涉及甲苯流量計霍爾效應問(wèn)題易錯點(diǎn)的剖析

摘要：介紹了學(xué)生學(xué)習霍爾效應中的幾個(gè)易錯點(diǎn)：不同電性載流子對甲苯流量計霍爾電壓的影響，現代科技中利用霍爾效應原理器材間的區別與聯(lián)系等，通過(guò)剖析，理順原理與關(guān)系。
涉及甲苯流量計的霍爾效應的問(wèn)題，是近幾年高考物理命題的一個(gè)熱點(diǎn)。由于它與現代科技應用聯(lián)系緊密，是考查學(xué)生運用物理知識解決實(shí)際問(wèn)題能力的好素材。但教學(xué)中發(fā)現，學(xué)生對甲苯流量計的霍爾效應問(wèn)題的理解存在一些誤區，因而每當遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，常常錯誤百出，根據學(xué)生中存在的問(wèn)題，可歸納為以下幾種情況。易錯點(diǎn)１：正、負載流子對霍爾電壓的影響霍爾效應中，霍爾電壓的正負與載流子的電性有關(guān)，不像金屬導體，移動(dòng)的只是電子，它有多種情形。
情形１：?jiǎn)畏N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(huì )向下偏轉，導體下表面積累正電荷。同時(shí)，上表面失去正電荷而帶上負電，從而使下表面電勢高于上表面。

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

可見(jiàn)，在磁場(chǎng)、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、負載流子反向運動(dòng)。如圖３所示，長(cháng)方體玻璃水槽中盛有ＮａＣｌ的水溶液，水槽左、右側壁內側各裝一導體片，在溶液中通入水平向右的電流，勻強磁場(chǎng)Ｂ垂直紙面向外。ＮａＣｌ溶液中既有正離子，又有負離子，根據左手定則可判斷正離子受到向下的洛倫茲力，故向下運動(dòng)并堆積。同理，負離子也受到指向下的洛倫茲力，也向下運動(dòng)并堆積。由于正負離子均向下側面堆積，故上下兩側面的電勢均為零，但下側面處離子濃度大于上側面離子濃度。

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

情形２和情形３對比發(fā)現，同樣有兩種電性相反的載流子，由于運動(dòng)方向不同，結果也完全不同?？梢?jiàn)，在分析甲苯流量計霍爾電壓的問(wèn)題時(shí)，*先應明確載流子的電性和運動(dòng)方向，在此基礎上才能正確判斷其受力方向和偏轉方向，進(jìn)而確定電勢的高低。
易錯點(diǎn)２：磁強計、甲苯流量計、磁流體發(fā)電機、霍爾元件間的區別與聯(lián)系磁強計、甲苯流量計、磁流體發(fā)電機、霍爾元件都是利用電磁場(chǎng)對帶電粒子的偏轉效應，并且穩定時(shí)電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力均達到平衡。很多學(xué)生容易將其混淆，遇到問(wèn)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(diǎn)等做一對比區別如表１所示。

易錯點(diǎn)３：兩*板間的電場(chǎng)強度Ｅ＝Ｕ/ｄ中的Ｕ到底是電勢差還是電動(dòng)勢？
粒子偏轉后，若兩*板間聚集等量的異種電荷，相當于一個(gè)電源，板間形成電場(chǎng)。穩定時(shí)，Ｆ電＝Ｆ磁。若與外電路接通，計算板間場(chǎng)強大小時(shí)，其Ｕ指電勢差還是電動(dòng)勢？此時(shí)Ｆ電和Ｆ磁還相等嗎？以下題為例。

【例１】圖５為磁流體發(fā)電機示意圖。設兩金屬板間的距離為ｄ，兩*板間勻強磁場(chǎng)的磁感應強度為Ｂ。等離子體垂直進(jìn)入磁場(chǎng)的速度為ｖ，單個(gè)離子所帶的電荷量為ｑ。離子通道（即兩*板內所圍成的空間）的等效電阻為ｒ，負載電阻為Ｒ。則下列判斷正確的是（　?。?br /> Ａ。該發(fā)電機的電動(dòng)勢Ｅ＝Ｂｄｖ
Ｂ。電阻Ｒ兩端的電壓為Ｂｄｖ
Ｃ。該發(fā)電機的輸出功率為Ｐ＝（Ｂ２ｄ２ｖ２）/Ｒ
Ｄ。兩板間的電場(chǎng)強度Ｅ＝Ｂｖ
筆者發(fā)現，學(xué)生對選項Ａ和Ｂ問(wèn)題不大，根據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)電機的內電阻，發(fā)動(dòng)機的輸出功率：

選項Ｄ很糾結，究其原因，是對離子的受力情況和運動(dòng)情況分析不透。
當外接電阻時(shí)，電荷在外電路中定向移動(dòng)，板上電量減少，板間電壓減小，電場(chǎng)減弱，Ｆ電＜Ｆ磁。帶電粒子朝著(zhù)磁場(chǎng)力的方向偏轉，此時(shí)有新電荷不斷補充到兩*板，形成一種動(dòng)態(tài)平衡。由Ｅｑ＜ｑｖＢ可得，兩板間的電勢差Ｕ＜Ｂｄｖ，故電場(chǎng)強度Ｅ＜Ｂｖ。選項Ｄ錯。
可見(jiàn)，只有未接外電路時(shí)，兩板間的電場(chǎng)強度Ｅ＝Ｂｖ才成立。
通過(guò)以上歸類(lèi)、對比和總結，幫助學(xué)生理清不同電性載流子對霍爾電勢差正負的影響，正確理解科技領(lǐng)域涉及甲苯流量計霍爾效應的測量?jì)x器的原理及相互聯(lián)系，同時(shí)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(guò)程中善于發(fā)現、總結學(xué)生的易錯點(diǎn)，并設計針對性的教學(xué)環(huán)節，引導學(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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