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确定带电粒子在磁场中运动轨迹的方法


确定带电粒子在磁场中运动轨迹的方法 江西省萍乡市上栗中学 彭俊昌 带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的问题是近几年高考的热点,这些考题不但涉及到洛伦兹力作用下 的动力学问题,而且往往与平面图形的几何关系相联系,成为考查学生综合分析问题、运用数字知识解决 物理问题的难度较大的考题。但无论这类问题情景多么新颖、设问多么巧妙,其关键一点在于规范、准确 地画出带电粒子的运动轨迹。只要确定了带

电粒子的运动轨迹,问题便迎刃而解。下面举几种确定带电粒 子运动轨迹的方法。 一、对称法 带电粒子如果从匀强磁场的直线边界射入又从该边界射出,则其轨迹关于入射点和出射点线段的中垂 线对称,且入射速度方向与出射速度方向与边界的夹角相等(如图 1);带电粒子如果沿半径方向射入具 有圆形边界的匀强磁场,则其射出磁场时速度延长线必过圆心(如图 2)。利用这两个结论可以轻松画出 带电粒子的运动轨迹,找出相应的几何关系。

例 1.如图 3 所示,直线 MN 上方有磁感应强度为 B 的匀强磁场。正、负电子同时从同一点 O 以与 MN 成 30°角的同样速度 v 射入磁场(电子质量为 m,电荷为 e),它们从磁场中射出时相距多远?射出的时 间差是多少?

解析:正、负电子的半径和周期是相同的。只是偏转方向相反。先确定圆心,画出半径和轨迹(如图

4),由对称性知:射入、射出点和圆心恰好组成正三角形。所以两个射出点相距 s=2r=

,由图还看

出经历时间相差 ,所以解此题的关键是找圆心、找半径和用对称。 例 2.如图 5 所示,在半径为 r 的圆形区域内,有一个匀强磁场。一带电粒子以速度 v0 从 M 点沿半径 方向射入磁场区,并由 N 点射出,O 点为圆心。当∠MON=120°时,求:带电粒子在磁场区的偏转半径 R 及在磁场区中的运动时间。

解析:分别过 M、N 点作半径 OM、ON 的垂线,此两垂线的交点 O'即为带电粒子作圆周运动时圆弧轨道 的圆心,如图 6 所示。 由图中的几何关系可知,圆弧 MN 所对的轨道圆心角为 60°,O、O'的边线为该圆心角的角平分线,由 此可得带电粒子圆轨道半径为 R=r/tan30°=

又带电粒子的轨道半径可表示为:

故带电粒子运动周期:

带电粒子在磁场区域中运动的时间

二、旋转圆法 在磁场中向垂直于磁场的各个方向发射速度大小相同的带电粒子时, 带电粒子的运动轨 迹是围绕发射点旋转的半径相同的动态圆(如图 7),用这一规律可快速确定粒子的运动轨 迹。

例 3. 如图 8 所示, S 为电子源, 它在纸面 360°度范围内发射速度大小为 v0, 质量为 m, 电量为 q 的电子(q<0),MN 是一块足够大的竖直挡板,与 S 的水平距离为 L,挡板左侧充 满垂直纸面向外的匀强磁场, 磁感应强度大小为 mv0/qL, 求挡板被电子击中的范围为多大?

解析:由于粒子从同一点向各个方向发射,粒子的轨迹为绕 S 点旋转的动态圆,且动态圆的每一个圆 都是逆时针旋转,这样可以作出打到最高点与最低点的轨迹,如图 9 所示,最高点为动态圆与 MN 的相切时 的交点 P,最低点为动态圆与 MN 相割,且 SQ 为直径时 Q 为最低点,带电粒子在磁场中作圆周运动,由洛

仑兹力提供向心力,由

得:

SQ 为直径,则:SQ=2L,SO=L ,由几何关系得: P 为切点,所以 OP=L ,所以粒子能击中的范围为


例 4.(2010 全国新课程卷)如图 10 所示,在 0≤x≤A.0≤y≤ 范围内有垂直于 xy 平面向外的匀 强磁场,磁感应强度大小为 B。坐标原点 O 处有一个粒子源,在某时刻发射大量质量为 m、电荷量为 q 的带 正电粒子,它们的速度大小相同,速度方向均在 xy 平面内,与 y 轴正方向的夹角分布在 0~90°范围内。

己知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于 到 a 之间, 从发射粒子到粒子全部离开磁场经历的时间恰好为 粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之一。求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的: (1)速度大小;(2)速度方向与 y 轴正方向夹角正弦。

解析:设粒子的发射速度为 v,粒子做圆周运动的半径为 R,由牛顿第二定律和洛仑兹

力公式得:

,解得:



从 O 点以半径 R(

<R<a)作“动态圆”,如图 11 所示,由图不难看出,在磁场中

运动时间最长的粒子,其轨迹是圆心为 C 的圆弧,圆弧与磁场的边界相切。设该粒子在磁场

中的运动时间为 t,依题意

,所以∠OCA=



设最后离开磁场的粒子的发射方向与 y 轴正方向的夹角为α ,由几何关系得:



,再加上



解得: 三、缩放圆法





带电粒子以大小不同, 方向相同的速度垂直射入匀强磁场中, 作圆周运动的半径随着速 度的变化而变化,因此其轨迹为半径缩放的动态圆(如图 12),利用缩放的动态圆,可以 探索出临界点的轨迹,使问题得到解决。

例 5.如图 13 所示,匀强磁场中磁感应强度为 B,宽度为 d,一电子从左边界垂直匀强 磁场射入,入射方向与边界的夹角为θ ,已知电子的质量为 m,电量为 e,要使电子能从轨 道的另一侧射出,求电子速度大小的范围。

解析:如图 14 所示,当入射速度很小时电子会在磁场中转动一段圆弧后又从同一侧射 出,速率越大,轨道半径越大,当轨道与边界相切时,电子恰好不能从另一侧射出,当速率 大于这个临界值时便从右边界射出,设此时的速率为 v0,带电粒子在磁场中作圆周运动,由 几何关系得:r+rcosθ =d ①

电子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力:

,所以:



联立①②解得:

,所以电子从另一侧射出的条件是速度大于

。 例 6.(2010 全国 II 卷)如图 15 所示,左边有一对平行金属板,两板的距离为 d,电 压为 U,两板间有匀强磁场,磁感应强度为 B0,方面平行于板面并垂直纸面朝里。图中右边 有一边长为 a 的正三角形区域 EFG(EF 边与金属板垂直),在此区域内及其边界上也有匀强 磁场,磁感应强度大小为 B,方向垂直纸面向里。假设一系列电荷量为 q 的正离子沿平行于 金属板面、垂直于磁场的方向射入金属板之间,沿同一方向射出金属板间的区域,并经 EF 边中点 H 射入磁场区域。不计重力。 (1)已知这些离子中的离子甲到达边界 EG 后,从边界 EF 穿出磁场,求离子甲的质量; (2)已知这些离子中的离子乙从 EG 边上的 I 点(图中未画出)穿出磁场,且 GI 长为 3a/4,求离子乙的质量; (3)若这些离子中的最轻离子的质量等于离子甲质量的一半,而离子乙的质量是最大 的,问磁场边界上什么区域内可能有离子到达?

解析:由题意知,所有离子在平行金属板之间做匀速直线运动,则有:qvB0=qU/d,解 得离子的速度为:v=U/B0d(为一定数值)。 虽然离子速度大小不变, 但质量 m 改变, 结合带电离子在磁场中做匀速圆周运动的半径 公式 R=mv/qB 分析, 可画出不同质量的带电离子在磁场中的运动轨迹, 如图 16 中的动态圆。 (1)由题意知,离子甲的运动轨迹是图 17 中的半圆,半圆与 EG 边相切于 A 点,与 EF

边垂直相交于 B 点,由几何关系可得半径:R 甲=acos30°tan15°=(

)a,

从而求得离子甲的质量 m 甲=



(2)离子乙的运动轨迹如图 18 所示,在Δ EIO2 中,由余弦定理得:

,解得 R 乙=a/4,

从而求得乙离子的质量 m 乙=



(3)由半径公式 R=mv/qB 可知 R∝m,结合(1)(2)问分析可得: ①若离子的质量满足 m 甲/2≤m≤m 甲,则所有离子都垂直 EH 边离开磁场,离开磁场的位

置到 H 的距离介于 R 甲到 2R 甲之间,即





②若离子的质量满足 m 甲<m≤m 乙,则所有离子都从 EG 边离开磁场,离开磁场的位置介

于 A 到 I 之间,其中 AE 的距离 AE= 四、临界法

,IE 距离 IE=



以题目中的“恰好”“最大”“最高”“至少”等词语为突破口,借助半径 r 和速度 v 以及磁场 B 之间的约束关系进行动态轨迹分析,确定轨迹圆和边界的关系,找出临界点,然 后利用数学方法求解极值,画出临界点的轨迹是解题的关键。

例 7.长为 L 的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁场,如图 19 所示,磁感应强度 为 B,板间距离也为 L,两极板不带电,现有质量为 m 电量为 q 的带负电粒子(不计重力) 从左边极板间中点处垂直磁感线以水平速度 v 射入磁场, 欲使粒子打到极板上, 求初速度的 范围。

解析:由左手定则判定受力向下,所以向下偏转,恰好打到下板右边界和左边界为两个 临界状态,分别作出两个状态的轨迹图,如图 20、图 21 所示,打到右边界时,在直角三角

形 OAB 中,由几何关系得:

解得轨道半径

电子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力

因此

打在左侧边界时,如图 21 所示,由几何关系得轨迹半径

电子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力,

所以

所以打在板上时速度的范围为

≤v≤

例 8.如图 22,一足够长的矩形区域 abcd 内充满磁感应强度为 B,方向垂直纸面向里 的匀强磁场,现从矩形区域 ad 边中点 O 射出与 Od 边夹角为 30°,大小为 v0 的带电粒子, 已知粒子质量为 m,电量为 q,ad 边长为 L,ab 边足够长,粒子重力忽略不计。求: (1)试求粒子能从 ab 边上射出磁场的 v0 的大小范围; (2)粒子在磁场中运动的最长时间和在这种情况下粒子从磁场中射出所在边上位置的 范围。

解析: (1)画出从 O 点射入磁场的粒子运动轨迹的动态圆,能够从 ab 边射出的粒子的 临界轨迹如图 23 所示,轨迹与 dc 边相切时,射到 ab 边上的 A 点,此时轨迹圆心为 O1,则

轨道半径 r1=L,由

得最大速度



轨迹与 ab 边相切时,射到 ab 边上的 B 点,此时轨迹圆心为 O2,则轨道半径 r2=L/3,由

得最小速度



所以粒子能够从 ab 边射出的速度范围为:

<v0<



(2)当粒子从 ad 边射出时,时间均相等,且为最长时间,因转过的圆心角为 300°,

所以最长时间:

,射出的范围为:OC=r2=L/3。

通过以上分析不难发现, 对于带电粒子在磁场中的运动问题, 解题的关键是画出带电粒 子在匀强磁场中的运动轨迹,如果能够熟练掌握带电粒子在磁场中运动轨迹的上述四种画 法,很多问题都可以迎刃而解


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