多反射飞行时间质谱仪是一种测量离子质量的新型实验仪器，其基本原理如图所示，从离子源A处飘出的离子初速度不计，经电压为U的匀强电场加速后射入质量分析器。质量分析器由两个反射区和长为l的漂移管（无场区域）构成，开始时反射区1、2均未加电场，当离子第一次进入漂移管时，两反射区开始加上电场强度大小相等、方向相反的匀强电场，其电场强度足够大，使得进入反射区的离子能够反射回漂移管。离子在质量分析器中经多次往复即将进入反射区2时，撤去反射区的电场，离子打在荧光屏B上被探测到，可测得离子从A到B的总飞行时间。设实验所用离子的电荷量均为q，不计离子重力。

（1）求质量为m的离子第一次通过漂移管所用的时间；

（2）反射区加上电场，电场强度大小为E，求离子能进入反射区的最大距离x；

（3）已知质量为的离子总飞行时间为，待测离子的总飞行时间为，两种离子在质量分析器中反射相同次数，求待测离子质量。

答案

（1）；（2）；（3）

【解析】

【详解】（1）设离子经加速电场加速后的速度大小为v，有

                                                                               ①

离子在漂移管中做匀速直线运动，则

                                                                                    ②

联立①②式，得

                                                                               ③

（2）根据动能定理，有

                                                                             ④

得                                                                                  ⑤

（3）离子在加速电场中运动和反射区电场中每次单向运动均为匀变速直线运动，平均速度大小均相等，设其为，有

                                                                                     ⑥

通过⑤式可知，离子在反射区的电场中运动路程是与离子本身无关的，所以不同离子在电场区运动的总路程相等，设为，在无场区的总路程设为，根据题目条件可知，离子在无场区速度大小恒为v，设离子的总飞行时间为。有

                                                                              ⑦

联立①⑥⑦式，得

                                                                      ⑧

可见，离子从A到B的总飞行时间与成正比。由题意可得

可得

                                                                             ⑨