带电粒子在磁场中运动的轨迹欣赏.pdf

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1、1 1一朵梅花一朵梅花例 1如图所示，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝 a、b、c 和 d，外筒的外半径为 r，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小为 B。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场。 一质量为、 带电量为q 的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝 a 的 S 点出发，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点 S，则两电极之间的电压 U 应是多少（不计重力，整个装置在真空中）解析：解析：如图所示，设粒子进入磁场区的速度大小为 V，根据动能定理，有设粒子做匀速圆周运动的半径为 R，由洛伦兹

2、力公式和牛顿第二定律，有：由上面分析可知，要回到 S 点，粒子从 a 到 d 必经过 4 圆周，所以半径 R 必定等于筒的外半径 r，即 R=r由以上各式解得感受美：该粒子运动的轨迹构成了一朵“四只花辨”的鲜艳的油菜花qB2r2U 拓展拓展 1 1：该圆筒上平行于轴线均匀分布的若是“六条狭缝” ，当电压6m时，粒子经过一段运动后也能回到原出发点。感受美：该运动轨迹构成了 “六只花辨”的怒放的梅花拓拓展展 2 2：该圆筒上平行于轴线均匀分布的若是“n 条狭缝” ，当电压qB r时，粒子经过一段运动后也能回到原出发点，并且粒子做匀速U tan2mn圆周运动的半径R rtann感受美：粒子的运动轨迹

3、构成了一朵“n 只花辨”盛开的鲜花。拓展拓展 3 3：若圆筒上只在 a 处有平行于轴线的狭缝，并且粒子与圆筒外壁发生了 n222qB r次无能量损失和电量损失的碰撞后恰能回到原出发点，则加速电压U tan2mn1并且粒子运动的半径R rtann1感受美：该运动轨迹也构成了一朵“n 只花辨” 盛开的鲜花（右图为五次碰撞的情形） 。2222 2一座“拱桥”一座“拱桥”例 2 如图所示， 在 x 轴上方有垂直于 xy 平面的匀强磁场， 磁感应强度为 B，在 x 轴下方有沿 y 轴负方向的匀强电场，场强为 E，一质量为 m，电量为q 的粒子从坐标原点 O 沿着 y 轴正方向射出，射出之后，第三次到达x

4、 轴时，它与 O点的距离为 L，求此时粒子射出时的速度和运动的总路程（重力不计）解析：画出粒子运动轨迹如图所示，形成“拱桥”图形。 由题知粒子轨道半径所以由牛顿定律知粒子运动速率为对粒子进入电场后沿 y 轴负方向做减速运动的最大路程 y 由动能定理知：所以粒子运动的总路程为3 3、一个电风扇、一个电风扇例 3、据有关资料介绍，受控热核聚变反应装置中有极高的温度，因而带电粒子将没有通常意义上的容器可装， 而是由磁场约束带电粒子运动将其束缚在某个区域内，现按下面的简化条件来讨论这个问题，如图所示，有一个环形区域，其截3外半径为 R2=，区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，已知面内半径为R1m3磁感应强

5、度 B= T，被束缚粒子的荷质比为(1)若中空区域中的带电粒子沿环的半径方向射入磁场，求带电粒子不能穿越磁场外边界的最大速度 v0.(2)若中空区域中的带电粒子以 （1)中的最大速度 v0沿圆环半径方向射入磁场，求带电粒子从进入磁场开始到第一次回到该点所需要的时间 t4 4、一朵葵花、一朵葵花例 4据有关资料介绍，受控热核聚变反应装置中有级高的温度，因而带电粒子将没有通常意义上的容器可装， 托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，由磁场将高温、高密等离子体约束在有限的范围内，现按下面的简化条件来讨论这个问题，如图所示，有一个环形区域，其截面内半径为R1=a，外半径为 R2=(2

6、-1)a,环形区域内有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为 B。被磁场围住的中心区域为反应区，反应区内质量为 m，电量为 q的带电粒子， 若带电粒子由反应区沿各个不同射入磁场区域，不计带电粒子重力和运动过程中的相互作用，则；1、要求所有带电粒子均不能穿过磁场外界，允许带电粒子速度的最大值m多大2、若一带电粒子以上述最大速度从边界上某点沿圆环半径方向垂直射入磁场，求带电粒子从进入磁场开始到第一次回到出发点所用的时间 t.5 5、一枚铜钱、一枚铜钱例 5、如图所示为圆形区域的匀强磁场,磁感应强度为 B、方向垂直纸面向里,边界跟 y 轴相切于坐标原点 O。O 点处有一放射源，沿纸面向各个方向射出速率

7、均为 v 的某种带电粒子， 带电粒子在磁场中做圆周运动的半经是圆形磁场区域半径的两倍。已知该带电粒子的质量为 m、电荷量为 q，不考虑带电粒子的重力。1、推导带电粒子在磁场空间作圆周运动的轨道半径；2、求带电粒子通过磁场空间的最大偏角；3、沿磁场边界放置绝缘弹性挡板，使粒子与挡板碰撞后以原速率弹回，且其电荷量保持不变。若从 O 点沿 x 轴正方向射入磁场的粒子速度的已减小为 v2，求该粒子第一次回到 O 点经历的时间。6 6、一滴水珠、一滴水珠例 6、如图所示，真空中分布着有界的匀强电场和两个均垂直于纸面，但方向相反的匀强磁场，电场的宽度为 L，电场强度为 E，磁场的磁感应强度都为 B，且右边

8、磁场范围足够大一带正电粒子质量为 m，电荷量为 q，从 A 点由静止释放经电场加速后进入磁场，穿过中间磁场进入右边磁场后能按某一路径再返回 A点而重复上述过程，不计粒子重力，求：（1）粒子进入磁场的速率 v；（2）中间磁场的宽度 d（3）求粒子从 A 点出发到第一次回到 A 点所经历的时间 t。7 7、一个美丽的吸顶灯罩、一个美丽的吸顶灯罩例 7 如图所示， 两个同心圆是磁场的理想边界， 内圆半径为 R， 外圆半径为 R，磁场方向垂直于纸面向里，内外圆之间环形区域磁感应强度为B，内圆的磁感应强度为 B/3。t=0 时一个质量为 m，带q 电量的离子（不计重力） ，从内圆上的A 点沿半径方向飞进

9、环形磁场，刚好没有飞出磁场。（1）求离子速度大小（2）离子自 A 点射出后在两个磁场间不断地飞进飞出，从 t=0 开始经过多长时间第一次回到 A 点（3）从 t=0 开始到离子第二次回到 A 点，离子在内圆磁场中运动的时间共为多少、依题意在外磁场轨迹与外圆相切，如图由牛顿第二定律：mv2/r1=qvB2 分由图中几何关系得：得：2 分由以上各式得：2 分、离子从 A 出发经 C、D 第一次回到 A 轨迹如图，在内圆的磁场区域：mv2/r2=qvB/3可得：1 分周期：1 分由几何关系可知：=/6在外磁场区域的周期：1 分由几何关系可知：=4/3离子 ACDA 的时间：2 分1 分、从 t=0

10、开始到离子第二次回到 A 点，离子在内圆磁场中共运动 6 次，时间为t2：2 分得：1 分例 8、如图所示，半径分别为 a、b 的两同心虚线圆所围空间分别存在电场和磁场，中心O 处固定一个半径很小（可忽略）的金属球，在小圆空间内存在沿半径向内的辐向电场，小圆周与金属球间电势差为U，两圆之间的空间存在垂直于纸面向里的匀强磁场，设有一个带负电的粒子从金属球表面沿x 轴方向以很小的初速度逸出，粒子质量为 m，电量为 q， （不计粒子重力，忽略粒子初速度）求：（1）粒子到达小圆周上时的速度为多大（2）粒子以（ 1）中的速度进入两圆间的磁场中，当磁感应强度超过某一临界值时，粒子将不能到达大圆周，求此最小

11、值 B。（3）若磁感应强度取（2）中最小值，且 b（1）a，要粒子恰好第一次沿逸出方向的反方向回到原出发点， 粒子需经过多少次回旋并求粒子在磁场中运动的时间。 （设粒子与金属球正碰后电量不变且能以原速率原路返回）8 8、一沿抛物线（或直线）上升的气泡、一沿抛物线（或直线）上升的气泡例 9、如图所示，在xoy 的平面内加有空间分布均匀、大小随时间周期性变化的电场和磁场，变化规律如乙图所示（规定竖直向上为电场强度的正方向，垂直纸面向里为磁感应强度的正方向） 。在 t=0 时刻，质量为 m、电荷量为 q 的带正电粒子自坐标原点 O 处以0=2m/s 的速度沿 x 轴正方向水平射出。已知电场强度，磁感

12、应度，不计粒子重力。求：（1）1s 末粒子速度的大小和方向；（2）1s2s 内，粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期；（3）画出 04s 内粒子的运动轨迹示意图（要求：体现粒子运动特点） ；（4）(2n-1)s2ns（n=1,2,3,）n 内粒子运动至最高点的位置坐标。9 9、一幅窗帘或一块磁砖、一幅窗帘或一块磁砖例 10、如图所示：由光滑绝缘壁围成的正方形（边长为a）匀强磁场区域的磁感强度为 B，质量为 m、电量为 q 的正粒子垂直于磁场方向和边界从下边界正中央的 A 孔射入该磁场中， 粒子碰撞时无能量和电量损失， 不计粒子重力和碰撞时间，粒子运动半径小于 a，要使粒子仍能从A 孔射出，求粒子

13、的入射速度和粒子在磁场中的运动时间1010、一串“葡萄”、一串“葡萄”例 11 如图（甲）所示，两块水平放置的平行金属板，板长L=,板距 d=30cm。两板间有 B=,垂直于纸面向里的匀强磁场。 在两板上加如图 （乙） 所示的脉冲电压。在 t=0 时，质量 m=210-15kg，电量为 q=110-10C 的正离子，以速度为4103m/s 从两板中间水平射入。试求：粒子在板间做什么运动画出其轨迹。1111、一颗“心脏”、一颗“心脏”例 12 如图所示,以 ab 为分界面的两个匀强磁场,方向均垂直于纸面向里,其磁感应强度 B1=2B2,现有一质量为 m,带电量为+q 的粒子,从 O 点沿图示方向

14、以速度 v进入 B1中,经过时间 t=_粒子重新回到 O 点(重力不计)1212、一只漂亮的蝴蝶、一只漂亮的蝴蝶例 13如图（a）所示，在平面上的范围内有一片稀疏的电子，从 x 轴的负半轴的远处以相同的速率沿 x 轴正向平行地向 y 轴射来试设计一个磁场区域，使得（1）所有电子都能在磁场力作用下通过原点 O；（2）这一片电子最后扩展到22范围内，继续沿 x 轴正向平行地以相同的速率向远处射出已知电子的电量为、质量为，不考虑电子间的相互作用1313、一个古朴的窗口、一个古朴的窗口例 14、如图所示，与纸面垂直的竖直面MN 的左侧空间中存在竖直向上场强大小为 E=102N/C 的匀强电场 （上、

15、下及左侧无界） 。 一个质量为 m=、 电量为 q=102C的可视为质点的带正电小球，在 t=0 时刻以大小为 v0的水平初速度向右通过电场中的一点 P， 当 t=t1时刻在电场所在空间中加上一如图所示随时间周期性变化的磁场，使得小球能竖直向下通过 D 点，D 为电场中小球初速度方向上的一点，PD 间距为 L，D 到竖直面 MN 的距离 DQ 为 L。设磁感应强度垂直纸面向里为正。 （g=10m/s2）（1 1）如果磁感应强度）如果磁感应强度B B0 0为已知量，试推出满足条件时为已知量，试推出满足条件时 t t1 1的表达式（用题中所给的表达式（用题中所给物理量的符号表示）物理量的符号表示）（2 2） 若小球能始终在电场所在空间做周期性运动。若小球能始终在电场所在空间做周期性运动。则当小球运动的周期最大时，则当小球运动的周期最大时，求出磁感应强度求出磁感应强度 B B0 0及运动的最大周期及运动的最大周期 T T 的大小的大小