带电粒子在有界磁场中运动(超经典)..#(优选.)

1、带电粒子在有界磁场中运动的临界问题“临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条件” “动量中的避免碰撞问题”等等，这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。一、解题方法画图一动态分析一找临界轨迹。（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算了这一般都不难。）二、常见题型 （B为磁场的磁感应强度，V0为粒子进入磁场的初速度）,叫方向一定，大小不确定第一关1.5确定 <

2、例大d一定，方向不确定第二类工见大，卜方向都不确定第三类«W确定第四类2.B不确定 f1 .大小一定，方向不，定一第五小分述如下：第一类问题：例1如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为 B宽度为d,边界为CD和EF。一电子从 CD边界外侧以速率 vo垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为8。已知电子的质量为 mI电荷量为e,为使电子能从磁场的另一侧 EF射出，求电子的速率 vo至少多大？图1图2分析：如图2,通过作图可以看到：随着 V0的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边 界EF相切，然后就不难解答了。第二类问题:例2如图3所示，水平线 MNF方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀

3、强磁场，在MNi±某点O正下方与之相距 L的质子源S,可在纸面内360。范围内发射质量为 m电量 为e、速度为v°=BeUm的质子，不计质子重力，打在 MN上的质子在 O点右侧最远距离 O仔,打在 O点左侧最远距离 O®。分析：首先求出半径得r=L,然后作出临界轨迹如图 4所示（所有从 S发射出去的质子 做圆周运动的轨道圆心是在以 S为圆心、以r=L为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆 就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），O快嘉工,oql。【练习】如图5所示，在屏MNB勺上方有磁感应强度为 B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面 向里。P为屏上的一

4、小孔，PC与MNB直。一群质量为 m带电荷量为一q的粒子（不计重力），word.B垂直的平面内，且散开在与（ ）PC夹角为e的范围内，则在屏 MN上被粒子打中的区域的长度为2wv tos a2雁却一 £心2 Mp(1 cos&)CA.BD .一阳N以相同的速率v,从P处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域。粒子入射方向在与磁场分析：如图6所示，打在屏上距 p最远的点是以 o为圆心的圆与屏的交点，打在屏上最近的点是以Q或O为圆心的圆与屏的交点 （与例2相似，可先作出一系列动态圆）。故答案选 “D'。例3 （2009年山东卷）如图甲所示，建立 Oxy坐标系，两平行极板 P、Q垂

5、直于y轴且关 于x轴对称，极板长度和板间距均为l ,第一、四象限有磁场，方向垂直于Oxy平面向里。位于极板左侧的粒子源沿 x轴向右连续发射质量为 mi电量为+q、速度相同、重力不计的带（不考虑极板边缘的影响）电粒子。在03t 0时间内两板间加上如图乙所示的电压.Q-XXXXXXXXXX X xExX XX 工XX-Ucf0 a t图乙图甲已知t=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在t0时刻经极板边缘射入磁场。上述m q、1、卜、B为已知量。(不考虑粒子间相互影响及返回极板间的情况)(1)求电压U0的大小。J(2)求之to时刻进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。(3)何时进入两板间的带电粒

6、子在磁场中的运动时间最短？求此最短时间。图丙1分析：粒子进入电场做类平抛运动，由平抛运动规律即可求得偏转电压U0；t=2to时刻进入的粒子先做类平抛运动，之10后沿末速度方向做匀速直线运动，利用相应规律可求得射出电场的速度大小，进入磁场后做匀速圆周运动，洛仑兹力提供向心力，可求提半径R； 2t0时刻进入的带电粒子加速时间最长(如图丙所示)，加上此时粒子进入磁场是向上偏转，故运动时间最短，同样应用类平抛运动规律和圆周运动规律，即可求得此最短时间。第四类问题：例4如图7所示，磁感应强度大小B=0. 15T、方向垂直纸面向里的匀强磁场分布在半径R=0. 10m的圆形区域内，圆的左端跟 y轴相切于直角

7、坐标系原点O,右端跟荧光屏 MNf切于x轴上的A点。置于原点的粒子源可沿 x轴正方向射出速度 V0=3. 0x106m/s的带正电 的粒子流，粒子的重力不计，荷质比q/m=1. 0xi0 8C/kg。现以过O点并垂直于纸面的直线为轴，将圆形磁场逆时针缓慢旋转90。，求此过程中粒子打在荧光屏上离A的最远距离。分析：本题可先设想磁场是无界的，那么粒子在磁场中运动的一段圆弧如图8中的弧O（半径r=2R=0. 20m,圆心为O'）,现在圆形磁场以 O为轴在旋转相当于直径 OA也在旋转， 当直径OA旋转至O愉置时，粒子从圆形磁场中离开射向荧光屏 MN寸离A有最远距离（落OC = r ten 点为

8、F）。图中O如等边三角形，FD与O' 0 2延长交于C点，图中0=60。，之，S ACS =-加= 0.15mAC= 2R-OC ? 0HH_练习：如图9所示，一个质量为 3 带电荷量为+ q的粒子以速度vo从O点沿y轴正方向 射入磁感应强度为 B的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，粒子飞出磁场区域后， 从x轴上的b点穿过，其速度方向与x轴正方向的夹角为30° ,粒子的重力可忽略不计， 试 求：（1）圆形匀强磁场区域的最小面积；（2）粒子在磁场中运动的时间；（3） b到O的距离。分析：如图10,过b点作速度的反向延长线交 y轴于C点，作/ OCb的角平分线交x轴 于O,

9、再以O为圆心、以OO为半径画弧，与直线Cb相切于点A,粒子运动的轨迹即为 O-2 b, 圆形磁场即为以OA直直径的圆，利用相关物理公式及几何知识不难计算出本题的结果。第五类问题：例5电子质量为mi电荷量为e,从坐标原点 O处与X xOy平面射入第一象限， 射入时速 度方向不同，速度大小均为V0,如图11所示。现在某一区域加一方向向外且垂直于 xOy平面 的匀强磁场，磁感应强度为 B,若这些电子穿过磁场后都能垂直射到荧光屏MN上，荧光屏与y轴平行，求：（1）荧光屏上光斑的长度；（2）所加磁场范围的最小面积。分析：本题可先作出这些射入第一象限的电子做圆周运动的轨道圆心的集合，必在弧OC2上（如图1

10、2）,然后设想以该弧上的各点（如图12中的O等四点）为圆心作出粒子运动的轨迹，最终垂直射到 MNk白P PQ间，所以荧光屏上光斑的长度即为PQ=R=mv/eB；所加磁场范围即为图中由弧 OOOO所围的区域，其中弧 OO可看成是由弧OO向上平移R得到的。练习：例5若改为“磁场方向垂直于 xOy平面向里，荧光屏MNt至y轴右侧，"其他条 件不变，情况又怎样呢？读者可试作分析。（所加磁场的最小范围为一 “树叶”形状）综合以上题型，我们可以看到，这些问题的解答很能体现学生的分析思维能力以及想象能力，要求学生能够由一条确定的轨迹想到多条动态轨迹，并最终判定临界状态， 这需要在平时的复习中让学生

11、能有代表性地涉猎一些习题，才能在高考应试中得心就手，应对自如。例析用圆心轨迹确定带电粒子在磁场中运动区域问题同种带电粒子从同一点以相同速率、沿不同方向进入同一匀强磁场中，粒子可能达到的区域的确定是教学中常遇, 例分析。学生感到棘手，高考又考查的问题。现就此类问题举题目1 （2005年全国高考） 如图1,在一水平放置的平板 MN的上方有一匀强磁 场，磁感应强度的大小为 B ,磁场方向垂直纸面向里，许多质量为 m、带电荷量为+ q 的粒子，以相同的速率 V0沿位于纸面内的各个方向，由小孔 O射入磁场区域。不计重力，不计粒子间的相互影响。图2中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域，其中r =m vo析

12、与解 依据题意，所有带电粒子在磁场中做圆周运动的半径相同r = m Vo/B q所以，在纸面内由O点沿不同方向入射的带电粒子作圆周运动的圆心轨迹是以O为圆心,r为半径的圆周(A图中虚线圆示)。又因为带电粒子带正电、进磁场时只分布在以ON和OM为边界的上方空间，而向心力由洛仑兹力提供，它既指向圆心又始终垂直速度，可确定：圆心轨迹只能是 A图中虚线圆直径分隔的左半边虚线圆周；再以 A图中左半 虚线圆上各点为圆心、以 r为半径作圆，圆周在磁场中所能达到的区域应为 A图阴影 区。所以A图正确。题目2如图3所示，有许多电子(每个电子的质量为 m ,电量为e)在xOy平面 内从坐标原点O不断地以相同大小的

13、速度 vo沿不同方向射入第一象限。现加上一个方 向向里垂直于xOy平面、磁感应强度为 B的匀强磁场，要求这些电子穿过该磁场后都 能平行于x轴并向x轴的正方向运动。试求符合该条件的磁场的最小面积。析与解 因为所有电子都在匀强磁场中作半径为r = m vo/B e的匀速圆周运动。而沿y轴的正方向射入的边缘电子需转过 1/4圆周才能沿 x轴的正方向运动，它的轨迹应为所求最小面积磁场区域的上边界如图中弧线 a,其圆心在垂直入射速度的 x轴上Oi ( r , 0)。现设沿与x轴成任意角a (0 < a < 90° )射入的电子在动点p离开磁场。这些从 O 点沿不同方向入射的电子做圆

14、周运动的圆心O'到入射点O的距离又都为半径r。所以，O'形成一个以入射点 O (即坐标原点)为圆心、r为半径的1/4圆弧轨迹如图3中弧线c。根据题目要求，各电子射出磁场时速度v要为平行x轴的正方向。故由做圆周运动的物体的圆心又应在垂直出射速度的直线上可知，从不同点p射出的电子的圆心O'又必在对应出射点 p的正下方，即曲线c上各点到对应正上方出射点p的距离也都等于r；因此将1 /4圆弧轨迹c沿y轴正向平移距离后如图中弧线b,弧线b就是各出射点p的轨迹，它实际是以 O2 (0 , r)为圆心，半径为r的1/4圆弧；既然点p是出射点-即磁场的下边界，故弧线 b应为所求最小面积

15、磁场区域的下边界。所以， 所求面积为图中弧线a与b所围阴影面积。由几何得：，起=2 x E - J J4=2 Xr3 力4将一笠代入露Be2由露带电粒子在磁场中的圆周运动”解析2011-12-15 13:58:53| 分类： 高三物理 |字号大中小 订阅处理带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题，其本质是平面几何知识与物理知识的综合运用。重要的 是正确建立完整的物理模型，画出准确、清晰的运动轨迹。下面我们从基本问题出发对“带电粒子在磁场 中的圆周运动”进行分类解析。一、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的基本型问题找圆心、画轨迹是解题的基础。带电粒子垂直于磁场进入一匀强磁场后在洛仑兹力作用下必作匀速圆

16、周运动，抓住运动中的任两点处的速度，分别作出各速度的垂线，则二垂线的交点必为圆心；或者用垂径 定理及一处速度的垂线也可找出圆心；再利用数学知识求出圆周运动的半径及粒子经过的圆心角从而解答 物理问题。【例1】图示在y<0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外，磁场的磁感应强度为B; 一带正电的粒子以速度 V0从。点射入磁场中，入射方向在 xy平面内，与x轴正方向的夹角为 8;若粒子射出磁场的位置与 。点的距离为L。求该粒子的电荷量和质量比 用：粒子在磁场中的运动时间。分析：粒子受洛仑兹力后必将向下偏转，过。点作速度V0的垂线必过粒子运动轨迹的圆心 0 ;由于圆的对称性知粒

17、子经过点 P时的速度方向与x轴正方向的夹角必为。，故点P作速度的垂线与点。处速度垂线的交点即为圆心 0 （也可以用垂径定理作弦 OP勺垂直平分线与点 。处速度的垂线的交点也为圆心）。LsirR 由图可知粒子圆周运动的半径由及2式有2蚯口日。再由洛仑兹力作向心力得出粒子在柳不 吟L q 2% Bin 6Xlu - .，磁场中的运动半径为硅故有西 231ns ,解之附 BL由图知粒子在磁场中转过的圆心角为值二24一 2Q ,故粒子在磁场中的运动时间为a2tf(% L 91 2加11 = 1穴工埠 sin &【例2】如图以ab为边界的二匀强磁场的磁感应强度为Bi = 2B2,现有一质量为 m

18、带电+q的粒子从O点以初速度V0沿垂直于ab方向发射；在图中作出粒子运动轨迹，并求出粒子第6次穿过直线ab所经历的时间、路程及离开点。的距离。（粒子重力不计）分析：粒子在二磁场中的运动半径分别为凡二竽旦二筌3* ，,由粒子在磁场中所受的洛仑兹力的方向可以作出粒子的运动轨迹如图所示。粒子从点O出发第6次穿过直线ab时的位置必为点P;故粒子运动经历的时间为=,而粒子的运动周期2nm承工代入前式有2班a o粒子经过的路程5=乳码+码）=竺*吗。点o与p的距离为二、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的范围型问题寻找引起范围的“临界轨迹”及“临界半径R0,然后利用粒子运动的实际轨道半径R与R的大小关系确定范

19、围。【例3】如图所示真空中宽为d的区域内有强度为B的匀强磁场方向如图，质量m带电-q的粒子以与CD成9角的速度M垂直射入磁场中；要使粒子必能从EF射出则初速度M应满足什么条件？ EF上有粒子射出的区域?cXIEF射出,则相应的临界分析：粒子从A点进入磁场后受洛仑兹力作匀速圆周运动，要使粒子必能从 轨迹必为过点A并与EF相切的轨迹如图示，作出 A、P点速度的垂线相交于 0即为该临界轨迹的圆心,临界半径品由4有 1十匚白；故粒子必能穿出EF的实际运动轨迹半径R> R0,qBdvc 2有, 一产由图知粒子不可能从 P点下方向射出EF,即只能从P点上方某一区域射出；又由于粒子从点A进入磁场后受洛

20、仑兹力必使其向右下方偏转，故粒子不可能从AG直线上方射出；由此可见 EF中有粒子射出的区域为PG且由图知Fc_* =氏 口 si ti 日 + d c ot 白二d sin g1 + cos【例4】如图所示S为电子射线源能在图示纸面上和360。范围内向各个方向发射速率相等的质量为m带电-e的电子，MN是一块足够大的竖直档板且与 S的水平距离OS= L,档板左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场；若电子的发射速率为 防,要使电子一定能经过点 0,则磁场的磁感应强度 B的条件？若磁场的磁感应强度为B,要使S发射出的电子能到达档板，则电子的发射速率多大？若磁场的磁感应强度为B,从S发射出的电子的速度为胸 ，

21、则档板上出现电子的范围多大？分析：电子从点S发出后必受到洛仑兹力作用而在纸面上作匀速圆周运动，由于电子从点 S射出的方向不同将使其受洛仑兹力方向不同，导致电子的轨迹不同，分析知只有从点S向与S0成锐角且位于S0上方发射出的电子才可能经过点 0。要使电子一定能经过点 0,即S0为圆周的一条弦，则电子圆周运动的轨道半径必满足2 ,由要使电子从s发出后能到达档板，则电子至少能到达档板上的0点，故仍有粒子圆周运动半径1 wv0 L eBLsin 值=一> % ?4 ,由* 2有 加2bBL当从s发出的电子的速度为 何 时，电子在磁场中的运动轨迹半径期二丝二2上* ，但由于故电子击中档板的范围在P

22、1P2间；对SPi弧由图知0/:£ =辰且该电子的发射方向与SO必成30°向SO下方发射;对SB弧由图知。鸟=屁二,且该电子的发射方向与电子发射出的方向不同则其轨道不同，因而到达MN反的位置不同。由此作出图示的二临界轨迹 工遮，然，成a为窜二3一10*所/£而向SO的左上方发射。三、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的极值型问题寻找产生极值的条件：直径是圆的最大弦；同一圆中大弦对应大的圆心角；由轨迹确定半径的 极值。【例5】图中半径r= 10cm的圆形区域内有匀强磁场，其边界跟y轴在坐标原点。处相切；磁场B= 0.33T 垂直于纸面向内，在O处有一放射源S可沿纸面向各

23、个方向射出速率均为 产=3.2乂10"腑/占的a粒子； 已知a粒子质量为第=6.6试10 27蛔，电量中=3.2*10 % ,则a粒子通过磁场空间的最大偏转 角9及在磁场中运动的最长时间 t各多少？分析：a粒子从点O进入匀强磁场后必作匀速圆周运动，其运动半径由定；由于a粒子从点。进入磁场的方向不同故其相应的轨迹与出场位置均不同，则粒子通过磁场的速度偏向角。不同；要使a粒子在运动中通过磁场区域的偏转角9最大，则必使粒子在磁场中运动经过的弦长最大；因而圆形磁场区域的直径 OP即为粒子在磁场中运动所经过的最大弦；故 a粒子从点O入磁场而从点P出场的轨迹如图圆 0所对应的圆弧示，该弧所对的圆

24、心角即为最大偏转角9 o由前面计算知 SO/PT 1 27r 加必为等边三角形，故 a =30°且。=2“=60°。此过程中粒子在磁场中运动的时间由 = 654x10心即为粒子在磁场中运动的最长时间。【例6】一质量mr带电q的粒子以速度V0从A点沿等边三角形 ABC的AB方向射入强度为B的垂直于纸面的圆形匀强磁场区域中，要使该粒子飞出磁场后沿BC射出，求圆形磁场区域的最小面积分析：由题中条件求出粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径为一定，故作出粒子沿AB进入磁场而从BC射出磁场的运动轨迹图中虚线圆所示，只要小的一段圆弧PQ能处于磁场中即能完成题中要求；故由直径是圆的最大弦可得圆

25、形磁场的最小区域必为以直线PQ为直径的圆如图中实线圆所示。由于三角形ABC为2r = PQ - 2R cos & - y13 酒"等边三角形，故图中 a=30° ,那么叮习，故最小磁场区域的面积为%* -O【例7】有一粒子源置于一平面直角坐标原点。处，如图所示相同的速率 V。向第一象限平面内的不同方向发射电子，已知电子质量为 m,电量为e。欲使这些电子穿过垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场后，都能平行于x轴沿+x方向运动，求该磁场方向和磁场区域的最小面积So分析：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R= mv/Be是确定的，设磁场区域足够大，作出电子可能的运动轨道

26、如图所示，因为电子只能向第一象限平面内发射，所以电子运动的最上面一条轨迹必为圆 O,它就是磁场的上边界。其它各圆轨迹的圆心所连成的线必为以点O为圆心，以R为半径的圆弧 OQQ。由于要求所有电子均平行于 x轴向右飞出磁场，故由几何知识有电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。 如对图中任一轨迹圆 Q而言，要使电子能平行于 x轴向右飞出磁场，过Q作弦的垂线QA,则电子必将从点 A飞出，相当于将此轨迹的圆心 Q沿y方向平移了半径 R即为此电子的出场位置。由此可见我们将轨迹的 圆心组成的圆弧QQO沿y方向向上平移了半径 R后所在的位置即为磁场的下边界，图中圆弧OA七。综上 所述，要求的磁场的最小区域为弧

27、OAP与弧OBP所围。利用正方形 OOPC的面积减去扇形 OOP的面积即为OBPC勺面积；即R2-无R2/4。根据几何关系有最小磁场区域的面积为S=2 (R2-无R2/4 )=(无/2 -1)( mv/Be)2 o四、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的多解型问题抓住多解的产生原因：速度方向的不确定引起的多解，与自然数相关的多解即粒子运动时间与运 动周期的倍数不确定。【例8】在前面“【例4】”中若将档板取走，磁场磁感应强度为B,当电子以速率 . 从点S射出后要击中O点，则点S处电子的射出方向与 OS的夹角为多少？从 S到点O的时间多少？分析：由已知条件知电子圆周运动的半径夕耳 ，电子从点s射出后要

28、经过点 o即直线so为圆的一条弦，由图知必有两种运动轨迹存在；由于题中SO= L = r,故/OSO=60° ,那么电子从点 S的发 射速度V2的方向与SO所成的夹角“=30° ;图中/ OSOi=60° ,故电子的发射速度 Vi的方向与SO所成的 夹角。=150°【例9】一质量m带电q的粒子以速率 V垂直射入磁感应强度为 B的匀强磁场中，粒子经过一段时间受到的冲量的大小为 mv,粒子重力不计。则此过程经历的时间为多少？R =分析：粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径事8，右图示设粒子的初位置为 a,因其受冲量的大小为mv而方向未知故必有右图中的两种情况，即

29、未动量的方向有Pi、P2两个，对应的冲量方向仍有 Ii、12两个。粒子作匀速圆周运动中动量的大小始终为mv不变，由动量定理一 口 可知 白而T-用一+ 1) 一6 ；故粒子在该过程中经历的时间为63qB，其中展犷【例10】在半径为r的圆筒中有沿筒轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B; 一质量为m带电+q的粒子以速度V从筒壁A处沿半径方向垂直于磁场射入筒中；若它在筒中只受洛仑兹力作用且与筒壁发生弹性碰撞，欲使粒子与筒壁连续相碰撞并绕筒壁一周后仍从A处射出；则B必须满足什么条件？带电粒子在磁场中的运动时间？分析：由于粒子从A处沿半径射入磁场后必作匀速圆周运动，要使粒子又从 A处沿半径方向射向磁场，且

30、粒子与筒壁的碰撞次数未知，故设粒子与筒壁的碰撞次数为n （不含返回A处并从A处射出的一次），由2开1 林Q =-=图可知 用十1 2 咫十1 ,其中n为大于或等于2的整数（当n=1时即粒子必沿圆 O的直径作直线_ *RJ* tan a：= rtan运动，表示此时B=0）;由图知粒子圆周运动的半径 R为力+1 ,再由粒子在磁场- WV 不R = B =cot中的运动半径目H可求出q尸8+1。T=粒子在磁场中的运动周期为,粒子每碰撞一次在磁场中转过的角度由图得.入 1& - 7V- 2d =7T依+1 ,粒子从A射入磁场再从A沿半径射出磁场的过程中将经过n+1段圆弧，故粒子at =（题 +

31、1T运动的总时间为：2k ,将前面B代入T后与日共同代入前式得、&（烈-1）加重+1）T = ，t油2n v第十1。五、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的动力学问题注意洛仑兹力不做功，洛仑兹力的方向将随物体的运动方向的变化而发生相应的变化；正确结合变速圆周运动中的动力学关系与能量守恒定律处理【例11】金属小球质量 m带电-q,由长L的绝缘细线悬挂于图示匀强磁场中的。点，然后将小球拉到。= 600处由静止释放，小球沿圆弧运动到最低点时悬线上的张力恰好为0;求磁场的磁感应强度 B=?小球住复摆动中悬线上的最大张力多少？分析：小球从点A由静止释放后在绕点 。运动中必同时受到重力、线的拉力及洛仑

32、兹力作用，由左手定则知小球从A向P运动中洛仑兹力方向必沿半径指向圆心，且洛仑兹力对小球不做功；故小球到达P(1 - cosd)点的速度大小为2；小球在P点受力如图示由圆周运动有小球从右向左运动或从左向右运动中由于所受洛仑兹力的方向将发生变化故悬线上的张力大小将作相应的变化，分析可知当小球从左向右运动经过点p时线上的张力必有最大值，小球从左向右经过点p时的速度大小仍为工有F 4卬 J ；小球从左向右过P点时其受到的洛仑兹力方向必沿半径向外，故P点处线上的张力Tp为E可得J 己 5 s 百 ，将。 餐及。=600代入前式得总之在处理带电粒子在磁场中的匀速圆周运动问题中，我们必须将物理规律与数学知识

33、紧密结合，准确分析粒子运动过程及临界状态与极值条件；处理带电粒子在磁场中的变速圆周运动问题时，时刻注意洛仑兹力的方向变化并在解答中注意洛仑兹力不做功，正确利用动力学规律与能量守恒定律。带电粒子在磁场中运动的六类高考题型归类解析2011-12-14 21:44:40| 分类：高三物理 |字号大中小订阅一、带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动基本问题找圆心、画轨迹是解题的基础。带电粒子垂直于磁场进入一匀强磁场后在洛伦兹力作用下必作匀速圆周运动，抓住运动中的任两点处的速度，分别作出各速度的垂线，则二垂线的交点必为圆心；或者用垂径定理及一处速度的垂线也可找出圆心；再利用数学知识求出圆周运动的半径及粒子经过

34、的圆心角从而解答物理问题。(04天津)社核9口上司发生衰变生成镭核能期并放出一个粒子。设该粒子的质量为浴、 电荷量为q,它进入电势差为 U的带窄缝的平行平板电极和工 间电场时，其速度为 % , 经电场加速后，沿口汇方向进入磁感应强度为 B、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场，白汇垂|直平板电极 * ,当粒子从户点离开磁场时，其速度方向与 已汇方位的夹角8= 60口，如图所 示，整个装置处于真空中。(1)写出性核衰变方程；(2)求粒子在磁场中沿圆弧运动的轨道半径R;(3)求粒子在磁场中运动所用时间 七。解析：(1)社核衰变方程(2)设粒子离开电场时速度为v ,对加速过程有卒口田-m粒子在磁场中有反

35、由、得匹臣用行(3)粒子做圆周运动的回旋周期t = -T粒子在磁场中运动时间6 dt -由、得 邓氢二、带电粒子在磁场中轨道半径变化问题导致轨道半径变化的原因有：带电粒子速度变化导致半径变化。如带电粒子穿过极板速度变化；带电粒子使空气电离导致速度变化；回旋加速器加速带电粒子等。 磁场变化导致半径变化。如通电导线周围磁场，不同区域的匀强磁场不同；磁场随时间变化。动量变化导致半径变化。如粒子裂变，或者与别的粒子碰撞；电量变化导致半径变化。如吸收电mvr =荷等。总之，由 ©F看m v、q、B中某个量或某两个量的乘积或比值的变化就会导致带电粒子的轨道半径变化。（06年全国2）如图所示，在x

36、<0与x>0的区域中，存在磁感应强度大小分别为Bi与B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，且Bi>E2o 一个带负电的粒子从坐标原点。以速度v沿x轴负方向射出，要使该粒子经过一段时间后又经过O点，B与B的比值应满足什么条件？解析：粒子在整个过程中的速度大小恒为V,交替地在xy平面内B与B2磁场区域中做匀速圆周运动，轨迹都是半个圆周。设粒子的质量和电荷量的大小分别为 的半径分别为和2,有m和q,圆周运动ri=祖 心=弓弓 分析粒子运动的轨迹。如图所示，在xy平面内，粒子先沿半径为 ri的半圆G运动至y轴上离O点距离为2 r i的A点，接着沿半径为2 r 2的半圆D运动至y轴的O

37、点，OO距离d= 2 （2 r 1）产（25此后，粒子每经历一次“回旋”（即从y轴出发沿半径ri的半圆和半径为 一的半圆回到原点下方y轴），粒子y坐标就减小do设粒子经过n次回旋后与y轴交于O点。若OO即nd满足 nd=2ri（J则粒子再经过半圆G+1就能够经过原点，式中n = 1, 2, 3,为回旋次数。由式解得弓理+1由式可得B、8应满足的条件4 盟+1n=1, 2, 3,三、带电粒子在磁场中运动的临界问题和带电粒子在多磁场中运动问题带电粒子在磁场中运动的临界问题的原因有： 粒子运动范围的空间临界问题； 磁场所占 据范围的空间临界问题， 运动电荷相遇的时空临界问题等。 审题时应注意恰好，最

38、大、最多、 至少等关键字（07全国1）两平面荧光屏互相垂直放置，在两屏内分别取垂直于两屏交线的直线为x轴和y轴，交点。为原点，如图所示。在 y>0, 0<x<a的区域有垂直于纸面向里的匀强磁场， 在y>0, x>a的区域有垂直于纸面向外的匀强磁场，两区域内的磁感应强度大小均为Bo在（点处有一小孔，一束质量为mr带电量为q （q>0）的粒子沿x轴经小孔射入磁场，最后打在竖直和水平荧光屏上，使荧光屏发亮。入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各种数值.已知速度最大的粒子在 0<x<a的区域中运动的时间与在x>a的区域中运动的时间之比为2: 5

39、,在磁场中运动的总时间为 7T/12 ,其中T为该粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中作圆周运动的周期。试求两个荧光屏上亮线的范围（不计重力的影响）。产解析：粒子在磁感应强度为 b的匀强磁场中运动半径为： 城 a速度小的粒子将在 x<a的区域走完半圆，射到竖直屏上。半圆的直径在y轴上，半径的 范围从。到a,屏上发亮的范围从0到2a。轨道半径大于a的粒子开始进入右侧磁场， 考虑尸a的极限情况，这种粒子在右侧的圆轨迹与x轴在D点相切（虚线），O!=2a,这是水平屏上发亮范围的左边界。速度最大的粒子的轨迹如图中实线所示，它由两段圆弧组成，圆心分别为C和C' , C在y轴上，有对称性可知 &

40、#165;在x=2a直线上。设11为粒子在0<x<a的区域中运动的时间，12为在x>a的区域中运动的时间，由题意可知_ 277%3 i ? 12T5T上】二一二由此解得：612由式和对称性可得WCW=60"3UP = 360° x2=15CT12 所以加,F=15CT-60:90即弧长AP为1/4圆周。因此，圆心 C在x轴上。设速度为最大值粒子的轨道半径为R,有直角AC。0r可得在二巫2K sin &CT 二 2以3 为由图可知OP=2a+R,因此水平荧光屏发亮范围的右边界的坐标四、带电粒子在有界磁场中的极值问题寻找产生极值的条件： 直径是圆的最大

41、弦； 同一圆中大弦对应大的圆心角；由轨迹确定半径的极值。有一粒子源置于一平面直角坐标原点O处，如图所示相同的速率 V0向第一象限平面内的不同方向发射电子，已知电子质量为m,电量为e。欲使这些电子穿过垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场后，都能平行于 x轴沿+x方向运动，求该磁场方向和磁场区域的最小 面积s。解析：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R= mv/Be是确定的，设磁场区域足够大，作出电子可能的运动轨道如图所示，因为电子只能向第一象限平面内发射，所以电子运动的最上面一条轨迹必为圆 O,它就是磁场的上边界。 其它各圆轨迹的圆心所连成的线必为 以点。为圆心，以R为半径的圆弧 OQQ。由于

42、要求所有电子均平行于x轴向右飞出磁场，故由几何知识有电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。如对图中任一轨迹圆 O而言，要使电子能平行于x轴向右飞出磁场，过 Q作弦的垂线O2A,则电子必将从点 A飞出，相当于 将此轨迹的圆心 Q沿y方向平移了半径 R即为此电子的出场位置。 由此可见我们将轨迹的圆 心组成的圆弧 QQ。沿y方向向上平移了半径 R后所在的位置即为磁场的下边界，图中圆弧 OAM。综上所述，要求的磁场的最小区域为弧OA叫弧OBP所围。利用正方形 OOPC的面积减去扇形OOP的面积即为OBPC勺面积；即R2-兀R 2/4。根据几何关系有最小磁场区域的面 积为 S= 2 ( R2-兀 R 2

43、/4 )=(兀 /2 -1)( mv/Be) 2。五、带电粒子在复合场中运动问题复合场包括：磁场和电场，磁场和重力场，或重力场、电场和磁场。有带电粒子的平衡 问题，匀变速运动问题，非匀变速运动问题， 在解题过程中始终抓住洛伦兹力不做功这一特 点。粒子动能的变化是电场力或重力做功的结果。(07四川)如图所示，在坐标系Oxy的第一象限中存在沿 y轴正方形的匀强电场， 场强 大小为E。在其它象限中存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里。A是y轴上的一点，它到座标原点O的距离为h; C是x轴上的一点，到 O点的距离为1, 一质量为m电荷量为q 的带负电的粒子以某一初速度沿x轴方向从A点进入电场区域，继而通过C点进入大磁场区域，并再次通过 A点。此时速度方向与 y轴正方向成锐角。不计重力作用。试求：(1)粒子经过C点时速度的大小合方向；(2)磁感应强度的大小区解析：(1)以a表示粒子在电场作用下的加速度，有第"Q加速度沿y轴负方向。设粒子从A点进入电场时的初速度为v。,由A点运动到C点经历h = at的时间为t,则有 之 V0 =IJ由式得戊设粒子从点进入磁场时的速度为v, v垂直于x轴的分量由式得设粒子经过C点时的速度方向与 x轴的夹角为“，则有tan a =用a = arctan