飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)行分析.如圖所示,在真空狀態(tài)下,脈沖閥P噴出微量氣體,經(jīng)激光照射產(chǎn)生不同價(jià)位的正離子,自a板小孔進(jìn)入a、b間的加速電場(chǎng),從b板小孔射出,沿中線方向進(jìn)入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū),到達(dá)熒光屏.已知元電荷電量為e,a、b板間距為d,極板M、N的長(zhǎng)度和間距均為L(zhǎng).不計(jì)離子重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度.
(1)當(dāng)a、b間的電壓為U1時(shí),在M、N間加上的電壓為U2,為使離子沿直線到達(dá)熒光屏,請(qǐng)導(dǎo)出M、N間所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與離子的比荷K(K=
nem
)之間的關(guān)系式;
(2)去掉偏轉(zhuǎn)電壓U2,在M、N間區(qū)域加上垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0.若進(jìn)入a、b間所有離子質(zhì)量均為m,要使所有的離子均能通過(guò)控制區(qū)從右側(cè)飛出打到熒光屏上,a、b間的加速電壓U1至少為多少?
分析:(1)這一問(wèn)關(guān)鍵要記住在電磁復(fù)合場(chǎng)中若告訴說(shuō)帶電粒子沿直線運(yùn)動(dòng),即是告訴這個(gè)復(fù)合場(chǎng)中電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡.以此才打開(kāi)突破口.可以得到磁感強(qiáng)度與比荷的關(guān)系.
(2)由neU=
1
2
mv2
知加速電壓的最小值,就對(duì)應(yīng)速度的最小值,又由nevB=m
v2
R
知速度的最小值就對(duì)應(yīng)離子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑的最小值,故本問(wèn)實(shí)際是要讓找出偏轉(zhuǎn)半徑的最小值.此最小值可以由數(shù)學(xué)幾何關(guān)系得到.進(jìn)而可以得到加速電壓的最小值.
解答:解:
(1)n價(jià)正離子在a、b加速電場(chǎng)的作用下加速,設(shè)進(jìn)入M、N間的速度為v,由動(dòng)能定理可得:
1
2
mv2=neU1
   ①
進(jìn)入M、N后沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)說(shuō)明電場(chǎng)力與洛淪茲力平衡,故有:
U2
L
ne=neBv
  ②
由①②可得:B=
U2
L
2U1K
        ③
(2)設(shè)帶電離子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最小半徑為R,由幾何關(guān)系可得(R-
1
2
L)2+L2=R2
    ④
 解得:R=
5
4
L
            ⑤
設(shè)離子向心加速度為a,由牛頓第二定律得:nevB0=ma        ⑥
又由于圓周運(yùn)動(dòng)得:a=
v2
R
             ⑦
由⑤⑥⑦解得最小速度為:v=
neB0R
m
=
5neB0L
4m
          ⑧
由①⑧解得加速電壓的最小值為:
 U1=
25neB02L2
32m

 答:(1)M、N間所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與離子的比荷K(K=
ne
m
)之間的關(guān)系式:B=
U2
L
2U1K

(2)U1的最小值為U1=
25neB02L2
32m
點(diǎn)評(píng):本題第一問(wèn)里面有個(gè)重點(diǎn)要掌握的就是“離子沿直線到達(dá)熒光屏”這句的含義是:電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡,這個(gè)暗示在復(fù)合場(chǎng)中出現(xiàn)較多.
難點(diǎn)在第二問(wèn),我們需要一步步推導(dǎo),由此及彼找出題目最終讓我們求的量----磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑,很多磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的題多數(shù)都是要來(lái)找半徑,找到半徑題目就解決一半了,這個(gè)同學(xué)們可以在以后做題的時(shí)候留意下,看是不是這個(gè)規(guī)律.
練習(xí)冊(cè)系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)行分析.如圖所示,在真空狀態(tài)下,脈沖閥P噴出微量氣體,經(jīng)激光照射產(chǎn)生質(zhì)量均為m、電荷量為ke的正離子(1≤k≤3,k取整數(shù)).離子自a板小孔進(jìn)入a、b間加速電場(chǎng),從b板小孔沿中心線進(jìn)入M、N板間控制區(qū),上下調(diào)節(jié)探測(cè)器,接收到離子.已知a、b間距為d,極板M、N的長(zhǎng)度和間距均為L(zhǎng),不計(jì)離子的重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度.
(1)當(dāng)a、b間的電壓為U1,M、N間加上適當(dāng)?shù)碾妷篣2,使離子到達(dá)探測(cè)器,請(qǐng)推導(dǎo)出離子自進(jìn)入a板到探測(cè)器飛行時(shí)間的表達(dá)式;
(2)去掉偏轉(zhuǎn)電壓U2,在M、N間區(qū)域加上垂直于紙面、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),要使所有離子均通過(guò)控制區(qū),從右側(cè)飛出,a、b間的加速電壓U1為多少?

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

(2011?豐臺(tái)區(qū)二模)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)行分析.飛行時(shí)間質(zhì)譜儀主要由脈沖閥、激光器、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和探測(cè)器組成,探測(cè)器可以在軌道上移動(dòng)以捕獲和觀察帶電粒子.整個(gè)裝置處于真空狀態(tài).加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)電壓可以調(diào)節(jié),只要測(cè)量出帶電粒子的飛行時(shí)間,即可以測(cè)量出其比荷.如圖11所示,脈沖閥P噴出微量氣體,經(jīng)激光照射產(chǎn)生不同價(jià)位的離子,自a板小孔進(jìn)入a、b間的加速電場(chǎng),從b板小孔射出,沿中線方向進(jìn)入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū),到達(dá)探測(cè)器.已知加速電場(chǎng)ab板間距為d,偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)極板M、N的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,寬度為L(zhǎng)2.不計(jì)離子重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度.
(1)設(shè)離子的比荷為k(k=q/m),如a、b間的加速電壓為U1,試求離子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的初速度v0
(2)當(dāng)a、b間的電壓為U1時(shí),在從M、N間加上適當(dāng)?shù)碾妷篣2,離子從脈沖閥P噴出到到達(dá)探測(cè)器的全部飛行時(shí)間為t.請(qǐng)推導(dǎo)出離子比荷k的表達(dá)式:
(3)在某次測(cè)量中探測(cè)器始終無(wú)法觀察到離子,分析原因是離子偏轉(zhuǎn)量過(guò)大,打到極板上,請(qǐng)說(shuō)明如何調(diào)節(jié)才能觀察到離子?

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

精英家教網(wǎng)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)行分析.如圖所示,在真空狀態(tài)下,脈沖閥P噴出微量氣體,經(jīng)激光照射產(chǎn)生不同價(jià)位的正離子,自a板小孔進(jìn)入a、b間的加速電場(chǎng),從b板小孔射出,沿中線方向進(jìn)入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū),到達(dá)探測(cè)器.已知元電荷電量為e,a、b板間距為d,極板M、N的長(zhǎng)度和間距均為L(zhǎng).不計(jì)離子重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度.
(1)當(dāng)a、b間的電壓為U1時(shí),在M、N間加上適當(dāng)?shù)碾妷篣2,使離子到達(dá)探測(cè)器.請(qǐng)導(dǎo)出離子的全部飛行時(shí)間與比荷K(K=
nem
)的關(guān)系式.
(2)去掉偏轉(zhuǎn)電壓U2,在M、N間區(qū)域加上垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,若進(jìn)入a、b間的所有離子質(zhì)量均為m,要使所有的離子均通過(guò)控制區(qū)從右側(cè)飛出,a、b間的加速電壓U1至少為多少?

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)行分析。如圖所示,在真空狀態(tài)下,脈沖閥P噴出微量氣體,經(jīng)激光照射產(chǎn)生不同價(jià)位的正離子,自a板小孔進(jìn)入a、b間的加速電場(chǎng),從b板小孔射出,沿中線方向進(jìn)入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū),到達(dá)探測(cè)器。已知元電荷電量為e,a、b板間距為d,極板M、N的長(zhǎng)度和間距均為L。不計(jì)離子重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度。

(1)當(dāng)a、b間的電壓為時(shí),在M、N間加上適當(dāng)?shù)碾妷?img width=21 height=24 src="http://thumb.zyjl.cn/pic1/1899/wl/22/19222.gif" >,使離子到達(dá)探測(cè)器。請(qǐng)導(dǎo)出離子的全部飛行時(shí)間與比荷K)的關(guān)系式。

(2)去掉偏轉(zhuǎn)電壓,在M、N間區(qū)域加上垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B,若進(jìn)入a、b間所有離子質(zhì)量均為m,要使所有的離子均能通過(guò)控制區(qū)從右側(cè)飛出,ab間的加速電壓至少為多少?

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