電磁場在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

1、十堰市一中高二年級(jí)培優(yōu)班物理輔導(dǎo)第七講：電磁場在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用一質(zhì)譜儀高二物理組：李秀學(xué)08、 11、 20電磁場在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，主要有兩類，一類是利用電磁場的變化將其他信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而到達(dá)轉(zhuǎn)化信息或自動(dòng)控制的目的；另一類是利用電磁場對(duì)電荷或電流的作用， 來控制其運(yùn)動(dòng)，使其平衡、加速、偏轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)，已到達(dá)預(yù)定的目的。密立根實(shí)驗(yàn)一電場力與重力實(shí)驗(yàn)速度選擇器一電場力與洛倫茲力的平衡直線加速器電場的加速質(zhì)譜儀一磁場偏轉(zhuǎn)示波管一電場的加速和偏轉(zhuǎn)盤旋加速器一電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)電流表安培力矩電視機(jī)顯像管一電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)安培力矩磁流體發(fā)電一電場力與洛倫茲力的平衡霍爾效應(yīng)電場力與洛倫茲力作

2、 用下的偏轉(zhuǎn)與平衡磁流體發(fā)電機(jī)一電場力與洛倫茲力作用 下的偏轉(zhuǎn)與平衡、質(zhì)譜儀：感光片例題1、如圖是測量帶電粒子質(zhì)量的儀器工作原理示 意圖。設(shè)法使某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖中所示的容 器A中，使它受到電子束轟擊，失去一個(gè)電子變成正一 價(jià)的分子離子。分子離子從狹縫si以很小的速度進(jìn)入電壓為U的加速電場區(qū)初速不計(jì)，加速后，再通過狹縫 S2、S3射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的勻強(qiáng)磁場，方向垂直于磁場 區(qū)的界面PQ。最后，分子離子打到感光片上，形成垂直 于紙面而且平行于狹縫 S3的細(xì)線。假設(shè)測得細(xì)線到狹縫S3的距離為d,導(dǎo)出分子離子的質(zhì)量 m的表達(dá)式。例題2、如圖為質(zhì)譜儀原理示意圖，電荷量為q、加速電場N速度

3、選擇器偏轉(zhuǎn)磁場質(zhì)量為m的帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)過電勢(shì)差為U的加速電場后進(jìn)入粒子速度選擇器。選擇器中存在相 互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)為E、方向水平向右。帶電粒子能夠沿直線穿過速度選 擇器，從G點(diǎn)垂直MN進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場，該偏轉(zhuǎn)磁場是 一個(gè)以直線 MN為邊界、方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁 場。帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場后，最終到達(dá)照相底片的H點(diǎn)?？蓽y量出G、H間的距離為I。帶電粒子的重力可 忽略不計(jì)。求：1粒子從加速電場射出時(shí)速度v的大小。2粒子速度選擇器中勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B1的大小和方向。3偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B2的大小。電子搶畐例題3、質(zhì)譜法是測定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的重要方法，其特

4、點(diǎn)之一是：用極少量-910 g的化合物即可記錄到它的質(zhì)譜，從而 得知有關(guān)分子結(jié)構(gòu)的信息以及化合物的準(zhǔn) 確分子量和分子式。 質(zhì)譜儀的大致結(jié)構(gòu)如圖 甲所示。圖中G的作用是使樣品氣體分子離 子化或碎裂成離子，假設(shè)離子均帶一個(gè)單位電 荷，質(zhì)量為m，初速度為零，離子在勻強(qiáng)磁 場中運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑為 R，試根據(jù)上述內(nèi)容答復(fù)以下問題:(1) 、在圖中相應(yīng)部位標(biāo)明磁場的方向；(2) 、假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B時(shí)，記錄儀記錄到一個(gè)明顯信號(hào)，求與該信號(hào)對(duì)應(yīng)的離子質(zhì)荷 比(m/e)。電源高壓為 U。例題4、如下圖是某種質(zhì)譜儀的原理示意圖，它由 加速電場、靜電分析器和磁分析器等組成，假設(shè)靜電分析器 通道的半徑為R，均勻輻向

5、電場的場強(qiáng)為 E,磁分析器中 有垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，忽略重力的影響，試問：(1) 為了使位于 A處電量為q、質(zhì)量為m的離子， 從靜止開始經(jīng)加速電場加速后沿圖中虛線通過靜電分析 器，加速電場的電壓 U應(yīng)為多大？(2) 離子由P點(diǎn)進(jìn)入磁分析器后，最終打在感光膠片臨汙VS!rr上的Q點(diǎn)，該點(diǎn)距入射點(diǎn) P有多遠(yuǎn)？假設(shè)有一群離子從靜止開始通過該質(zhì)譜儀后落在同一點(diǎn) Q,那么該群離子具有什么共同特征？例題5、一種稱為質(zhì)量分析器的裝置如下圖，A表示發(fā)射帶電粒子的離子源，發(fā)射的粒子在加速管B中加速，獲得一定速率后于C處進(jìn)人圓形細(xì)彎管(四分之一圈弧)，在磁場力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入漂移管道

6、D，假設(shè)粒子質(zhì)量不同或電荷量不同 或速率不同，在一定磁場中的偏轉(zhuǎn)程度也不同。如果給定偏轉(zhuǎn)管 道中心軸線的半徑、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度、粒子的電荷量和速率，貝U 只有一定質(zhì)量的粒子能從漂移管道D中引出。帶有正電荷q=1.6x 10-19C 的磷離子，質(zhì)量為 m =51.1 x 10-27Kg ,零，經(jīng)加速管B加速后速率為 U =7.9 x 105m/s,(1) 、加速管B兩端的加速電壓應(yīng)為多大？(2) 、假設(shè)圓形彎管中心軸線的半徑R=0.28m ,初速率可認(rèn)為是求(保存一位有效數(shù)字)為了使磷離子能從漂移管道引出，那么在圖中虛線正方形區(qū)域內(nèi)應(yīng)加磁感應(yīng)強(qiáng)為多大的勻強(qiáng)磁場？例題6、飛行時(shí)間質(zhì) 譜儀可通過測量

7、離子飛行 時(shí)間得到離子的荷質(zhì)比 q/m.如圖，帶正電的離子 經(jīng)電壓為U的電場加速后 進(jìn)入長度為L的真空管AB, 可測得離子飛越 AB所用 時(shí)間t1。改良以上方法， 如圖2,讓離子飛越AB后 進(jìn)入場強(qiáng)為E (方向如圖)的勻強(qiáng)電場區(qū)域離廠 手直空萱圖2BC,在電場的作用下離子返回 離子從A出發(fā)后飛行的總時(shí)間t2,(不計(jì)離子重力)。(1) 、忽略離子源中離子的初速度，、用11計(jì)算荷質(zhì)比；、用(2) 離子源中相同荷質(zhì)比離子的初速度不盡相同，設(shè)兩個(gè)荷質(zhì)比都為B端，此時(shí)，測得t 2計(jì)算荷質(zhì)比。q/m的離子在A端的速度分別為 v和v '(vM v'),在改良后的方法中，它們飛行的總時(shí)間通常不同，存 在時(shí)間差厶t.可通過調(diào)節(jié)電場 E使厶t=0.求此時(shí)E的大小.參考答案1、簡解: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_