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复合场是指电场和磁场同时存在的空间区域。在复合场中,带电粒子同时受到电场力和磁场力的作用。电场力的大小为qE,方向沿电场方向,与粒子速度无关。磁场力的大小为qvB,方向垂直于速度和磁场,遵循左手定则。电场中粒子做直线运动,磁场中粒子做圆周运动。
速度选择器是复合场的重要应用。当电场力和磁场力平衡时,qE等于qvB,可得出v等于E除以B。只有速度刚好等于E/B的粒子能够直线通过选择器。速度大于E/B的粒子会向一侧偏转,速度小于E/B的粒子会向另一侧偏转,从而实现速度选择功能。
回旋加速器利用磁场使粒子做圆周运动,电场提供加速。粒子的回旋周期T等于2πm除以qB,与速度无关,这是同步加速的关键。每次通过电场间隙时获得加速,速度增大,轨道半径r等于mv除以qB也随之增大,形成螺旋向外的运动轨迹。
质谱仪由三个关键部分组成:离子源产生离子,速度选择器筛选特定速度的离子,偏转室中离子在磁场作用下做圆周运动。根据半径公式r等于mv除以qB,可得荷质比m/q等于rB除以v。通过测量不同离子的偏转半径,就能确定它们的荷质比,实现质量分析。
分析复杂复合场中的粒子运动需要系统方法。首先分解运动,将复杂轨迹分解为简单的直线、圆弧和抛物线段。然后分段分析每个区域内的受力和运动规律。最后用边界条件连接各段运动,确保速度和位置的连续性。整个过程中要注意能量守恒和动量变化的分析。