第8章第2讲专题：带电粒子在有界磁场中的运动(多个小专题)

.,两类典型问题,1.带电粒子在有界匀强磁场中（只受洛伦兹力）做圆弧运动；2.带电粒子在磁场中运动时的临界问题（或多解问题）的讨论,.,概述,1、本类问题对知识考查全面，涉及到力学、电学、磁学等高中物理的主干知识，对学生的空间想象能力、分析综合能力、应用数学知识解决物理问题能力有较高的要求，是考查学生多项能力的极好的载体，因此成为历年高考的热点。2、从试题的难度上看，多属于中等难度或较难的计算题。原因有二：一是题目较长，常以科学技术的具体问题为背景，从实际问题中获取、处理信息，把实际问题转化成物理问题。二是涉及数学知识较多（特别是几何知识）。,.,3、常见的五种有界磁场：单边界磁场、双边界磁场、矩形磁场、圆形磁场、三角形磁场4、解题关键有三点：粒子圆轨迹的圆心O的确定运动半径R的确定运动周期T的确定,.,带电粒子在匀强磁场中的运动,由洛伦兹力提供向心力,轨道半径：,运动周期：,周期T与R和v无关仅由粒子种类（m、q）决定，和磁感应强度B决定。,角速度：,频率：,动能：,.,解题的基本过程与方法,1找圆心：,已知任意两点速度方向：作垂线可找到两条半径，其交点是圆心。已知一点速度方向和另外一点的位置：作速度的垂线得半径，连接两点并作中垂线，交点是圆心。,O,O,3定半径：,几何法求半径公式求半径,4算时间：先算周期，再用圆心角算时间,=2,注意：应以弧度制表示,2画圆弧：,.,例、一正离子,电量为q,质量为m，垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场中，穿出磁场时速度方向与其原来入射方向的夹角是30，（1）离子的运动半径是多少？（2）离子射入磁场时速度是多少？（3）穿越磁场的时间又是多少？,v,30,O,B,v,答案:,双边界磁场（一定宽度的无限长磁场）,.,附：电偏转与磁偏转的区别,注意：（1）电偏转是类平抛运动磁偏转是匀速圆周运动（2）这里射出速度的反向延长线与初速度延长线的交点不再是宽度线段的中点。这点与带电粒子在匀强电场中的偏转结论不同！,.,练一个质量为m电荷量为q的带电粒子（不计重力）从x轴上的P(a，0)点以速度v，沿与x正方向成60的方向射入第一象限内的匀强磁场中，并恰好垂直于y轴射出第一象限。求匀强磁场的磁感应强度B和射出点的坐标。,O,解析：,.,练、如图，虚线上方存在磁感应强度为B的磁场，一带正电的粒子质量m、电量q，若它以速度v沿与虚线成300、900、1500、1800角分别射入，1.请作出上述几种情况下粒子的轨迹2.观察入射速度、出射速度与虚线夹角间的关系3.求其在磁场中运动的时间。,单边界磁场,.,入射角300时,.,入射角900时,.,入射角1500时,.,入射角1800时,.,对称性,有用规律一：（记下书本P96，以备高三复习时查阅）过入射点和出射点作一直线，入射速度与直线的夹角等于出射速度与直线的夹角，并且如果把两个速度移到共点时，关于直线轴对称。,强调：本规律是在单边界磁场中总结出的，但是适用于任何类型的磁场,.,例如图所示，在ylR。,故P1P2=20cm,解析：粒子带正电，沿逆时针方向做匀速圆周运动，轨道半径R为,.,解题经验,1、临界问题，经常是运动轨迹圆与磁场边界相切时为临界状态。2.仔细审题，当电荷的正负不确定、或磁场的方向不确定时，会有两个解。3.注意磁偏转与电偏转的不同。电偏转是抛物线，一去不复返，但是磁偏转是圆，可以向前，也可以回头。特别是在矩形磁场中，既可以从左边飞出，也可以从右边飞出，也就是有两个临界状态。4.对于有多个粒子，或者相当于有多个粒子（如速度大小确定，方向不确定的题型），射入同一磁场时，有界磁场要先假设成无界磁场来研究，这样会得到更多灵感。也就是说，在画运动轨迹圆草图时，必须画完整的圆。,.,O,模型1：速度方向确定，大小不确定,模型2：速度大小确定，方向不确定,三种重要的模型,.,v0,模型3：速度大小、方向确定，入射点不确定,.,.,极值问题之最小磁场面积,.,v,O,R,d,对象模型：质点过程模型：匀速圆周运动规律：牛顿第二定律+圆周运动公式条件：要求时间最短,速度v不变，欲使穿过磁场时间最短，须使s有最小值，则要求弦最短。,例一个垂直纸面向里的有界匀强磁场形状如图所示，磁场宽度为d。在垂直B的平面内的A点，有一个电量为q、质量为m、速度为v的带电粒子进入磁场，请问其速度方向与磁场边界的夹角为多少时粒子穿过磁场的时间最短？（已知mv/Bqd）,.,v,O,中垂线,与边界的夹角为（90）,例一个垂直纸面向里的有界匀强磁场形状如图所示，磁场宽度为d。在垂直B的平面内的A点，有一个电量为q、质量为m、速度为v的带电粒子进入磁场，请问其速度方向与磁场边界的夹角为多少时粒子穿过磁场的时间最短？（已知mv/Bqd）,.,例、如图，半径为r=3102m的圆形区域内有一匀强磁场B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁场，该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计重力。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与ao的夹角表示）？最大偏转角多大？,R=mv/Bq=5102mr,b,.,说明：1.本题中，由于是两圆相交，两个交点的连线同时是两个圆的弦。2.轨道圆半径确定时，弦线越长，通过的弧越长，偏转角度也越大。,R=mv/Bq=5102mr,解析：,b,得=37，,sin=r/R,最大偏转角为2=74。,例、如图，半径为r=3102m的圆形区域内有一匀强磁场B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁场，该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计重力。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与ao的夹角表示）？最大偏转角多大？,.,变式：如图所示，一带负电荷的质点，质量为m，带电量为q，从M板附近由静止开始被电场加速，又从N板的小孔a水平射出，垂直进入半径为R的圆形区域匀强磁场中，磁感应强度为B，入射速度方向与OP成45角，要使质点在磁场中飞过的距离最大，则两板间的电势差U为多少？,.,例、如图，带电质点质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域。为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径。重力忽略不计。,解：质点在磁场中圆周运动半径为r=mv/Bq。质点在磁场区域中的轨道是1/4圆周，如图中M、N两点间的圆弧。,在通过M、N两点的不同的圆中，最小的一个是以MN连线为直径的圆周。,圆形磁场区域的最小半径,.,例、如图，质量为m、带电量为+q的粒子以速度v从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向的夹角为30，同时进入场强为E、方向沿与与x轴负方向成60角斜向下的匀强电场中，通过了b点正下方的C点。不计重力，试求：（1）圆形匀强磁场区域的最小面积；（2）C点到b点的距离h。,.,解：(1)反向延长vb交y轴于O2点，作bO2O的角平分线交x轴于O1，O1即为圆形轨道的圆心，半径为R=OO1=mv/qB，画出圆形轨迹交bO2于A点，如图虚线所示。,最小的圆形磁场区域是以OA为直径的圆，如图示：,Smin=r2,OA=2r,hsin30=vt,(2)b到C受电场力作用，做类平抛运动,得t=2mv/qEtan30,.,极值问题之多解性问题,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,极值问题之“时间最短”,.,v,O,R,d,对象模型：质点过程模型：匀速圆周运动规律：牛顿第二定律+圆周运动公式条件：要求时间最短,速度v不变，欲使穿过磁场时间最短，须使s有最小值，则要求弦最短。,例一个垂直纸面向里的有界匀强磁场形状如图所示，磁场宽度为d。在垂直B的平面内的A点，有一个电量为q、质量为m、速度为v的带电粒子进入磁场，请问其速度方向与磁场边界的夹角为多少时粒子穿过磁场的时间最短？（已知mv/Bqd）,.,v,O,中垂线,与边界的夹角为（90）,例一个垂直纸面向里的有界匀强磁场形状如图所示，磁场宽度为d。在垂直B的平面内的A点，有一个电量为q、质量为m、速度为v的带电粒子进入磁场，请问其速度方向与磁场边界的夹角为多少时粒子穿过磁场的时间最短？（已知mv/Bqd）,.,说明：1.本题中，由于是两圆相交，两个交点的连线同时是两个圆的弦。2.轨道圆半径确定时，弦线越长，通过的弧越长，偏转角度也越大。,R=mv/Bq=5102mr,解析：,b,得=37，,sin=r/R,最大偏转角为2=74。,例、如图，半径为r=3102m的圆形区域内有一匀强磁场B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁场，该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计重力。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与ao的夹角表示）？最大偏转角多大？,.,变式：如图所示，一带负电荷的质点，质量为m，带电量为q，从M板附近由静止开始被电场加速，又从N板的小孔a水平射出，垂直进入半径为R的圆形区域匀强磁场中，磁感应强度为B，入射速度方向与OP成45角，要使质点在磁场中飞过的距离最大，则两板间的电势差U为多少？,.,例、如图，带电质点质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域。为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径。重力忽略不计。,解：质点在磁场中圆周运动半径为r=mv/Bq。质点在磁场区域中的轨道是1/4圆周，如图中M、N两点间的圆弧。,在通过M、N两点的不同的圆中，最小的一个是以MN连线为直径的圆周。,圆形磁场区域的最小半径,.,例、如图，质量为m、带电量为+q的粒子以速度v从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向的夹角为30，同时进入场强为E、方向沿与与x轴负方向成60角斜向下的匀强电