带电粒子在磁场中运动的多解性问题例析.doc

带电粒子在磁场中运动的多解性问题例析浙江省宁波市北仑中学 贺贤伟 315800 带电粒子在磁场中的运动问题是高考的难点和热点，特别是新的物理考试大纲将动量要求大幅度降低后，这类问题在高考中地位必将更为突出。由于带电粒子在电磁场中的运动受到多种因素的影响，往往会会形成多解的情况，而学生在解题的过程中由于思维不缜密常常不能解答完整。笔者在教学过程中，对形成此类问题多解的原因进行总结和归类，要求学生在解答过程中参照这些原因一一分析，取得了较好的教学效果。一、带电粒子电性不确定形成多解图1例题1：如图1所示，L1和L2是距离为D的两平行虚线，L1上方和L2下方都是垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，A、B两点都在L2上.质量为m，电量为q的带电粒子从A点以初速v斜向上与L2成30角射出，经过偏转后第一次又经过L2上的某点B，不计重力影响，求AB之间的距离 图2分析：若粒子带正电，则轨迹为图2中1轨迹所示， 若粒子带负电，则轨迹为图中2所示， 若题中未明确指出电性，需分情况讨论。v+图3二、磁感应强度方向不确定形成多解例题2：07年全国卷19题如图3所示，一带负电的质点在固定的正的点电荷作用下绕该正电荷做匀速圆周运动，周期为T0，轨道平面位于纸面内，质点速度方向如图中箭头所示。现加一垂直于轨道平面的匀强磁场，已知轨道半径并不因此而改变，则（ ）A、若磁场方向指向纸里，质点运动的周期将大于T0B、若磁场方向指向纸里，质点运动的周期将小于T0C、若磁场方向指向纸外，质点运动的周期将大于T0D、若磁场方向指向纸外，质点运动的周期将小于T0分析：本题中，只说明磁场方向垂直轨道平面，那么可能的磁场方向就有两种，当磁场方向指向纸面内时，质点所受的洛仑兹力方向背离圆心，与库仑引力方向相反，则向心力减小，由可知，当轨道半径R不变时，该质点运动周期必增大，故A正确，同理可得，当磁场方向指向纸外时，粒子所受的洛仑兹力指向圆心，则向心力增大，故D也正确。题中若只告诉了磁感应强度的大小，而未具体指出场强强度方向，此时必须考虑场强方向不确定而形成的多解。三、带电粒子运动方向的不确定形成多解例题3：如图4所示，磁感应强度为B垂直纸面向里的匀强磁场中有一个粒子源S,能在图示纸面上360范围内向各个方向发射速率相等的质量为m、带电-e的电子；若电子的发射速率为,从点S射出后要击中相距L的O点，则点S处电子的射出方向与OS的夹角为多少？从S到点O的时间多少？分析：由已知条件可知电子圆周运动的半径为rL，电子从点S射出后要经过点O，则直线SO为圆的一条弦，有如图所示两种运动轨迹存在；图4（1）由于题中SOLr，故OSO160，那么电子从点S的发射速度V1的方向与SO所成的夹角150，该轨迹对应运动时间为t1；（2）图中OSO260，故电子的发射速度V1的方向与SO所成的夹角30，该轨迹对应运动时间为t2。带电粒子从某粒子源以一定速率射出时，速度方向往往是不确定的，在磁场中运动时形成不同的运动轨迹，从而形成多解。四、运动的临界状态不确定形成多解yxa1.5a1.5a0v0B图5 例题4：一质量为m、带正电q的粒子（不计重力）从O点处沿+Y方向以初速0射入一个边界为矩形的匀强磁场中，磁场方向垂直于xy平面向里，它的边界分别为y=0、ya、x= -1.5a,x=1.5a如图5所示,改变磁感应强度B的大小，粒子可从磁场的不同边界面射出、并且射出磁场后偏离原来速度方向的角度会随之改变。试讨论粒子可以从哪几个边界面射出，从这几个边界面射出时磁感应强度B的大小及偏转角度各在什么范围内？分析：粒子做圆周运动的半径（1）当Ra时，粒子将从上边界射出，此时B,(2)当aR3a/4时粒子将从左边界射出，此时,(3)当时，粒子将从下边界射出，此时,=.图6例题5：如图6，一质量为m的带正电q的小球穿在一足够长的固定粗糙水平杆上，整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁感应强度方向如图，现给小球以向右的初速度V,则当小球达到稳定状态时小球克服摩擦所做的功为多少？分析：（1）当BqVmg时，杆给小球的支持力向下，球在摩擦作用下减速，洛仑兹力减小，则支持力也减小，摩擦力减小，小球做加速度越来越小的减速运动，当小球速度减为V末mg/Bq时，洛仑兹力等于重力，支持力为零，此后小球以V末匀速运动，故克服摩擦力所做功为（2）当BqVmg时，小球一开始所受支持力为零，摩擦力也为零，故一直以V匀速，小球克服摩擦所做功为零（3）当BqVmg时, 杆给球的支持力向上，球在摩擦作用下减速，洛仑兹力减小，则支持力增大，摩擦力也增大，球做加速度越来越大的减速运动，最后小球速度减为零，故克服摩擦力所做功为带电粒子运动过程中，有时候临界条件并非唯一确定。比如在有边界的场中运动时，从哪个边界射出并不唯一确定；或者运动过程中稳定状态并不唯一确定，此时常常出现多解，需就所有可能展开讨论。五、带电粒子运动的周期性形成多解xyB2B1Ov图7例题6：06年全国卷II.25如图7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？分析：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r1和r2，有：r1 r2现分析粒子运动的轨迹。如图8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。图8由式解得图9由式可得B1、B2应满足的条件n1，2，3，而学生在解题过程中容易忽视运动的周期性，按照图9解，从而得到的不完整的结论。在例题1中如果去掉第一次经过L2的条件，则也需要考虑这种运动的周期性。