專題磁擴(kuò)散與磁聚焦課件

xOv0例、在xoy平面內(nèi)有很多質(zhì)量為m，電量為e的電子，從坐標(biāo)原點(diǎn)O不斷以相同速率沿不同方向射入第一象限，如圖

所示．現(xiàn)加一垂直于xOy平面向里、磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，要求這些入射電子穿過磁場都能平行于x軸且沿x軸正向運(yùn)動(dòng)，試問符合該條件的磁場的最小面積為多大？（不考慮電子間的相互作用）y1第1頁/共14頁電子由O點(diǎn)射入第Ⅰ象限做勻速圓周運(yùn)動(dòng)解1:xyOv0O1O2O3O4O5On所有電子的軌跡圓半徑相等，且均過

O點(diǎn)。這些軌跡圓的圓心都在以O(shè)為圓心，半徑為r的且位于第Ⅳ象限的四分之一圓周上，如圖所示。由圖可知，a、b、c、d

等點(diǎn)就是各電子離開磁場的出射點(diǎn)，均應(yīng)滿足方程x2

+(r－y)2=r2。即所有出射點(diǎn)均在以坐標(biāo)(0，r)為圓心的圓弧abO上，顯然，磁場分布的最小面積應(yīng)是實(shí)線1和圓弧abO所圍的面積，由幾何關(guān)系得2第2頁/共14頁x

=

rsinθ，

y

=

r－rcosθ

，得:

x2+(y－r)2=

r2。解2:

磁場上邊界如圖線1所示。設(shè)P(x，y)為磁場下邊界上的一點(diǎn)，經(jīng)過該點(diǎn)的電子初速度與x軸夾角為θ

，則由圖可知：xy1v0O

θP

(x,y)Orr所以磁場區(qū)域的下邊界也是半徑為r，圓心為(0，r)的圓弧應(yīng)是磁場區(qū)域的下邊界。兩邊界之間圖形的面積即為所求。圖中的陰影區(qū)域面積，即為磁場區(qū)域面積：第3頁/共14頁例、（2009·海南·T16）如圖，ABCD是邊長為a的正方形。質(zhì)量為m電荷量為e的電子以大小為v0的初速度沿紙面垂直于BC邊射入正方形區(qū)域。在正方形內(nèi)適當(dāng)區(qū)域中有勻強(qiáng)磁場，電子從BC邊上的任意點(diǎn)入射，都只能從A點(diǎn)射出磁場。不計(jì)重力，求：（1）此勻強(qiáng)磁場區(qū)域中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向；ABD

Cx（2）此勻強(qiáng)磁場區(qū)域的最小面積。yOv04第4頁/共14頁ACDEFp

qBO解：（1）設(shè)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B。令圓弧AEC是自C點(diǎn)垂直于BC入射的電子在磁場中的運(yùn)行軌道。依題意，圓心在A、C連線的中垂線上，故B點(diǎn)即為圓心，圓半徑為a，按照牛頓定律有ev0B=mv02/a，得B=mv0/ea。（2）自BC邊上其他點(diǎn)入射的電子運(yùn)動(dòng)軌道只能在BAEC區(qū)域中。因而，圓弧AEC是所求的最小磁場區(qū)域的一個(gè)邊界。因此，所求的最小勻強(qiáng)磁場區(qū)域，是分別以B和D為圓心、a為半徑的兩個(gè)四分之一圓周AEC和AFC所圍成的區(qū)域，其面積為S=2(πa2/4-a2/2)=(π-2)a2/25第5頁/共14頁（3）設(shè)某射中A點(diǎn)的電子速度方向與BA的延長線夾角為θ的情形。該電子的運(yùn)動(dòng)軌跡qpA如圖所示。圖中圓弧Ap的圓心為O，pq垂直于BC邊，圓弧Ap的半徑仍為a，在D為原點(diǎn)、DC為x軸、DA為y軸的坐標(biāo)系中，p點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，則x=asinθ，y=-acosθ。由④⑤式可得：x2+y2=a2，這意味著在范圍0≤θ≤π/2內(nèi)，θ

p點(diǎn)處在以D為圓心、a為半徑的四分之一圓周AFC上，它是電子做直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的分界線，構(gòu)成所求磁場區(qū)域的另一邊界。磁聚焦概括：平行會(huì)聚于一點(diǎn)一點(diǎn)發(fā)散成平行RRr6第6頁/共14頁r區(qū)域半徑

R與運(yùn)動(dòng)半徑

r相等遷移與逆向、對稱的物理思想！例、（2009年浙江卷）如圖，在xOy平面內(nèi)與y軸平行的勻強(qiáng)

電場，在半徑為R的圓內(nèi)還有與xOy平面垂直的勻強(qiáng)磁場。在圓的左邊放置一帶電微粒發(fā)射裝置，它沿x軸正方向發(fā)射出一束具有相同質(zhì)量m、電荷量q(q＞0)和初速度v的帶電微粒。發(fā)射時(shí)，這束帶電微粒分布在0＜y＜2R的區(qū)間內(nèi)。已知重力加速度大小為g。（1）從A點(diǎn)射出的帶電微粒平行于x軸從C點(diǎn)進(jìn)入有磁場區(qū)域，

并從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿y軸負(fù)方向離開，求電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向。請指出這束帶電微粒與x軸相交的區(qū)域，并說明理由。在這束帶電磁微粒初速度變?yōu)閤yRO/Ov帶點(diǎn)微粒發(fā)射裝2v，那么它們與x軸相交的區(qū)域又在

置哪里？并說明理由。C7第7頁/共14頁xyRO/裝帶置點(diǎn)微粒發(fā)射CP

vQrO圖(c)xRO/vCAxRvQPOR

O/θO圖(a)圖(b)【答案】（1）；方向垂直于紙面向外（2）見解析（3）與x同相交的區(qū)域范圍是x>0.yy【解析】

略【關(guān)鍵】

圖示第8頁/共14頁8例、如圖，在xOy平面內(nèi)，有以O(shè)′(R，0)為圓心，R為半徑的圓形磁場區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直xOy平面向外，在y=R上方有范圍足夠大的勻強(qiáng)電場，方向水平向右，電場強(qiáng)度大小為E。在坐標(biāo)原點(diǎn)O處有一放射源，可以在xOy平面內(nèi)向y

軸右側(cè)（x

>0）發(fā)射出速率相同的電子，已知電子在該磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑也為R，電子電量為e，質(zhì)量為m。不計(jì)重力及阻力的作用。求電子射入磁場時(shí)的速度大?。凰俣确较蜓豿軸正方向射入磁場的電子，求它到達(dá)y軸所需要的時(shí)間；（3）求電子能夠射到y(tǒng)軸上的范圍。xyOEO′R9第9頁/共14頁例、如圖所示，在

xOy平面上－H<y<H的范圍內(nèi)有一片稀疏的電子，從

x軸的負(fù)半軸的遠(yuǎn)外以相同的速率

v0沿x軸正向平行地向

y軸射來，試設(shè)計(jì)一個(gè)磁場區(qū)域，使

得：(1)所有電子都能在磁場力作用下通過原點(diǎn)

O；

(2)這一片電子最后擴(kuò)展到

－2H<y<2H

范圍內(nèi)，繼續(xù)沿

x

軸正向平行地以相同的速率

v0向遠(yuǎn)處射出。已知電子的電量為

e，質(zhì)量為

m，不考慮電子間的相互作用。xv0y2HH-2HO-Hv010第10頁/共14頁v0v0對稱思想例、(2008·重慶高考)如圖為一種質(zhì)譜儀工作原理示意圖。在以O(shè)為圓心，OH為對稱軸，夾角為2α的扇形區(qū)域內(nèi)分布

著方向垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場。對稱于OH軸的C和D分別是離子發(fā)射點(diǎn)和收集點(diǎn)。CM垂直磁場左邊界于M，且

OM=d?，F(xiàn)有一正離子束以小發(fā)散角（紙面內(nèi)）從C射出，這些離子在CM方向上的分速度均為v0。若該離子束中比

荷為q/m的離子都能會(huì)聚到D，試求：磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向（提示：可考慮沿CM方向運(yùn)動(dòng)的離子為研究對象）；離子沿與CM成θ

角的直線

CN進(jìn)入磁場，其軌道半徑和在磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；線段CM的長度。11第11頁/共14頁解：（1）如圖所示，設(shè)沿CM方向運(yùn)動(dòng)的離子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為R，由R=d

，qv0B

=mv0

/R2可得

B=mv0/qd，磁場方向垂直紙面向外。（2）設(shè)沿CN運(yùn)動(dòng)的離子速度大小為v，

在磁場中的軌道半徑為R′，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為tR′=mv/qB

=

d/cosθ。由

vcosθ=

v0，

得v

=

v0/cosθ。設(shè)弧長為s，t=s/v，s=2(θ+α)

R′離子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=

2πm

/Bq，

得：t=(3)

CM=MNcotθ由正弦定理得=R′=mv/qB

=

d/cosθ。以上3式聯(lián)立求解得

CM=d

cotα第12頁/共14頁12例、如圖，在直角坐標(biāo)系

xOy

中，點(diǎn)M(0，1)處不斷向

+y方向

發(fā)射出大量質(zhì)量為

m、帶電量為

–q

的粒子，粒子的初速度大小廣泛分布于零到

v0之間。已知這些粒子此后所經(jīng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為

B，方向垂直于紙面向里，所有粒子都沿

+xabcN方向經(jīng)過b區(qū)域，都沿

－y的方向通過點(diǎn)