题目内容

飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析.如图所示,在真空状态下,脉冲阀P喷出微量气体,经激光照射产生不同价位的正离子,自a板小孔进入a、b间的加速电场,从b板小孔射出,沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区,到达荧光屏.已知元电荷电量为e,a、b板间距为d,极板M、N的长度和间距均为L.不计离子重力及进入a板时的初速度.
(1)当a、b间的电压为U1时,在M、N间加上的电压为U2,为使离子沿直线到达荧光屏,请导出M、N间所加匀强磁场的磁感应强度B与离子的比荷K(K=
nem
)之间的关系式;
(2)去掉偏转电压U2,在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度为B0.若进入a、b间所有离子质量均为m,要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出打到荧光屏上,a、b间的加速电压U1至少为多少?
分析:(1)这一问关键要记住在电磁复合场中若告诉说带电粒子沿直线运动,即是告诉这个复合场中电场力和洛伦兹力平衡.以此才打开突破口.可以得到磁感强度与比荷的关系.
(2)由neU=
1
2
mv2
知加速电压的最小值,就对应速度的最小值,又由nevB=m
v2
R
知速度的最小值就对应离子在磁场中偏转半径的最小值,故本问实际是要让找出偏转半径的最小值.此最小值可以由数学几何关系得到.进而可以得到加速电压的最小值.
解答:解:
(1)n价正离子在a、b加速电场的作用下加速,设进入M、N间的速度为v,由动能定理可得:
1
2
mv2=neU1
   ①
进入M、N后没有发生偏转说明电场力与洛沦兹力平衡,故有:
U2
L
ne=neBv
  ②
由①②可得:B=
U2
L
2U1K
        ③
(2)设带电离子在磁场中运动的最小半径为R,由几何关系可得(R-
1
2
L)2+L2=R2
    ④
 解得:R=
5
4
L
            ⑤
设离子向心加速度为a,由牛顿第二定律得:nevB0=ma        ⑥
又由于圆周运动得:a=
v2
R
             ⑦
由⑤⑥⑦解得最小速度为:v=
neB0R
m
=
5neB0L
4m
          ⑧
由①⑧解得加速电压的最小值为:
 U1=
25neB02L2
32m

 答:(1)M、N间所加匀强磁场的磁感应强度B与离子的比荷K(K=
ne
m
)之间的关系式:B=
U2
L
2U1K

(2)U1的最小值为U1=
25neB02L2
32m
点评:本题第一问里面有个重点要掌握的就是“离子沿直线到达荧光屏”这句的含义是:电场力与洛伦兹力平衡,这个暗示在复合场中出现较多.
难点在第二问,我们需要一步步推导,由此及彼找出题目最终让我们求的量----磁场中运动的半径,很多磁场中圆周运动的题多数都是要来找半径,找到半径题目就解决一半了,这个同学们可以在以后做题的时候留意下,看是不是这个规律.
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