Question

3．利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件以及傳感器，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域．如圖1，將一金屬或半導體薄片垂直置于磁場B中，在薄片的兩個側(cè)面a、b間通以電流I時，另外兩側(cè)c、f間產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)．其原因是薄片中的移動電荷受洛倫茲力的作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)和積累，于是c、f間建立起電場E_H，同時產(chǎn)生霍爾電勢差U_H．當電荷所受的電場力與洛倫茲力處處相等時，E_H和U_H達到穩(wěn)定值，U_H的大小與I和B以及霍爾元件厚度d之間滿足關(guān)系式U_H=R_H$\frac{IB}qzhwqwh$，其中比例系數(shù)R_H稱為霍爾系數(shù)，僅與材料性質(zhì)有關(guān)．

（1）設(shè)半導體薄片的寬度（c、f間距）為l，寫出U_H和E_H的關(guān)系式；若半導體材料是電子導電的，判斷圖1中c、f哪端的電勢高；
（2）已知半導體薄片內(nèi)單位體積中導電的電子數(shù)為n，電子的電荷量為e，導出霍爾系數(shù)R_H的表達式．（通過橫截面積S的電流I=nevS，其中v是導電電子定向移動的平均速率）；
（3）圖2是霍爾測速儀的示意圖，將非磁性圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊等距離地嵌裝著m個永磁體，相鄰永磁體的極性相反．霍爾元件置于被測圓盤的邊緣附近．當圓盤勻速轉(zhuǎn)動時，霍爾元件輸出的電壓脈沖信號圖象如圖3所示．若在時間t內(nèi)，霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P，導出圓盤轉(zhuǎn)速N的表達式．

Answer 1

分析 （1）、由左手定則可判斷出電子的運動方向，從而判斷f和c兩側(cè)的電荷聚集情況，聚集正電荷的一側(cè)電勢高．
（2）、根據(jù)題中所給的霍爾電勢差和霍爾系數(shù)的關(guān)系，結(jié)合電場力與洛倫茲力的平衡，可求出霍爾系數(shù)的表達式．
（3）、由轉(zhuǎn)速時間以及圓盤的周邊永久磁體的個數(shù)，可表示出霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目，從而表示出圓盤轉(zhuǎn)速．

解答 解：（1）、由場強與電勢差關(guān)系知U_H=E_Hl．導體或半導體中的電子定向移動形成電流，電流方向向右，實際是電子向左運動．由左手定則判斷，電子會偏向f端面，使其電勢低，同時相對的c端電勢高．
（2）、由題意得：${U}_{H}={R}_{H}\frac{IB}xlkixnj$…①
解得：${R}_{H}={U}_{H}\fracvoirvqw{IB}={E}_{H}l\fracmgp3uul{IB}$…②
當電場力與洛倫茲力平衡時，有eE_h=evB
得：E_H=vB…③
又有電流的微觀表達式：I=nevS…④
將③、④帶入②得：
${R}_{H}=vBl\fracedi0tpl{IB}=vl\fractfe2abg{nevS}=\frac{ld}{neS}\;=\frac{1}{ne}$
（3）、a．由于在時間t內(nèi)，霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P，則有：
P=mNt
圓盤轉(zhuǎn)速為 N=$\frac{P}{mt}$
答：（1）、c端電勢高．
（2）、霍爾系數(shù)的表達式為$\frac{1}{ne}$．
（3）、圓盤轉(zhuǎn)速的表達式為 N=$\frac{P}{mt}$．

點評 所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象．霍爾效應(yīng)在新課標教材中作為課題研究材料，解答此題所需的知識都是考生應(yīng)該掌握的．對于開放性物理試題，要有較強的閱讀能力和獲取信息能力．
本題能力考查層次是推理能力+應(yīng)用能力（將較復雜的問題分解為幾個較簡單的問題，并找出它們之間的聯(lián)系．）+應(yīng)用能力（對問題進行合理的簡化，找出物理量之間的關(guān)系，利用恰當?shù)臄?shù)學表達方式進行分析、求解，得出物理結(jié)論）．
本題延續(xù)了近年來此類聯(lián)系實際試題的特點，要求考生在對試題進行理論研究的同時，通過開放式的設(shè)問，讓學生嘗試著應(yīng)用與題目相關(guān)的知識內(nèi)容解決實際問題，或提出自己的設(shè)想，或?qū)τ嬎愕慕Y(jié)果進行評價．應(yīng)該說這樣的設(shè)問的設(shè)計，既能充分體現(xiàn)課改的基本理念，又能對中學物理教學起到良好的導向作用，同時試題也具體很好的區(qū)分度．