B 2q ＝Em B 1B 2q ，故选项D 正确． 【答案】 D 2．磁流体发电机 (1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能． (2)根据左手定则，如图中的B 板是发电机正极． (3)磁流体发电机两极板间的距离为d ，等离子体速度为v ，磁场磁感应强度为B ，则两极板间能达到的最大电势差U ＝Bd v . 例 2．目前，世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机．如图7表示了它的原理：将一束等离子体喷射入磁场，在场中有两块金属板A 、B ，这时金属板上就会聚集电荷， 产生电压．如果射入的等离子体速度均为v ，两金属板的板长为L ，板间距离为d ，板平面的面积为S ，匀强磁场的磁感应强度为B ，方向垂直于速度方向，负载电阻为R ，电离气体充满两板间的空间．当发电机稳定发电时，电流表示数为I .那么板间电离气体的电阻率为( ) A.S d (Bd v I －R ) B.S d (BL v I －R ) C.S L (Bd v I －R ) D.S L (BL v I －R ) 解析：当粒子受的电场力与洛伦兹力平衡时，两板电压即为电动势，即q v B ＝q U d ，得U ＝Bd v . 又I ＝U R ＋r ，r ＝ρd S 由此可解得ρ＝S d (Bd v I －R )，故选项A 正确． 答案：A 3．电磁流量计 (1)如图所示，一圆形导管直径为d ，用非磁性材料制成，其中有可以导电 的液体流过导管； (2)原理：导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a 、b 间出现电势差，形成电场．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a 、 b 间的电势差就保持稳定．由Bq v ＝Eq ＝U d q ，可得v ＝U Bd ，液体流量Q ＝S v ＝πd 24·U Bd ＝πdU 4B . 例3．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17所示的流带电粒子在磁场中的运动应用
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