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2015年高考江苏省物理卷第15题的另外解法及解读
2015年高考江苏省物理卷第15题的另外解法及解读
戴儒京
2015年高考江苏省物理卷第15题(最后一题,压轴题)非常难。本题考查质谱仪的工作原理15.(16分)一台质谱仪的工作原理如图所示,电荷量均为+q、质量不同的离子飘入电压为的加速电场,其初速度几乎为零,这些离子经过加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在底片上,已知放置底片区域已知放置底片的区域MN =L且OM =L。某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏检测不到离子但右侧区域QN仍能正常检测到离子. 在适当调节加速电压后原本打在MQ的离子即可在QN检测到
(1)求原本打在MN中点P的离子质量m
(2)为使原本打在P的离子能打在QN区域,求加速电压U的调节范围
(3)为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整求需要调节U的最少次数取;
【解析】(1)离子在电场中加速
在磁场中做匀速圆周运动,解得 ①
代入,解得 ②
(2)由(1)得,,离子打在Q点,解得;离子打在N点,解得,则电压的范围
(3)由(1)可知,∝
第一次调节电压到,使原本打到点的离子打到点,,此时,设原本半径为的打在的离子打在上,则,解得
第二次调节电压到,使原本打到点的离子打到点,,此时,设原本半径为的打在的离子打在上,则,解得
第三次调节电压到,使原本打到点的离子打到点,,此时,设原本半径为的打在的离子打在上,则,解得,调节电压的次数最少为3次。
附:原答案的最后一步如下:
同理,第次调节电压,有,检测完整,有,解得,最少次数为3次。
【解读】为了进一步理解本题的第(3)问,把各点的位置数据计算如下:
示意图画出如下:
实际上,各点是在同一直线上的,为了画出相对位置,把它们拉开了(如果画在同一直线,则互相压在一起,看不出来了)。此图是用电脑Excel画出的,数据是题目的实际数据。
进一步解释:第一次调节电压,把到之间的离子移到和之间;第二次调节电压,把到之间的离子移到和之间;第三次调节电压,把到之间的离子移到和之间;因为的位置在M点以左,所以,就“在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整点的离子移到N,就不能把原本打在点的离子移到,因为二者要求加速电压不同,只能把原本打在点的离子移到,这样,一段一段地移动,最少3次可以完成。
(写于2015-6-13)
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