带电粒子在磁场中运动最小面积问题

带电粒子在磁场中运动最小面积问题例1.在xOy平面内有许多电子（质量为m,电荷量为e）,从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.例2一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向夹角30，如图所示(粒子重力忽略不计)试求： (1)圆形磁场区域的最小面积(2)粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间(3)b点的坐标例3一个质量为m，带q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。为了使该粒子能在AC边上的N点 图示 (CMCN)垂直于AC边飞出三角形ABC，可在适当的位置加一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重力试求：(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T；(2)该粒子在磁场里运动的时间t；(3)该正三角形磁场区域的最小边长； 针对训练1(09年海南高考)如图甲所示，ABCD是边长为a的正方形质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域在正方形内适当区域中有匀强磁场电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场不计重力，求：(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向(2)此匀强磁场区域的最小面积2（09年福建卷）图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=2.010-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口，在Y上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=3.5104m/s的速率从P处射入磁场，若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。（1）求上述粒子的比荷q/m（2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强电场，就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场；（3）为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内，求此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。3、（1994年全国高考试题）如图12所示，一带电质点，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。 4.2010宁波模拟 如图甲所示，水平放置的平行金属板A和B间的距离为d，板长L2d，B板的右侧边缘恰好是倾斜挡板NM上的一个小孔K，NM与水平挡板NP成60角，K与N间的距离Ka.现有质量为m、带正电且电荷量为q的粒子组成的粒子束，从AB的中点O以平行于金属板方向OO的速度v0不断射入，不计粒子所受的重力 (1)若在A、B板上加一恒定电压UU0，则要使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K，求U0的大小 (2)若在A、B板上加上如图乙所示的电压，电压为正表示A板比B板的电势高，其中T，且粒子只在0时间内入射，则能打到小孔K的粒子在何时从O点射入？(3)在NM和NP两挡板所夹的某一区域存在一垂直纸面向里的匀强磁场，使满足条件(2)从小孔K飞入的粒子经过磁场偏转后能垂直打到水平挡板NP上(之前与挡板没有碰撞)，求该磁场的磁感应强度的最小值5.如图，一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动，经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B的最小的圆形匀强磁场区域(图中未画出磁场区域)，粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L的匀强电场，电场强度大小为E，方向竖直向上当粒子穿出电场时速率变为原来的 倍已知带电粒子的质量为m，电荷量为q，重力不计粒子进入磁场前的速度与水平方向成60角试回答：(1)粒子带什么电？(2)带电粒子在磁场中运动时速度多大？(3)该最小的圆形磁场区域的面积为多大？参考答案例1.在xOy平面内有许多电子（质量为m,电荷量为e）,从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.解：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。例2. 一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向夹角30，如图所示(粒子重力忽略不计)试求： (1)圆形磁场区域的最小面积(2)粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间(3)b点的坐标解析：(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R由图可知aOb60磁场区域最小半径rRcos 30磁场区域最小面积Sr2.(2)由O到a过程所经历的时间t1由几何关系得abR粒子由a到b所经历的时间t2粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间tt1t2()(3)因为sin 30，Ob2R得Ob3R故b点的坐标为(，0)例3、一个质量为m，带q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。为了使该粒子能在AC边上的N点 图示 (CMCN)垂直于AC边飞出三角形ABC，可在适当的位置加一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重力试求：(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T；(2)该粒子在磁场里运动的时间t；(3)该正三角形磁场区域的最小边长； 针对训练1如图甲所示，ABCD是边长为a的正方形质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域在正方形内适当区域中有匀强磁场电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场不计重力，求：甲(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向(2)此匀强磁场区域的最小面积【答案】(1)方向垂直纸面向外(2)a22（09年福建卷）22.(20分)图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=2.010-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口，在Y上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=3.5104m/s的速率从P处射入磁场，若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。（1）求上述粒子的比荷；（2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强电场，就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场；（3）为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内，求此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。答案（1）=4.9C/kg（或5.0C/kg）；（2） ； （3）解析：第（1）问本题考查带电粒子在磁场中的运动。第（2）问涉及到复合场（速度选择器模型）第（3）问是带电粒子在有界磁场（矩形区域）中的运动。（1）设粒子在磁场中的运动半径为r。如图甲，依题意M、P连线即为该粒子在磁场中作匀速圆周运动的直径，由几何关系得 由洛伦兹力提供粒子在磁场中作匀速圆周运动的向心力，可得 联立并代入数据得=4.9C/kg（或5.0C/kg） （2）设所加电场的场强大小为E。如图乙，当粒子子经过Q点时，速度沿y轴正方向，依题意，在此时加入沿x轴正方向的匀强电场，电场力与此时洛伦兹力平衡，则有 代入数据得 所加电场的长枪方向沿x轴正方向。由几何关系可知，圆弧PQ所对应的圆心角为45，设带点粒子做匀速圆周运动的周期为T，所求时间为t，则有 联立并代入数据得 （3）如图丙，所求的最小矩形是，该区域面积 联立并代入数据得 矩形如图丙中（虚线）、3、（1994年全国高考试题）如图12所示，一带电质点，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。解析：质点在磁场中作半径为R的圆周运动，qvB=（Mv2）/R，得R=（MV）/（qB）。根据题意，质点在磁场区域中的轨道是半径等于R的圆上的1/4圆周，这段圆弧应与入射方向的速度、出射方向的速度相切。如图13所示，过a点作平行于x轴的直线，过b点作平行于y轴的直线，则与这两直线均相距R的O点就是圆周的圆心。质点在磁场区域中的轨道就是以O为圆心、R为半径的圆（图中虚线圆）上的圆弧MN，M点和N点应在所求圆形磁场区域的边界上。在通过M、N两点的不同的圆周中，最小的一个是以MN连线为直径的圆周。所以本题所求的圆形磁场区域的最小半径为：，所求磁场区域如图13所示中实线圆所示。42010宁波模拟 如图395甲所示，水平放置的平行金属板A和B间的距离为d，板长L2d，B板的右侧边缘恰好是倾斜挡板NM上的一个小孔K，NM与水平挡板NP成60角，K与N间的距离Ka.现有质量为m、带正电且电荷量为q的粒子组成的粒子束，从AB的中点O以平行于金属板方向OO的速度v0不断射入，不计粒子所受的重力图395(1)若在A、B板上加一恒定电压UU0，则要使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K，求U0的大小(2)若在A、B板上加上如图乙所示的电压，电压为正表示A板比B板的电势高，其中T，且粒子只在0时间内入射，则能打到小孔K的粒子在何时从O点射入？(3)在NM和NP两挡板所夹的某一区域存在一垂直纸面向里的匀强磁场，使满足条件(2)从小孔K飞入的粒子经过磁场偏转后能垂直打到水平挡板NP上(之前与挡板没有碰撞)，求该磁场的磁感应强度的最小值例3(1)(2)tx(3)解析 (1)A、B板间加上电压后，带电粒子做类平抛运动，则：Lv0tt2把L2d代入式可得：U0(2)粒子在水平方向做匀速直线运动，粒子运动的时间均为t，设粒子在tx时刻进入金属板，则在tx时刻开始做类抛运动，平抛的时间为tx，则：t把代入式可得：tx(3)在射入的粒子，在进入K时竖直方向的分速度为vy，则vyatxtan vv0则30，即粒子垂直MN板入射如图甲所示，粒子从K点入射后做匀速直线运动从D点开始进入磁场，粒子在进入磁场后，根据左手定则，所受的洛伦兹力斜向上，要使粒子能垂直打到水平挡板NP，则粒子需偏转300后从E射出，做匀速直线运动垂直打到NP.粒子做圆周运动时，洛伦兹力提供向心力，即qvB可得B要使B最小，则要半径r最大，临界情况是圆周运动的轨迹恰好跟两挡板相切，如图乙所示，根据对称性圆周运动的圆心C、交点G位于MNP的角平分线上，则由几何关系可得：CDKF是边长为r的正方形则在三角形NCF中，有rar，可得r，B.5(2011年辽宁抚顺六校联合体模拟)如图835所示，一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动，经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B的最小的圆形匀强磁场区域(图中未画出磁场区域)，粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L的匀强电场，电场强度大小为E，方向竖直向上当粒子穿出电场时速率变为原来的 倍已知带电粒子的质量为m，电荷量为q，重力不计粒子进入磁场前的速度与水平方向成60角试回答：(1)粒子带什么电？(2)带电粒子在磁场中运动时速度多大？(3)该最小的圆形磁场区域的面积为多大？解析：(1)根据粒子在磁场中偏转的情况