Question

有一種質譜儀的工作原理圖如圖所示，加速電場的電壓為U，靜電分析器中有會聚電場，即與圓心O₁等距各點的電場強度大小相同，方向沿徑向指向圓心O₁．磁分析器中以O₂為圓心、圓心角為90°的扇形區域內，分布著方向垂直于紙面的勻強磁場，其左邊界與靜電分析器的右邊界平行．由離子源發出一個質量為m、電荷量為q的正離子（初速度為零，重力不計），經加速電場加速后，從M點沿垂直于該點的電場方向進入靜電分析器，在靜電分析器中，離子沿半徑為R的四分之一圓弧軌道做勻速圓周運動，并從N點射出靜電分析器．而后離子由P點沿著既垂直于磁分析器的左邊界，又垂直于磁場方向射入磁分析器中，最后離子沿垂直于磁分析器下邊界的方向從Q點射出，并進入收集器．已知磁分析器中磁場的磁感應強度大小為B．
（1）求靜電分析器中離子運動軌跡處電場強度E的大小；
（2）求出Q點與圓心O₂的距離為d；
（3）若僅離子的質量變為m₁（m₁≠m），而離子的電荷量q及其他條件不變，試判斷該離子能否還從Q點射出磁分析器，并簡要說明理由．

Answer 1

【答案】分析：（1）離子經加速電場加速，根據動能定理求出獲得的速度．進入靜電分析器中，靜電力提供向心力，做勻速圓周運動，由牛頓第二定律求出E．
（2）離子在磁分析器中，由洛倫茲力提供向心力做勻速圓周運動，由牛頓第二定律求出軌跡半徑r，d=r．
（3）綜合上面的過程，求出離子在磁分析器中做勻速圓周運動的半徑與質量的關系，判斷該離子能否還從Q點射出磁分析器．
解答：解：（1）設離子進入靜電分析器時的速度為v，離子在加速電場中加速的過程中，根據動能定理 有
                   qU= ①
     離子在靜電分析器中做勻速圓周運動，根據牛頓第二定律  有②
     由①②解得
                     E=                      ③
     （2）離子在磁分析器中做勻速圓周運動，根據牛頓第二定律 有
                     qvB=m                   ④
      由題意可知，圓周運動的軌道半徑
                       r=d                      ⑤
      由②④⑤式解得               ⑥
    （3）設質量為m₁的離子經加速電場加速后，速度為v₁，
        根據動能定理  有           ⑦
   離子在靜電分析器中做勻速圓周運動，根據牛頓第二定律  有⑧
   由①②⑦⑧解得  質量為m₁的離子在靜電分析器中作勻速圓周運動的軌道半徑R₁=R，仍從N點射出靜電分析器，由P點射入磁分析器．             
   由②④式可知，離子在磁分析器中做勻速圓周運動的半徑 
         ，r₁≠r，
    故不能沿原來的軌跡從Q點射出磁分析器．
答：（1）靜電分析器中離子運動軌跡處電場強度E的大小為；
    （2）Q點與圓心O₂的距離為得；
    （3）若僅離子的質量變為m₁（m₁≠m），而離子的電荷量q及其他條件不變，該離子不能從Q點射出磁分析器．
點評：本題與常見的題目中不同之處在于靜電分析器中有會聚電場，離子由電場力提供向心力做勻速圓周運動．