带电粒子在磁场中运动的轨迹欣赏

1、精品文档带电粒子在复合场中运动的轨迹欣赏1.一朵梅花例1 如图所示，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r，在圆筒之外的足够大区 域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小为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，初速为零。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）XXXXXXXX19欢迎下载解析：如图所示，设粒子进入磁场区的速度大小为 V,根据动能定理，有厂1

2、2设粒子做匀速圆周运动的半径为 R,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律，有:B qv - m R由上面分析可知，要回到 S点，粒子从a到d必经过4圆周，所以 半径R必定等于筒的外半径r，即R=r由以上各式解得U二比2m感受美：该粒子运动的轨迹构成了一朵“四只花辨”的鲜艳的油菜花 拓展1:该圆筒上平行于轴线均匀分布的若是“六条 时，粒子经过一段运动后也能回到原出发点。2 2qB r6m感受美：该运动轨迹构成了 “六只花辨”的怒放的梅 花狭缝”,当电压UXXnXX* A A M X 条狭缝”，当 时，粒子经过一段运动后也能回到原出发点，并且粒子做匀速拓展2:该圆筒上平行于轴线均匀分布的若是2 2 2qB

3、 r 丄Uta n 2m nXX电压圆周运动的半径 r r tan 感受美：粒子的运动轨迹构成了一朵“ n只花辨”盛开的鲜花拓展3：若圆筒上只在a处有平行于轴线的狭缝，并且粒子与圆筒外壁发生了 2n 次无能量损失和电量损失的碰撞后恰能回到原出发点，贝加速电压u qB r2mn 1并且粒子运动的半径R r tann 1 感受美：该运动轨迹也构成了一朵“n只花辨” 开的鲜花（右图为五次碰撞的情形）。2 .一座拱桥例2.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, 质量为m,电量为q的 粒子从坐标原点0沿着y轴正方向射出，射出之后

4、，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（重力不计） 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所以由牛顿定律知粒子运动速率为对粒子进入电场后沿y轴负方向做减速运动的最大路程 动能定理知：厂1nqEy -m v*所以粒子运动的总路程为qB-I：6rnE3、一个电风扇例3、据有关资料介绍，受控热核聚变反应装置中有极高的温度，因而带电粒子 将没有通常意义上的容器可装，而是由磁场约束带电粒子运动将其束缚在某个区 域内，现按下面的简化条件来讨论这个问题，如图所示，有一个环形区域，其截 面内半径为3外半径为F2=1.0m，区域内有垂直纸面

5、向里的匀强磁场，已知R m3磁感应强度B=1.0 T,被束缚粒子的荷质比为(1) 若中空区域中的带电粒子沿环的半径方向射入磁场，求带电粒子不能穿越磁场外边界的最大速度Vo.(2) 若中空区域中的带电粒子以(1)中的最大速度vo沿圆 环半径方向射入磁场，求带电粒子从进入磁场开始到第一 次回到该点所需要的时间t解析:Bq设粒子在磁场中做圆周运动的最大半径为则2£*r轨迹如图，由几何关系得贋亍二兀一”二耳竺 贝|J 匕 _ a' _、辱/ , & = arctati-=60°m3 5'故带电粒子逬入嵐场绕圆G转过3600 (1800600)=2400又回到

6、中空部分.粒子的运动轨迹如图所示，故粒子从P点进入磁场到第一次回到P点时戸粒子在磁场中运动时间为込亠锂科 t4粒子在中空部分运动时间为"磴粒子运动的总时间为.2r 4小13 Bq4、一朵葵花例4据有关资料介绍，受控热核聚变反应装置中有级高的温度，因而带电 粒子将没有通常意义上的容器可装，托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控 核聚变的环形容器，由磁场将高温、高密等离子体约束在有限的范围内， 现按下面的简化条件来讨论这个问题，如图所示，有一个环形区域， 其截面内半径为R=a,外半径为R=(辺-1)a,环形区域内有 垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。被磁场围住的中心区域为反应区，

7、反应区内 质量为m电量为q的带电粒子，若带电粒子由反应区沿各 个不同射入磁场区域，不计带电粒子重力和运动过程中的相 互作用，贝1、要求所有带电粒子均不能穿过磁场外界，允许带电粒子速度的最大值？m多大?2、若一带电粒子以上述最大速度从边界上某点沿圆环半径方向垂直射入磁场，求带电粒子从进入磁场开始到第一次回到出发点所用的时间t.解二(1)由圆周切线方向进入磁场的粒子最易穿越磁场.得(2 )曲 P = = V5 -1&则 tail 20 = 1 即每次进入磁场转过运动时间为_ 225_5.t3在反应区内运动一次'江 4叭'J 甌(兔一叩总时间为F二勒二随16(2 亠二丰SqB

8、aAJh5、一枚铜钱例5、如图所示为圆形区域的匀强磁场，磁感应强度为B、方向垂直纸面向里，边 界跟y轴相切于坐标原点Q 0点处有一放射源，沿纸面向各个方向射出速率均 为v的某种带电粒子，带电粒子在磁场中做圆周运动的半经是圆形磁场区域半径 的两倍。已知该带电粒子的质量为 m电荷量为q，不考虑带电粒子的重力。1、推导带电粒子在磁场空间作圆周运动的轨道半径；2、求带电粒子通过磁场空间的最大偏角；3、沿磁场边界放置绝缘弹性挡板，使粒子与挡板碰撞后以原速率弹回，且其电 荷量保持不变。若从0点沿x轴正方向射入磁场的粒子速度的已减小为 v/2， 求该粒子第一次回到0点经历的时间。解：(4)带电粒子在磁场后，

9、受洛仑磁力作 用，由牛顿第二定律得; Bqv - m r - zrEq(2)设粒子飞出和进入磁场的速度方向夹 角为则sin*# x是粒子在磁场中轨 迹的两端点的直蚤距离，X最大值为2R o且2R=r所以+ °¥X X对应的就是的最大值。(3)当粒子速度减小为X 时，粒子在磁场中作 圆周运动的半径为 =L = r2qB故粒子转过四分之一圆周.对应圆心角为9(T时与边界相撞回，由对称性知，粒子经过U!个这样的过程第一次回到O点,亦即经历时间为一个周期粒子在磁场中做匀速圆周运动的周蚪J =所以从O点沿x轴正方向射出的 粒子第一次回到0点经历的时间 是匸泌其轨迹为一枚铜钱BqBq6

10、、一滴水珠例6、如图所示，真空中分布着有界的匀强电场和两个均垂直于纸面，但方 向相反的匀强磁场，电场的宽度为L，电场强度为E,磁场的磁感应强度都为B,I*1IiI!MKXXXXKW賀宜址工seMMM：»MV XX Jt W3C X:H：搏：K工且右边磁场范围足够大一带正电粒子质量为 m 电荷量为q,从A点由静止释放经电场加速后进入 磁场，穿过中间磁场进入右边磁场后能按某一路 径再返回A点而重复上述过程，不计粒子重力， 求：（1）粒子进入磁场的速率V；（2）中间磁场的宽度d（3）求粒子从A点出发到第一次回到A点所经历 的时间t 0解（1）由动能定理，有：EqL = 得粒子进入磁场的速度

11、为xXKX X X X m m. x x x xXXX 贰X X X XKX X X X XM（2）粒子进入磁场后做匀速圆議云动，半径都是R, 且：I护缶曲 由几何关系可知： = 30°1 _;_旳 * I X贝lj：中间磁场宽度d = Rg3Q° =二/fmEqLgB在电场中"筈=2搭在中间磁场中运动时间在右侧磁场中运动时间=型6 3qB则粒子第一次回到0点的所用时间为7、一个美丽的吸顶灯罩例7.如图所示，两个同心圆是磁场的理想边界，内圆半径为R,外圆半径为 R , 磁场方向垂直于纸面向里，内外圆之间环形区域磁感应强度为 B，内圆的磁感应 强度为B/3 o t=

12、0时一个质量为m带一q电量的离子（不计重力），从内圆上的 A点沿半径方向飞进环形磁场，刚好没有飞出磁场。（1）求离子速度大小（2）离子自A点射出后在两个磁场间不断地飞进飞出，从 t=0开始经过多长时 间第一次回到A点？（3）从t=0开始到离子第二次回到A点，离子在内圆磁场中运动的时间共为多 少？由牛顿第二定律：mv2/M =分qvB2由图中几何关系得：厂；-汀赧+才得：.2 分由以上各式得：-.2 分、依题意在外磁场轨迹与外圆相切，如 图、离子从A出发经C、D第一次回到A轨迹如图，在内圆的磁场区域：mv2/r2=qvB/3_2巧 6丽=-=v oB周期：由几何关系可知：3=n6在外磁场区域的周

13、期：'由几何关系可知：a=4d31 .分./ = 2x -Tj + - r11站扛离子A C DA的时间：、从t=0开始到离子第二次回到A点，离子在内圆磁场中共运动6次，时间为t2 :62 分 例8、如图所示，半径分别为a、b的两同心虚线圆所围空间分别存在电场 和磁场，中心0处固定一个半径很小（可忽略）的金属球，在小圆空间 内存在沿半径向内的辐向电场，小圆周与金属球间电势差为 U, 之间的空间存在垂直于纸面向里的匀强磁场，设有一个带负电的粒子从金属球表面沿+ x轴方向以很小的初速度逸出，粒子质量为 m电量为q, (不计粒子重力，忽略粒子初速度)求：(1) 粒子到达小圆周上时的速度为多大

14、？(2) 粒子以(1)中的速度进入两圆间的磁场中，当磁感应强度超过某一临界值时，粒子将不能到达大圆周，求此最小值 B。(3) 若磁感应强度取(2)中最小值，且b=(+ 1) a,要粒子恰好第一次沿逸 出方向的反方向回到原出发点，粒子需经过多少次回旋？并求粒子在磁场中运动 的时间。(设粒子与金属球正碰后电量不变且能以原速率原路返回)解；(1)粒子在电场中加速，根据动定律得:*捽1V m(2) 粒子进入磁场后，受洛伦兹力周运做匀速圆动，之 严5qSv = m 则有要使粒子不能到达大圆周，其量大的圆半径为轨述圆与7 大圆周相切，如图.则有= b-r 所以一匸亠 联立解得“亠严'(3) 图中t

15、aii9= 匚兰芦 j 即245口a 2at>则粒子在磁场中转i±<p=270° >然后沿半径 进入电场减速到达金属球表面，再经电场加速原路返回磁场，如此重复恰好经过4个回徒后旷沿与原出射方向相反的方商回到原出发点 因为 药粒子在磁场中运动时间为8、一沿抛物线(或直线)上升的气泡例9、如图所示，在xoy的平面内加有空间分布均匀、大小随时间周期性变化的 电场和磁场，变化规律如乙图所示(规定竖直向上为电场强度的正方向，垂直纸2mq面向里为磁感应强度的正方向)。在t=0时刻，质量为m电荷量为q的带正电 粒子自坐标原点0处以？o=2m/s的速度沿x轴正方向水平射出

16、。已知电场强度，E 磁感应度2 m ，不计粒子重力。求：Bo(1) 1s末粒子速度的大小和方向；(2) 1s2s内，粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期；(3) 画出04s内粒子的运动轨迹示意图(要求：体现粒子运动特点)；(4) (2n-1)s2ns (n=1,2,3,)n内粒子运动至最高点的位置坐标。(1)在卜丸内，粒子在电场力作用下，带电粒子在X 方向上做匀速运动3=5Y方向做匀加速运动 计豊耳1弩末粒子的速度叫严屈+*VVI与水平方向的夹角偽则湎宀=上代入数据解得 = 22m!s a - 45°(2)在1$2§内，粒子在磁场中做圆周窄动，由牛顿笫二定律外竝-甞 得一粒子

17、做圆周运动的周期(3)粒子运动轨迹如图所示(4分)(4) (2ll-l ) $末粒子的坐标为x = vQn=Jbm严丄耳竺2 m科)孑= mis此时粒子的速度为 丁*:十（瞥tw生-百 一带电粒子在（2ml） S'2ns（n=l毎）内做圆周运动的轨迹如图所示 半轻真二竺二姮1 m最高点G的位置坐标为2心 y = j; + A,(l+cos = w2 + 丄(JJ 十 1 +1) jr<Hxxx5X X XX X X Xx X X9、一幅窗帘或一块磁砖例10、如图所示：由光滑绝缘壁围成的正方形（边长为 a）匀强 磁场区域的磁感强度为B,质量为m电量为q的正粒子垂直于磁 场方向和边界

18、从下边界正中央的 A孔射入该磁场中，粒子碰撞时 无能量和电量损失，不计粒子重力和碰撞时间，粒子运动半径小 于a,要使粒子仍能从A孔射出，求粒子的入射速度和粒子在磁场 中的运动时间？解析卡设粒子运动半径为R”则 = "7 运动周期-青粒子能从I孔射岀，则粒子的运动轨迹有两种典型,（1）图7所不情形贝Q L - 4nr n = L2 J 求得粒子的入射速度2瓷”-1阳磁场中的运动吋间恳受美：其粒子运动的轨迹给成了一幅美丽齢窗帘。10、一串“葡萄”例11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

19、如图（乙）所示的 脉冲电压。在t=0时，质量m=2X10-15kg，电量为q=1X10-10C的正离子，以速 度为4X103m/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。（乙7解析在第一个10%内，电场，磁场同时存在，离子 受电场力，洛仑兹力分别为F电誕二世" X10-d7N,方向由左手定则知向上，粒子做匀速直线运动 位移s=vt=0.4m.第二京0玄内，只有磁场，离子 做匀速圆周运动，r= =6.4X10-2m < 冷 ，不会碰板，时间T二泡=4X10%,即正巧在无电场时离子转满一鯉 易知以后重复上述运动， 故轨迹如图所示F形成匕"葡萄串&qu

20、ot;图形COG11、一颗“心脏”例12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B=2E2,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Bi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0点时其运动轨道如图所示， 形成一”心脏”图形由图可知，粒子在中运 动时间 "欝 粒子在民中的运动时间为a所以粒子运动的总时间XXXXjXXXX2沏创 Mlx x xx x=£+匚=1= X X 笳 X J X X 址'"Rq 旳 52?XXXXXX12、一只漂亮的蝴蝶例13如图(a)所示，在xOy平面

21、上一HVyVH的范围内有一片稀疏的电 子，从x轴的负半轴的远处以相同的速率v 。沿x轴正向平行地向y轴射来.试 设计一个磁场区域，使得(1) 所有电子都能在磁场力作用下通过原点0;(2) 这一片电子最后扩展到一2HVyV 2H范围内，继续沿x轴正向平行地以相同的速率vO向远处射出.已知电子的电量为c、质量为m,不考虑电子间的相互作用.我 H 4欣赏磁场 区域像一 只漂亮蝴 蝶，赏心 悦目！亠解析根据题意,电子在0点先会聚再发歆卞第I象限:磁场方向;垂直纸面向里沿y轴正向射入的电子运动轨迹4为磁场上边界 臨场下边界2应满：x2+(y-R)2=R2 实线仁2的交集为第4象限内的磁场区域：由 B1qv=mv2f2H 得磁场大小:Bmv/SeH 第in象限:可以看成是第q象限的逆过稈 .磁场方向二垂直纸面向外> 磁场大小：B3=mv/eH 卜：由对称得：第U象限 第V象限1'磁场方向：垂直纸面向里垂直纸面向创磁松矢小：B2=mv/eH B4=mv/2eH13、一个