带电粒子在磁场运动中的轨迹赏析

1 带电粒子在匀强磁场中的轨迹问题赏析带电粒子在匀强磁场中的轨迹问题赏析 带电粒子在磁场中受到垂直于运动速度方向的洛仑兹力作用而做匀速圆周 运动 由于所受力及初始条件不同 带电粒子在匀强磁场中形成不同的图形 这些图形反映了有关带电粒子在匀强磁场中运动时的不同特性 研究这些图形 可以直观的得到解题思路和方法 给人以美的享受 美的启迪 现以例题形式 解析在匀强磁场中几种常见的图形 一 一面一 一面 扇子扇子 例 1 如图所示 在半径为 R 的圆范围内有匀强磁场 一个 电子从 点沿半径方向以 射入 从 点射出 速度方向 偏转了 0则电子从 到 运动的时间是 B C D v R 2 v3 R 2 v3 R v3 R 3 解析 选 过 两点分别做 则粒子运动轨 道形成一 扇面 图形 如图所示 圆心角 又由 r R 和 T 3 Bq mv 0 30tan R 3 Bq m 2 得 T 所以电子从 M 到 N 运动时间 v R 3 2 t 估选 D T 2 2 3 v R 3 2 v R 3 3 二 二 一颗一颗 心脏心脏 例 2 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 解析 粒子重新回到 O 点时其运动轨道如图所示 形 成一 心脏 图形 由图可知 粒子在 B1中运动时 2 间 t1 T1 粒子在 B2中的运动时间为 t2 T2 所以粒子运动的总时 qB m 1 2 2 1 qB m 2 间 t t1 t2 或 qB m 1 2 qB m 2 qB m 2 2 qB m 1 4 三 三 一条一条 螺旋线螺旋线 例 3 如图所示 水平放置的厚度均匀的铝箔 置于匀强磁 场中 磁场方向垂直于纸面向里 一带电粒子进入磁场后 在磁场中做匀速圆周运动 粒子每次穿过铝箔时损失的 能量都相同 如图中两圆弧半径 R 20cm R 19cm 则该粒 子总共能穿过铝箔的次数是多少 解析 由 R 及 EK mv2 得 EK 所以每次 Bq mv 2 1 m RBq 2 222 动能损失 EK EK1 EK2 所以粒子 m RBq 2 2 1 22 m RBq 2 2 2 22 总共能穿过铝箔的次数 K 1 E E 2 2 2 1 2 1 RR R 22 2 1 02 0 2 0 故 n 10 次 粒子在每次穿过铝箔后其轨迹形成如图所示的一条 螺旋线 3 10 图形 四四 一座一座 拱桥拱桥 例 4 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 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 重力不记 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 R 所以由牛顿定律知粒子运动速率为 v 4 L m BqR 对粒子进入电场后沿 y 轴负方向做减速运动 m BqL 4 3 的最大路程 y 由动能定理知 qEy 得 y 所以粒子运动的总路程 2 2 1 mv mE LqB 32 22 为 s L mE LqB 16 22 2 1 五 一串五 一串 葡萄葡萄 例 5 如图 甲 所示 两块水平放置的平行金属板 板长 L 1 4m 板距 d 30cm 两板间有 B 1 25T 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 2 10 15kg 电量为 q 1 10 10C 的正离子 以速度为 4 103m 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 解析 在第一个 10 4s 内 电场 磁场同时存在 离子受电场力 洛仑兹力分别 为 F电 qE 10 7N 方向由左手定则知向上 5 d qU 粒子做匀速直线运动 位移 s vt 0 4m 第二个 10 4s 内 只有磁场 离子做匀速圆周运动 r 6 4 10 2m 不会碰板 时间 Bq mv0 4 d T 1 10 4s 即正巧在无电场时离子转满一周 qB m 1 2 易知以后重复上述运动 故轨迹如图所示 形成 葡萄串 图形 4 六 一个六 一个 字母字母 S S 例 6 如图所示 一个初速为 0 的带正电的粒子经过 M N 两平行板间电场加速后 从 N 板上的孔射出 当 带电粒子到达 P 点时 长方形 abcd 区域中出现大小不 变 方向垂直于纸面且交替变化的匀强磁场 磁感应强 度 B 0 4T 每经过 t 10 3s 磁场方向变化一次 4 粒子到达 P 点时出现的磁场方向指向纸外 在 Q 处有一静止的中性粒子 PQ 距 离 s 3 0m 带电粒子的比荷是 1 0 104C kg 不计重力 求 1 加速电压为 200V 时带电粒子能否与中性粒子碰撞 2 画出它的轨迹 解析 1 粒子在 M N 板间加速时由动能定理得到达 P 点时的速度 qU 即 v m s 2 103m s 方向水平向右 此时 2 2 1 mv m qU2 4 100 12002 P 点出现垂直于纸面向外的磁场 所以粒子由于受到洛伦兹力做圆周运动的周 期为 T 10 3s 2t Bq m 2 2 即粒子运动半周磁场方向改变 此时粒子速度方向变为水平向右 故粒子又在 PQ 右边做匀速圆周运动 以后重复下去 粒子做匀速 圆周运动的轨道半径 r 0 5m 所以粒子做半圆周运动个数为 Bq mv n 3 所以带电粒子能与中性粒子相遇 r s 2m m 5 02 0 3 2 依 1 知带电粒子的轨迹如图所示 形成 葡萄串 图形 七 一朵七 一朵 梅花梅花 例 7 如图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 r0 在圆筒之外的足够大区域中 有平行于轴线的匀强磁场 磁感应强度 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 5 场 一质量为 m 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 0 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 带电粒子从 S 点出发 在两筒之间的电场力作用 下加速 沿径向穿出 a 而进入磁场区 在洛伦兹力作用下做圆周运动 粒子再回到 S 点的条件 是能依次沿径向穿过狭缝 d c b 在各狭缝中粒子在 电场力作用下先减速 在反向加速 然后从新进入磁场 区 如图所示 设粒子进入磁场区时的