电磁场在科学技术中的应用-十堰第一中学.DOC

十堰市一中高二年级培优班物理辅导 第七讲：电磁场在科学技术中的应用一（质谱仪） 高二物理组：李秀学 08、11、20 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。 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 一、质谱仪： 例题1、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s1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s2、s3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s3的细线。若测得细线到狭缝s3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B1的大小和方向。（3）偏转磁场的磁感应强度B2的大小。 例题3、质谱法是测定有机化合物分子结构的重要方法，其特点之一是：用极少量(10-9g)的化合物即可记录到它的质谱，从而得知有关分子结构的信息以及化合物的准确分子量和分子式。质谱仪的大致结构如图甲所示。图中G的作用是使样品气体分子离子化或碎裂成离子，若离子均带一个单位电荷，质量为m，初速度为零，离子在匀强磁场中运动轨迹的半径为R，试根据上述内容回答下列问题： (1)、在图中相应部位标明磁场的方向； (2)、若磁感应强度为B时，记录仪记录到一个明显信号，求与该信号对应的离子质荷比(m/e)。电源高压为U。 例题4、如图所示是某种质谱仪的原理示意图，它由加速电场、静电分析器和磁分析器等组成，若静电分析器通道的半径为R，均匀辐向电场的场强为E，磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B，忽略重力的影响，试问： （1）为了使位于A处电量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中虚线通过静电分析器，加速电场的电压U应为多大？ （2）离子由P点进入磁分析器后，最终打在感光胶片上的Q点，该点距入射点P有多远？若有一群离子从静止开始通过该质谱仪后落在同一点Q，则该群离子具有什么共同特征？例题5、一种称为 质量分析器 的装置如图所示 ，A，B中加速，C 处进人圆形细弯管 (四分之一圈弧)， ， D， ， ，D中引出。已知带有正电荷q=1.6×10-19C 的磷离子， m =51.1×10-27Kg， ， B 加速后速率为 U =7.9×105m/s，(保留一位有效数字) (1) 、加速管B两端的加速电压应为多大? (2) 、若圆形弯管中心轴线的半径 R=0.28m， ， 例题6、飞行时间质谱仪可通过测量离子飞行时间得到离子的荷质比q/m.如图，带正电的离子经电压为U的电场加速后进入长度为L的真空管AB,可测得离子飞越AB所用时间t1。改进以上方法，如图2,让离子飞越AB后进入场强为E（方向如图）的匀强电场区域BC,在电场的作用下离子返回B端，此时，测得离子从A出发后飞行的总时间t2,（不计离子重力）。 （1）、忽略离子源中离子的初速度，①、用t1计算荷质比；②、用t2计算荷质比。 （2）离子源中相同荷质比离子的初速度不尽相同，设两个荷质比都为q/m的离子在A端的速度分别为v和v′（v≠v′）,在改进后的方法中，它们飞行的总时间通常不同，存在时间差Δt.可通过调节电场E使Δt=0.求此时E的大小. 参考答案 1、简解：；、得； 2、（1）、；（2）、；（3）、； 3、（1）、向外；（2）、； 4、见优化设计； 5、（1）、×V；(2)、； 6、（1）、；；（3）、； 加速电场 速度选择器 偏转磁场 U G