带电粒子在磁场中的运动题型归纳中学教育高中教育_中学教育-高中教育.pdf

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1、 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的圆心角从而解答物理问题。（04天津）钍核发生衰变生成镭核并放出一个粒子。设该粒子的质量为、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间电场时，其速度为，经电场加速后，沿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，垂直平板电极，当粒子从点离开磁场时，其速度方向与方位的

2、夹角，如图所示，整个装置处于真空中。（1）写出钍核衰变方程；（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。解析:（1）钍核衰变方程 （2）设粒子离开电场时速度为，对加速过程有 粒子在磁场中有 由、得 （3）粒子做圆周运动的回旋周期 粒子在磁场中运动时间 由、得 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

3、的粒子碰撞；电量变化导致半径变化。如吸收电荷等。总之，由看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。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的圆心角从而解答平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由

4、得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（06年全国 2）如图所示，在x0 与x0 的区域中，存在磁感应强度大小分别为B1与B2的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，且B1B2。一个带负电的粒子从坐标原点 O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，B1与B2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B1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m和q，圆周运动的半径分别为和r2，有 r1

5、r2 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r1的半圆C1运动至y轴上离O点距离为 2 r1的A点，接着沿半径为 2 r2的半圆D1运动至y 轴的O1点，O1O距离 d2（r2r1）此后，粒子每经历一次“回旋”（即从y轴出发沿半径r1的半圆和半径为r2的半圆回到原点下方y轴），粒子y坐标就减小d。设粒子经过n 次回旋后与y 轴交于On点。若OOn即nd满足 nd2r1 则粒子再经过半圆Cn+1就能够经过原点，式中 n1，2，3，为回旋次数。由式解得 由式可得B1、B2应满足的条件 n1，2，3，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

6、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平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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 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

7、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 O为原点，如图所示。在 y0，0 x0，xa 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 B。在 O点处有一小孔，一束质量为 m、带电量为 q（q0）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 xa 的区域中

8、运动的时间之比为 2：5，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）。解析：粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中运动半径为：速度小的粒子将在xa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 0 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r=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），OD=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在y轴上，有对称性可知在x=

9、2a直线上。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的圆心角从而解答平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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

10、电离导致速度变化回 设t1为粒子在 0 xa的区域中运动的时间，由题意可知 由此解得：由式和对称性可得 所以 即弧长 AP为 1/4 圆周。因此，圆心在x轴上。设速度为最大值粒子的轨道半径为R，有直角可得 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：直径是圆的最大弦；同一圆中大弦对应大的圆心角；由轨迹确定半径的极值。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的圆心角从而解答平板电

11、极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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 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

12、 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 Rmv0/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 O1，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 O1O2On。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 O2而言，要使电子能平行于 x 轴向右飞出磁场，过 O2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

13、 O2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 O1O2On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 OAP示。综上所述，要求的磁场的最小区域为弧 OAP与弧 OBP所围。利用正方形 OO1PC的面积减去扇形 OO1P的面积即为 OBPC的面积；即 R2-R2/4。根据几何关系有最小磁场区域的面积为 S2（R2-R2/4）（/2-1）（mv0/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

14、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l，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：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

15、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平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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 （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B。解析：（1）以 a 表示粒子在电场作用下的加速度，有 加速度沿 y 轴负方向

16、。设粒子从 A点进入电场时的初速度为 v0，由 A点运动到 C点经历的时间为 t，则有 由式得 设粒子从点进入磁场时的速度为v，v 垂直于 x 轴的分量 v1 由式得 v1 设粒子经过 C点时的速度方向与 x 轴的夹角为，则有 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的圆心角从而解答平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写

17、出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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 tan 由式得 （2）粒子经过 C点进入磁场后在磁场中作速率为 v 的圆周运动。若圆周的半径为 R，则有 设圆心为 P，则 PC必与过 C点的速度垂且有R。用表示与 y轴的夹角，由几何关系得 由式解得 R 由式得 B 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

18、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平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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六、带电粒子在磁场中的周期性和多解问题 多解形成原因：带电粒子的电性不确定形成多解；磁场方向不确定形成多解；临界状态的不唯一形成多解，在有界

19、磁场中运动时表现出来多解，运动的重复性形成多解，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；若它在筒中只受洛伦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），由图可知其中 n 为大于或等于 2 的整数（当 n1 时即粒子必沿圆

20、 O的直径作直线运动，表示此时 B0）；由图知粒子圆周运动的半径 R，再由粒子在磁场中的运动半径可求出。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，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，故粒子运动的总时间为：，将前面 B代入 T后与共同代入前式得。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的圆心角从而解答平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直

21、平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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 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的圆心角从而解答平板电极和间电场时其速度为经电场加速后沿方向进入磁感应强度为方向垂直纸面向外的有界匀强磁场垂直平板电极当粒子从点离磁场时其速度方向与方位的夹角如图所示整个装置处于真空中写出钍核衰变方程求粒子在磁场中沿圆场中有由得粒子做圆周运动的回旋周期粒子在磁场中运动时间由得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