电磁场在科学技术中的应用-十堰第一中学

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。密立根实验一电场力与重力实验速度选择器一电场力与洛伦兹力的平衡直线加速器电场的加速质谱仪一磁场偏转示波管一电场的加速和偏转回旋加速器一电场加速、磁场偏转电流表安培力矩电视机显像管一电场加速、磁场偏转电动机安培力矩磁流体发电一电场力与洛伦兹力的平衡霍尔效应电场力与洛伦兹

2、力作 用下的偏转与平衡磁流体发电机一电场力与洛伦兹力作用 下的偏转与平衡、质谱仪：感光片例题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si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、加速电场

3、N速度选择器偏转磁场质量为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I。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。电子抢畐例题3、质谱法是测定有机化合物分

4、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，若静电分析器 通

5、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，最终打在感光胶片临汙VS!rr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)，在磁场力作用下发生

6、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，贝U 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=1.6x 10-19C 的磷离子，质量为 m =51.1 x 10-27Kg ,零，经加速管B加速后速率为 U =7.9 x 105m/s,(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 ,初速率可认为是求(保留一位有效数字)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强为多大的匀强磁场？例题6、飞行

7、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)的匀强电场区域离厂 手直空萱图2BC,在电场的作用下离子返回 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，、用11计算荷质比；、用(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B端，此时，测得t 2计算荷质比。q/m的离子在A端的速度分别为 v和v (vM v),在改进后的方法中，它们飞行的总时间通常不同，存 在时间差厶t.可通过调节电场 E使厶t=0.求此时E的大小.参考答案1、简解:21 2mveU mv ; evB =2 ReB2d28U2、(1)、v = j2qU /m ; (2)、B1 = Ejm/2qU ； ( 3)、B2J2qU ql Y mm R2 B23、(1)、向外；(2 )、巴=生_