带电粒子在复合场中运动.doc

带电粒子在复合场中运动 1知识点拨复合场（1）指电场、磁场和重力场并存，或其中两场并存，或分区存在。(组合场和叠加场)（2）电场力和重力对带电体做功与路径无关，而磁场力对带电体不做功运动分析（1）当带电体所受合力为零时，将处于静止或匀速直线运动状态。（2）当带电体作匀速圆周运动时，合外力提供向心力。（3）当带电体作受合力大小与方向均变化时，将作非匀变速曲线运动。解题方法及关键（1）寻找突破口（程序法：顺藤摸瓜，逆向思维法：反其道而行之，中间处理法：打蛇要打七寸）（2）画好轨迹图（在画图的基础上特别注意运用几何知识寻找关系）（3）巧选力学规律（力和运动的关系：根据带电粒子所受的力，运用牛顿第二定律并结合运动学规律求解功能关系：根据场力及其它外力对带电粒子做功引起的能量变化或全过程中的功能关系，从而可确定带电粒子的运动情况，这条线索不但适用于均匀场，也适用于非均匀场因此要熟悉各种力做功的特点在解决带电粒子在复合场中的运动问题时，正确分析带电粒子的受力情况及运动特征是解题的前提，灵活选用力学规律是解题的关键。解决这类题时一定要注意临界条件的挖掘：如“恰好”、“最大”、“最多”、“至少”等关键词，往往是解题的突破口。）2典型问题分析类型一：带电粒子在组合场里的运动例1：在如图所示的直角坐标系中，在y0的区域内有一垂直于 xOy平面的匀强磁场，在第四象限内有一平行于x轴方向的匀强电场。现使一个质量为m的带电粒子，从坐标原点O以速度V沿y轴正方向射入匀强磁场，带电粒子从点 P（a，0）射出磁场，最后再从Q点射出匀强电场，射出电场时粒子速度跟y轴的夹角为120 0。（粒子重力不计）求： 带电粒子从O点射入磁场，到达P点经历的时间。 匀强电场的场强与匀强磁场的磁感应强度大小的比值。解：（1）由题意可得，在磁场中运动如图所示OP=a=2R 所以 故（2）设匀强电场的场强大小为E，粒子在Q点射出电场的速度为Vt 即与y轴的夹角为 ， 则 tan = 所以 故针对训练：v0MNB1如图所示，两导体板水平放置，两板间电势差为U, 带电粒子以某一初速度v0沿平行于两板的方向从两板正中间射入，穿过两板后又垂直于磁场方向射入边界线竖直的匀强磁场，则：粒子射入磁场和射出磁场的M、N两点间的距离d随着U和v0的变化情况为（ ）A、d随v0增大而增大，d与U无关 B、d随v0增大而增大，d随U增大而增大C、d随U增大而增大，d与v0无关 D、d随v0增大而增大，d随U增大而减小v0MNBvrdO(b)(a)vv0解析：带电粒子射出电场时速度的偏转角为，如图所示，有：，又，而，A正确2在如图所示的空间区域里，y轴左方有一匀强电场，场强方向跟y轴负方向成30角，大小为E = 40105N/C，y轴右方有一垂直纸面的匀强磁场，有一质子以速度0 = 2.0106m/s由x轴上A点（OA = 10cm）第一次沿x轴正方向射入磁场，第二次沿x轴负方向射入磁场，回旋后都垂直射入电场，最后又进入磁场，已知质子质量m为1610-27kg，求：（1）匀强磁场的磁感应强度；（2）质子两次在磁场中运动的时间之比；（3）质子两次在电场中运动的时间各为多少 【解析】（1）如图所示，设质子第一、第二次由B、C两点分别进入电场，轨迹圆心分别为O1和O2所以：sin30 = ，R = 2OA，由B = = 0.1T，得（2）从图中可知，第一、第二次质子在磁场中转过的角度分别为210和30，则 = = （3）两次质子以相同的速度和夹角进入电场，所以在电场中运动的时间相同由x = 0t和y = t2以及tan30 = 由以上解得t = = 10-7s类型二：带电粒子在叠加场里的运动例2:在某个空间内有一个水平方向的匀强电场，电场强度，又有一个与电场垂直的水平方向匀强磁场，磁感强度B10T。现有一个质量m210-6kg、带电量q210-6C的微粒，在这个电场和磁场叠加的空间作匀速直线运动。假如在这个微粒经过某条电场线时突然撤去磁场，那么，当它再次经过同一条电场线时，微粒在电场线方向上移过了多大距离。（取10mS2）【解析】 题中带电微粒在叠加场中作匀速直线运动，意味着微粒受到的重力、电场力和磁场力平衡。进一步的分析可知：洛仑兹力f与重力、电场力的合力F等值反向，微粒运动速度V与f垂直，如图2。当撤去磁场后，带电微粒作匀变速曲线运动，可将此曲线运动分解为水平方向和竖直方向两个匀变速直线运动来处理，如图3。由图2可知：又：解之得： 由图3可知，微粒回到同一条电场线的时间则微粒在电场线方向移过距离针对训练：1 如图所示，两块水平放置的金属板长L=1.40m，间距为d=0.30m。两板间有B=1.25T，方向垂直纸面向里的匀强磁场。两板电势差U=1.5103v，上板电势高。当t=0时，质量m=2.0010-15kg，电量q= 1.0010-10C的正粒子，以速度V=4.00103m/s从两板中央水平射入。不计重力，试分析： 粒子在两板间如何运动？ 粒子在两板间的运动时间是多少？变式训练11：若上板电势变化如图所示，下板电势始终为零。其他条件不变，试分析： 粒子在两板间如何运动？ 粒子在两板间的运动时间是多少？解：（1）电场力 F=qE= =510 -7 N （竖直向下） 洛伦兹力 F=Bqv= 510 -7 N （竖直向上） 即 粒子所受两力平衡 所以，粒子应该做匀速直线运动。 运动的时间 t= =3.510-4s（2）在t=0 10-4s内，粒子做匀速直线运动，位移为 L0= vt=0.4m 在10-4 210-4 s内无电场，粒子只在洛伦兹力作用下作匀速圆周运动，轨道半径为 r= =6.410-2m T= = 10-4 s 所以,粒子不会打到极板上;并在无电场的时间内,恰好在磁场中运动一周。当两板间又周期性加上电压时，粒子又重复上述运动，轨迹如图粒子运动的总时间为 t=t1 +t2= +3T =6.510-4s 2如图所示的坐标系，x轴沿水平方向，y轴沿竖直方向。在x轴上方空间的第一、第二象限内，既无电场也无磁场，在第三象限，存在沿y轴正方向的匀强电场和垂直xy平面（纸面）向里的匀强磁场，在第四象限，存在沿y轴负方向、场强大小与第三象限电场场强相等的匀强电场。一质量为m、电荷量为q的带电质点，从y轴上y = h处的P1点以一定的水平初速度沿x轴负方向进入第二象限。然后经过x轴上x=-2h处的P2点进入第三象限，带电质点恰好能做匀速圆周运动。之后经过y轴上y=-2h处的P3点进入第四象限。已知重力加速度为g。试求：（1） 粒子到达P2点时速度的大小和方向（2） 第三象限空间中电场强度和磁感应强度的大小（3） 带电质点在第四象限空间运动过程中最小速度的大小和方向。解：（1） 参见图，带电质点从P1到P2，由平抛运动规律h= v0= vy=gt 求出v= 方向与x轴负方向成45角（2） 带电质点从P2到P3，重力与电场力平衡，洛伦兹力提供向心力Eq=mg Bqv=m (2R)2=(2h)2+(2h)2 由解得：E= 联立式得B= （3） 带电质点进入第四象限，水平方向做匀速直线运动，竖直方向做匀减速直线运动。当竖直方向的速度减小到0，此时质点速度最小，即v在水平方向的分量vmin=vcos45= （方向沿x轴正方向）类型三：带电粒子在复合场中运动的临界问题例3：如图所示，坐标空间中有场强为E的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场，y轴为两种场的分界面，图中虚线为磁场区域的右边界，现有一质量为m，电荷量为-q的带电粒子从电场中坐标位置（L，0）处，以初速度沿轴正方向运动，且已知。试求：使带电粒子能穿越磁场区域而不再返回电场中，磁场的宽度d应满足的条件.(粒子的重力不计)解：带电粒子在电场中做类平抛运动。设粒子进入磁场时粒子的速度大小为，速度方向与y轴夹角为，有： 粒子在磁场中做圆周运动，有：要使粒子穿越磁场区域能返回电场中，磁场的宽度条件为：粒子穿越磁场不返回电场中的条件为： 针对训练：1如图所示，两块垂直纸面的平行金属板A、B相距d=10.0 cm，B板的中央M处有一个粒子源，可向各个方向射出速率相同的粒子，粒子的荷质比qm=4.82107 Ckg.为使所有粒子都不能达到A板，可以在A、B板间加一个电压，所加电压最小值是U0=4.15104 V；若撤去A、B间的电压，仍使所有粒子都不能到达A板，可以在A、B间加一个垂直纸面的匀强磁场，该匀强磁场的磁感应强度B必须符合什么条件? 解：设速率为v，在电场力作用下最容易到达A板的是速度方向垂直B板的粒子由动能定理得: qU=mv2加磁场后，速率为v的粒子的轨道半径为d/2，只要轨迹与AB板都相切的粒子打不到板即可.与此对应的磁感应强度就是B的最小值.因为:Bqv=由上两式得:B=0.83 T即磁感应强度B应满足B0.83 T26（22分）如图甲所示，直角坐标系中直线AB与横轴x夹角BAO=30，AO长为a。假设在点A处有一放射源可沿BAO所夹范围内的各个方向放射出质量为m、速度大小均为v、带电量为e的电子，电子重力忽略不计。在三角形ABO内有垂直纸面向里的匀强磁场，当电子从顶点A沿AB方向射入磁场时，电子恰好从O点射出。试求：（1）从顶点A沿AB方向射入的电子在磁场中的运动时间t；（2）磁场大小、方向保持不变，改变匀强磁场分布区域，使磁场存在于三角形ABO内的左侧，要使放射出的电子穿过磁场后都垂直穿过y轴后向右运动，试求匀强磁场区域分布的最小面积S。（3）磁场大小、方向保持不变，现改变匀强磁场分布区域，使磁场存在于y轴与虚线之间，示意图见图乙所示，仍使放射出的电子最后都垂直穿过y轴后向右运动，试确定匀强磁场左侧边界虚线的曲线方程。26（1） （2）有界磁场的上边界：沿AB方向发射的电子在磁场中运动轨迹与AO中垂线交点的左侧圆弧。有界磁场的下边界：以A点的正上方、距A点的距离为a的点为圆心，以a为半径的圆弧。 最小面积为：(3) 23（18分）如图所示的空间分为I、II、III三个区域，边界AD与边界AC的夹角为30，边界AD与边界EF平行，边界AC与边界MN平行，I区域内存在匀强电场，电场方向垂直于边界AD，II、III区域均存在磁感应强度大小为B的匀强磁场，磁场的方向分别为垂直纸面向外和垂直纸面向里，III