涉及甲苯流量計霍爾效應(yīng)問題易錯點的剖析

摘要：介紹了學生學習霍爾效應(yīng)中的幾個易錯點：不同電性載流子對甲苯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。
涉及甲苯流量計的霍爾效應(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，是考查學生運用物理知識解決實際問題能力的好素材。但教學中發(fā)現(xiàn)，學生對甲苯流量計的霍爾效應(yīng)問題的理解存在一些誤區(qū)，因而每當遇到此類問題時，常常錯誤百出，根據(jù)學生中存在的問題，可歸納為以下幾種情況。易錯點１：正、負載流子對霍爾電壓的影響霍爾效應(yīng)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)，導體下表面積累正電荷。同時，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向下偏轉(zhuǎn)，導體下表面積累負電荷。同時，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，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)各裝一導體片，在溶液中通入水平向右的電流，勻強磁場Ｂ垂直紙面向外。ＮａＣｌ溶液中既有正離子，又有負離子，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?？梢?，在分析甲苯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，進而確定電勢的高低。
易錯點２：磁強計、甲苯流量計、磁流體發(fā)電機、霍爾元件間的區(qū)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到平衡。很多學生容易將其混淆，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)電機示意圖。設(shè)兩金屬板間的距離為ｄ，兩*板間勻強磁場的磁感應(yīng)強度為Ｂ。等離子體垂直進入磁場的速度為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，負載電阻為Ｒ。則下列判斷正確的是（　?。?br /> Ａ。該發(fā)電機的電動勢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。兩板間的電場強度Ｅ＝Ｂｖ
筆者發(fā)現(xiàn)，學生對選項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)電機的內(nèi)電阻，發(fā)動機的輸出功率：

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，故電場強度Ｅ＜Ｂｖ。選項Ｄ錯。
可見，只有未接外電路時，兩板間的電場強度Ｅ＝Ｂｖ才成立。
通過以上歸類、對比和總結(jié)，幫助學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(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，有助于學生更靈活地運用所學知識。
總之，在教學過程中善于發(fā)現(xiàn)、總結(jié)學生的易錯點，并設(shè)計針對性的教學環(huán)節(jié)，引導學生進行分析與討論，是提高課堂教學效率的有效途徑之一。

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