电磁场在科学技术中的应用-十堰第一中学.doc

1、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磁流体发

2、电机电场力与洛伦兹力作用用下的偏转与平衡下的偏转与平衡一、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

3、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U-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HG一个以直线 MN 为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁M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。加速电场速度选择器N偏转磁场例题 3、质谱法

4、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-9(10 g)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

5、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 表示发射带电粒子的离子源，发射的粒子在加速管B 中加速，获得一定速率后于 C 处进人圆形细弯管(四分之一圈弧 )，

6、 在磁场力作用下发生偏转， 然后进入漂移管道D， 若粒子质量不同或电荷量不同或速率不同， 在一定磁场中的偏转程度也不同。如果给定偏转管道中心轴线的半径、磁场的磁感应强度、粒子的电荷量和速率，则只有一定质量的粒子能从漂移管道D 中引出。已知带有正电荷 q=1.610-19C 的磷离子， 质量为 m =51. 1 10-27Kg ， 初速率可认为是零， 经加速管 B 加速后速率为U =7.9 105m/s，求 (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 ， 为了使磷离子能从漂移管道引出， 则在图中虚线正方形区域内应加磁感应

7、强为多大的匀强磁场？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 t 1。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t 2, （不计离子重力） 。（1）、忽略离子源中离子的初速度，、用t 1 计算荷质比；、用t 2 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t. 可通过调节电场E使t=0. 求此时 E 的大小 .A参考答案1、简解： eU1mv 2 ； evBmv2、 R1d 得 meB 2d 2；2R28U2、（ 1）、 v2qU / m ；（ 2）、 B1E m / 2qU2m2qU；（ 3）、 B2