1819習(xí)題課3　帶電粒子在有界磁場中的運動

1、習(xí)題課3帶電粒子在有界磁場中的運動學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)1.掌握幾種常見有界磁場的特點.2.會分析直線邊界、圓形邊界磁場中帶電粒子的運動軌跡.3.能利用幾何知識求解圓周運動的半徑.4.會分析有界磁場中的臨界問題合 作 探 究·攻 重 難帶電粒子在直線邊界勻強(qiáng)磁場中的運動1.有單平面邊界的磁場問題從單平面邊界垂直磁場射入的正、負(fù)粒子重新回到邊界時的速度大小、速度方向和邊界的夾角與射入磁場時相同2.有雙平行平面邊界的磁場問題帶電粒子由邊界上P點以如圖1所示方向進(jìn)入磁場圖1(1)當(dāng)磁場寬度d與軌跡圓半徑r滿足rd 時(如圖中的r1)，粒子在磁場中做半圓周運動后從進(jìn)入磁場時的邊界上的Q1點飛出磁場(

2、2)當(dāng)磁場寬度d 與軌跡圓半徑r 滿足r>d 時(如圖中的r2)，粒子將從另一邊界上的Q2點飛出磁場如圖所示，直線MN上方存在著垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，質(zhì)量為m、電荷量為q(q0)的粒子1在紙面內(nèi)以速度v1v0從O點射入磁場，其方向與MN的夾角30°；質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子2在紙面內(nèi)以速度v2v0也從O點射入磁場，其方向與MN的夾角60°.已知粒子1、2同時到達(dá)磁場邊界的A、B兩點(圖中未畫出)，不計粒子的重力及粒子間的相互作用(1)求兩粒子在磁場邊界上的穿出點A、B之間的距離d；(2)求兩粒子進(jìn)入磁場的時間間隔t.思路點撥：(1)根據(jù)速度方向和粒

3、子的電性畫出運動軌跡，利用幾何關(guān)系求出軌道半徑(2)粒子的運動具有對稱性，即進(jìn)、出磁場時的速度方向和邊界的夾角相等【解析】(1)粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動，有qvBm，則r故dOAOB2r1sin 30°2r2sin 60°.(2)粒子1做圓周運動的圓心角1粒子2圓周運動的圓心角2粒子做圓周運動的周期T粒子1在勻強(qiáng)磁場中運動的時間t1T粒子2在勻強(qiáng)磁場中運動的時間t2T所以tt1t2.【答案】(1)(2)(1)要按照“畫軌跡，找圓心，求半徑(利用幾何關(guān)系)”的基本思路進(jìn)行.(2)解題過程中注意對稱性的應(yīng)用.針對訓(xùn)練1如圖2所示，直線MN的上方存在著垂直于紙面向里、磁感應(yīng)

4、強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場現(xiàn)有一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的粒子在紙面內(nèi)以某一速度從A點射出，其方向與MN成30°角，A點到MN的距離為d，帶電粒子所受的重力不計求：圖2(1)當(dāng)v滿足什么條件時，粒子能回到A點；(2)粒子在磁場中運動的時間t. 【導(dǎo)學(xué)號：55282200】【解析】(1)粒子運動軌跡如圖所示，設(shè)粒子在磁場中運動的軌道半徑為r，由圖中的幾何關(guān)系可知r2d由牛頓第二定律有Bqvm聯(lián)立解得v.(2)由圖可知，粒子在磁場中運動的軌跡所對的圓心角為300°，所以tT.【答案】(1)(2)帶電粒子在圓形邊界勻強(qiáng)磁場中的運動1在圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域內(nèi)，沿徑向?qū)?zhǔn)磁場圓心射入的粒子一定

5、沿徑向射出如圖3所示，磁場圓半徑為R，粒子軌跡圓半徑為r，帶電粒子從P點對準(zhǔn)磁場圓心O射入，由幾何知識容易證明粒子從Q點飛出的速度方向的反向延長線必過磁場圓心O點圖32帶電粒子入射方向偏離圓形勻強(qiáng)磁場圓心射入的問題處理這類問題時一定要分清磁場圓和軌跡圓，并要注意區(qū)分軌跡圓的圓心和圓形邊界勻強(qiáng)磁場的圓心甲乙圖4(1)當(dāng)粒子沿圖4甲所示軌跡運動時，粒子在磁場中運動時間最長、速度偏轉(zhuǎn)角最大(2)由圖甲看出，在軌跡圓半徑和速度偏轉(zhuǎn)角一定的情況下，可實現(xiàn)此偏轉(zhuǎn)的最小磁場圓是以PQ為直徑的圓(3)如圖乙所示，由幾何知識很容易證明：當(dāng)rR時，相同帶電粒子從P點沿紙面內(nèi)不同方向射入磁場，它們離開磁場時的方向卻

6、是平行的在以坐標(biāo)原點O為圓心、半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)，存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場，如圖所示一個不計重力的帶電粒子從磁場邊界與x軸的交點A處以速度v沿x軸負(fù)方向射入磁場，它恰好從磁場邊界與y軸的交點C處沿y軸正方向飛出(1)請判斷該粒子帶何種電荷，并求出其比荷；(2)若磁場的方向和所在空間范圍不變，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)锽，該粒子仍從A處以相同的速度射入磁場，但飛出磁場時的速度方向相對于入射方向改變了60°角，求磁感應(yīng)強(qiáng)度B多大？此次粒子在磁場中運動所用時間t是多少？思路點撥：(1)粒子沿半徑方向進(jìn)入磁場后，仍會沿著半徑方向射出磁場(2)畫出運動軌跡并求出軌道半

7、徑是解答本題的關(guān)鍵【解析】(1)粒子的運動軌跡如圖所示，由左手定則可知，該粒子帶負(fù)電荷粒子由A點射入，由C點飛出，其速度方向改變了90°角，則粒子軌跡半徑Rr，又qvBm，則粒子的比荷.(2)設(shè)粒子從D點飛出磁場，速度方向改變了60°角，故AD弧所對圓心角為60°，粒子做圓周運動的半徑Rr，又R，所以BB，粒子在磁場中運動所用時間tT×.【答案】(1)負(fù)電荷(2)B針對訓(xùn)練2.如圖5所示，在圓形區(qū)域內(nèi)，存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場，ab是圓的一條直徑一帶正電的粒子從a點射入磁場，速度大小為2v，方向與ab成30°角時恰好從b點飛出磁場，粒子在磁場

8、中運動的時間為t.若僅將速度大小改為v，則粒子在磁場中運動的時間為(不計帶電粒子所受重力)() 【導(dǎo)學(xué)號：55282201】圖5A3tB.tC.t D2tD設(shè)圓形磁場半徑為R，粒子以速度2v射入磁場，半徑r1，由圖可得，r12R，運動時間t1·t；粒子以速度v射入磁場，半徑r2R，圓心角120°，運動時間t2·2t，選項D正確帶電粒子在有界磁場中的臨界問題帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動時，隨著帶電粒子速度大小的變化，而引起帶電粒子做圓周運動的半徑發(fā)生變化或者隨著帶電粒子速度方向的變化使帶電粒子的運動狀態(tài)在某一時刻發(fā)生變化找到臨界點對應(yīng)的條件是解決此類問題的

9、突破口解決此類問題應(yīng)注意以下結(jié)論：(1)剛好穿出或剛好不能穿出磁場的條件是帶電粒子在磁場中運動的軌跡與邊界相切(2)當(dāng)以一定的速率垂直射入磁場時，運動的弧長越長、圓心角越大，則帶電粒子在有界磁場中運動時間越長(3)當(dāng)比荷相同，速率v變化時，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運動的圓心角越大的，運動時間越長如圖所示，、為電場和磁場的理想邊界，一束電子(電量為e，質(zhì)量為m，重力不計)由靜止?fàn)顟B(tài)從P點經(jīng)過、間的電場加速后垂直到達(dá)邊界的Q點，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，磁場邊界寬度為d，電子從磁場邊界穿出時的速度方向與電子原來的入射方向夾角為30°.求：(1)電子在磁場中運動的時間t；(2)若改變PQ間的電

10、勢差，使電子剛好不能從邊界射出，則此時PQ間的電勢差U是多少？【解析】(1)由洛倫茲力提供向心力可得evB，且T得電子在磁場中運動周期T由幾何關(guān)系知電子在磁場中運動時間tTT解得t.(2)電子剛好不從邊界穿出時軌跡與邊界相切，運動半徑為Rd由evBm得v電子在PQ間由動能定理得eUmv20解得U.【答案】(1)(2)(1)帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的臨界問題往往是對應(yīng)著一些特殊的詞語，如“恰好”“剛好”“最大”“最小”“最高”“至少”等等，解題時應(yīng)予以特別關(guān)注.(2)畫出粒子運動的軌跡并根據(jù)幾何知識求得此時帶電粒子運動的軌道半徑往往是求解此類問題的關(guān)鍵.針對訓(xùn)練3.如圖6所示，在邊

11、長為a的正三角形區(qū)域內(nèi)存在著方向垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場一個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子(重力不計)從AB邊的中點O以某一速度v進(jìn)入磁場，粒子進(jìn)入磁場時的速度方向垂直于磁場且與AB邊的夾角為60°.若粒子能從AB邊穿出磁場，且粒子在磁場中運動的過程中，到AB邊有最大距離，則v的大小為()圖6A. B.C. D.C從AB邊以v射出的粒子符合題意的運動軌跡如圖所示由圖知：2ROB·cos 30°，OB，又有Bqv得v.隨 堂 自 測·即 時 達(dá) 標(biāo)(教師獨具)1.如圖所示，一半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場，一質(zhì)量為m、電

12、荷量為q的正電荷(重力忽略不計)以速度v沿正對著圓心O的方向射入磁場，從磁場中射出時速度方向改變了角磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為()A.B.C. D.B以速度v正對著圓心射入磁場，將背離圓心射出，軌跡圓弧的圓心角為，如圖，由幾何關(guān)系知軌跡圓半徑r，由半徑r解得B，選項B正確2.(多選)如圖所示，在x軸上方存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場一個質(zhì)量為m、電荷量大小為q(不計重力)的帶電粒子從坐標(biāo)原點O處以速度v進(jìn)入磁場，粒子進(jìn)入磁場時的速度方向垂直于磁場且與x軸正方向成120°角，若粒子在磁場中運動時到x軸的最大距離為a，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B和該粒子所帶電荷的正負(fù)可能是()A.，正電荷 B.，正電荷C.，負(fù)電荷 D.，負(fù)電荷BC如圖所示，若粒子帶正電，則ar(1sin 30°)，則B，選項B正確；若粒子帶負(fù)電，則ar(1sin 30°)，則B，選項C正確3.如圖所示，在真空中寬為d的區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，質(zhì)量為m、帶電量為q、速率為v0的電子從邊界CD外側(cè)垂直射入磁場