河南泌阳2011高考物理一轮复习 磁场对运动电荷的作用（内容分析）

1、2011河南泌阳高考物理一轮复习-磁场对运动电荷的作用（内容分析）一、洛仑兹力磁场对运动电荷的作用力1.洛伦兹力的公式: f=qvB sin，是V、B之间的夹角.2.当带电粒子的运动方向与磁场方向互相平行时，F03.当带电粒子的运动方向与磁场方向互相垂直时，f=qvB 4.只有运动电荷在磁场中才有可能受到洛伦兹力作用，静止电荷在磁场中受到的磁场对电荷的作用力一定为0二、洛伦兹力的方向1.洛伦兹力F的方向既垂直于磁场B的方向，又垂直于运动电荷的速度v的方向，即F总是垂直于B和v所在的平面2.使用左手定则判定洛伦兹力方向时，伸出左手，让姆指跟四指垂直，且处于同一平面内，让磁感线穿过手心，四指指向正

2、电荷运动方向（当是负电荷时，四指指向与电荷运动方向相反）则姆指所指方向就是该电荷所受洛伦兹力的方向三、洛伦兹力与安培力的关系1.洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向称动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现2.洛伦兹力一定不做功，它不改变运动电荷的速度大小;但安培力却可以做功四、带电粒子在匀强磁场中的运动1.不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分三种情况：一是匀速直线运动；二是匀速圆周运动；三是螺旋运动2.不计重力的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径r=mv/qB；其运动周期T=2m/qB（与速度大小无关）3.不计重力的带电粒子垂直进入匀强电场和垂直进入匀强

3、磁场时都做曲线运动，但有区别：带电粒子垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动（类平抛运动）；垂直进入匀强磁场，则做变加速曲线运动（匀速圆周运动）【例1】一带电粒子以初速度V0垂直于匀强电场E 沿两板中线射入，不计重力，由C点射出时的速度为V，若在两板间加以垂直纸面向里的匀强磁场，粒子仍以V0入射，恰从C关于中线的对称点D射出，如图所示，则粒子从D点射出的速度为多少?解析：粒子第一次飞出极板时，电场力做正功，由动能定理可得电场力做功为W1=m（V2v02）/2，当两板间加以垂直纸面向里的匀强磁场后，粒子第二次飞出极板时，洛仑兹力对运动电荷不做功，但是粒子从与C点关于中线的对称点射出，洛仑兹力

4、大于电场力，由于对称性，粒子克服电场力做功，等于第一次电场力所做的功，由动能定理可得W2=m（V02VD2）/2，W1=W2。由 式得VD=点评：凡是涉及到带电粒子的动能发生了变化，均与洛仑兹力无关，因为洛仑兹力对运动电荷永远不做功。【例2】如图所示，竖直两平行板P、Q，长为L，两板间电压为U，垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为B，电场和磁场均匀分布在两板空间内，今有带电量为Q，质量为m的带正电的油滴，从某高度处由静止落下，从两板正中央进入两板之间，刚进入时油滴受到的磁场力和电场力相等，此后油滴恰好从P板的下端点处离开两板正对的区域，求（1）油滴原来静止下落的位置离板上端点的高度h。（2）油滴离

5、开板间时的速度大小。解析：（1）油滴在进入两板前作自由落体运动，刚进入两板之间时的速度为V0，受到的电场力与磁场力相等，则qv0BqUd，v0UBd= ，h=U22gB2d2（2）油滴进入两板之间后，速度增大，洛仑兹力在增大，故电场力小于洛仑兹力，油滴将向P板偏转，电场力做负功，重力做正功，油滴离开两板时的速度为Vx ，由动能定理mg（hL）q U2=mVx 2/2， 点评：（1）根据带电油滴进入两板时的磁场力与电场力大小相等求出油滴下落时到板上端的高度；（2）油滴下落过程中的速度在增大，说明了洛仑兹力增大，油滴向P板偏转，电场力做负功【例3】如图所示，在空间有匀强磁场，磁感强度的方向垂直纸面

6、向里，大小为B，光滑绝缘空心细管MN的长度为h，管内M端有一质量为m、带正电q的小球P，开始时小球P相对管静止，管带着小球P沿垂直于管长度方向的恒定速度u向图中右方运动设重力及其它阻力均可忽略不计（1）当小球P相对管上升的速度为v时，小球上升的加速度多大？（2）小球P从管的另一端N离开管口后，在磁场中作圆周运动的圆半径R多大？（3）小球P在从管的M端到N端的过程中，管壁对小球做的功是多少？解析：（1）设此时小球的合速度大小为v合，方向与u的夹角为 有 cos=u/v合=u/ 此时粒子受到的洛伦兹力f和管壁的弹力N如所示，由牛顿第二定律可求此时小球上升的加速度为：a=fcos=qv合Bcos/m

7、 联立解得：a=quB/m（2）由上问a知，小球上升加速度只与小球的水平速度u有关，故小球在竖直方向上做加速运动设小球离开N端管口时的竖直分速度为vy，由运动学公式得此时小球的合速度 故小球运动的半径为 （3）因洛化兹力对小球做的功为零，由动能定理得管壁对小球做的功为： W=½mv2½mu2=quBh【例4】在两块平行金属板A、B中，B板的正中央有一粒子源，可向各个方向射出速率不同的粒子，如图所示若在A、B板中加上UABU0的电压后，A板就没有粒子射到，U0是粒子不能到达A板的最小电压若撤去A、B间的电压，为了使粒子不射到A板，而在A、B之间加上匀强磁场，则匀强磁场的磁感强

8、度B必须符合什么条件（已知粒子的荷质比mq=2l×108kg/C，A、B间的距离 d10cm，电压U0=42×104V）？解析：粒子放射源向各个方向射出速率不同的粒子，设最大的速率为vm。则各个方向都有速率为vm的粒子当A、B板加了电压后，A、B两板间的电压阻碍粒子到达A板，其方向是垂直两板并由A板指向B板。在无电场时，粒子在沿B向A板运动方向上有d=vcost，其中是粒子速度与垂直两板的直线的夹角在式中最容易到达A板的粒子应有0，vvm，即其速度方向由B极指向A板，且速率最大的粒子，这些粒子若达不到A板，其余的粒子均达不到A板由动能定理可得qU0mvm22；若撤去电场，在

9、A、B间加上匀强磁场，这些粒子将做匀速圆周运动，其半径为R，R=mv/qB，由式可知，在B一定的条件下，v越大，R越大，越容易打到A板；反之，当v值取最大值vm后，若所有具有vm的粒子不能达到A板，则所有的粒子均不能达到A板在所有方向上的粒子中，它们的轨迹刚好与A板相切的情况如图所示在图中与A板相切的轨迹中最小半径为R3，若R3是具有速率为vm的粒子的半径，则其它具有vm的粒子均不能到达 A板若令R3为最小值Rmin时，即图中Rmin= d2是所有粒子中轨迹与A板相切的最小半径，将其代入式后得d2=mvm/qBmin，由两式可得Bmin=2d=084T，所以，A、B两板之间应加上垂直于纸面的匀

10、强磁场，且磁感强度 B 084 T时，所有的粒子均不能到达A板规律方法 1、带电粒子在磁场中运动的圆心、半径及时间的确定（1)用几何知识确定圆心并求半径因为F方向指向圆心，根据F一定垂直v，画出粒子运动轨迹中任意两点（大多是射入点和出射点）的F或半径方向，其延长线的交点即为圆心，再用几何知识求其半径与弦长的关系 (2)确定轨迹所对应的圆心角，求运动时间先利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于3600（或2）计算出圆心角的大小，再由公式t=T/3600（或T/2）可求出运动时间(3)注意圆周运动中有关对称的规律如从同一边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等；在圆形磁场区

11、域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出【例5】如图所示，一束电子（电量为e）以速度v垂直射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，穿过磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是300，则电子的质量是 ，穿过磁场的时间是 。解析：电子在磁场中运动，只受洛伦兹力作用，故其轨迹是圆弧一部分，又因为fv，故圆心在电子穿入和穿出磁场时受到洛伦兹力指向交点上，如图中的O点，由几何知识知，AB间圆心角=300，OB为半径所以r=d/sin300=2d 又由r=得m2dBev 又因为AB圆心角是300，所以穿过时间 t=T=×=【例6】如图所示，一束电子以大小不同的速率沿图示方向飞入横截面是一正方形的匀

12、强磁场，下列判断正确的是（ ） A、电子在磁场中运动时间越长，其轨迹线越长 B电子在磁场中运动时间越长。其轨迹线所对应的圆心角越大 C在磁场中运动时间相同的电子，其轨迹线一定重合 D电子的速率不同，它们在磁场中运动时间一定不相同解析：在图中画出了不同速率的电子在磁场中的轨迹，由前面的知识点可知轨迹的半径R=mvqB，说明了半径的大小与电子的速率成正比但由于电子在磁场中运动时间的长短仅与轨迹所对应的圆心角大小有关，故可判断图中五条轨迹线所对应的运动时间关系有t5t4t3t2t1显然，本题选项中只有B正确 点评：本题所考查的是带电粒子在矩形（包括正方形）磁场中运动的轨迹与相应的运动时间的关系问题不

13、同速率的电子在磁场中的偏转角大小（也就是在磁场中运动时间的长短），由知识点中的周期表达式看来与半径是没有关系的，但由于磁场区域的边界条件的限制，由图说明了半径不同，带电粒子离开磁场时速度方向变化可能不同，也可能相同由周期关系式必须明确的一点是：带电粒子在磁场中运动的时间长短决定于轨迹所对应的圆心角【例7】 如图所示，半径R=10cm的圆形区域边界跟y轴相切于坐标系原点O。磁感强度B0332 T，方向垂直于纸面向里，在O处有一放射源 S，可沿纸面向各个方向射出速率均为v=32×106m/s的粒子已知粒子的质量m= 664×1027 kg，电量q=32 ×1019 C

14、（1）画出粒子通过磁场空间做圆周运动的圆心的轨迹（2）求出粒子通过磁场空间的最大偏转角（3）再以过O点并垂直纸面的直线为轴旋转磁场区域，能使穿过磁场区域且偏转角最大的粒子射到正方向的y轴上，则圆形磁场直径OA至少应转过多大的角度解析：（l）粒子的速度相同，在同一匀强磁场中运动的半径相同，均由洛仑兹力提供向心力 f= qvB=mv2r，rmvQb=20cm 所以粒子的圆心与S（即O点）的距离均为r，其圆心的轨迹为以S为圆心、以20cm为半径的一段圆弧，如图所示（2）由于粒子的轨道半径r大于磁场区域的半径R，粒子最长的轨迹所对应的弦为2R=r=20cm时，粒子在磁场中最大的偏转角的轨迹就是粒子在磁

15、场中最长的轨迹线，由于最长的轨迹线的弦长与其轨迹半径相等，所以偏转角的最大值为=600（3）由（2）中可知粒子的最大偏转角为600；且所对的弦为OA，故粒子在磁场轨迹的入射点O和出射点A与其轨迹圆心O1的连线和OA组成一个正三角形，也就是粒子离开磁场时与x轴正方向的夹角300，如图所示要使偏转角最大的粒子离开磁场时能打在y轴的正方向上，则粒子与x轴的正方向夹角/900，则OA绕过O点的水平轴至少要转过=/一600点评：带电粒子在磁场中的轨迹不大于半圆时，要使带电粒子在磁场中的偏转角最大，就是要求带电粒子在磁场中的轨迹线愈长（由于半径确定），即所对应的弦愈长在圆形磁场中，只有直径作为轨迹的弦长最

16、长所以要求带电粒子进入磁场时的入射点、离开磁场时的出射点的连线为圆形磁场区域的直径这是本题的难点。若是rR，情况就完全变了，这时带电粒子在磁场中的轨迹可能大于半圆或等于半圆，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T=2mqB，这是一个与速度大小和半径无关的物理量，也就是说在磁场中运动时间长短仅与轨迹所对圆心花怒放角有关，在具体确定时还与磁场的边界有关，矩形的边界和圆形的边界是不相同的 2、洛仑兹力的多解问题（1）带电粒子电性不确定形成多解带电粒子可能带正电荷，也可能带负电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致双解（2）磁场方向不确定形成多解若只告知磁感应强度大小，而未说明磁感应

17、强度方向，则应考虑因磁场方向不确定而导致的多解（3）临界状态不惟一形成多解A·OBO/带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，它可能穿过去，也可能偏转1800从入射界面这边反向飞出另在光滑水平桌面上，一绝缘轻绳拉着一带电小球在匀强磁场中做匀速圆周运动，若绳突然断后，小球可能运动状态也因小球带电电性，绳中有无拉力造成多解（4）运动的重复性形成多解 如带电粒子在部分是电场，部分是磁场空间运动时，往往具有往复性，因而形成多解【例8】如图所示，一半径为R的绝缘圆筒中有沿轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B，一质量为m，带电荷量为q的正粒子（不计重力）以速度为v从筒壁的A孔沿半径方向进入筒内，设

18、粒子和筒壁的碰撞无电荷量和能量的损失，那么要使粒子与筒壁连续碰撞，绕筒壁一周后恰好又从A孔射出，问：(1)磁感应强度B的大小必须满足什么条件？(2)粒子在筒中运动的时间为多少？解析:(1)粒子射入圆筒后受洛仑兹力的作用而发生偏转,设第一次与B点碰撞,撞后速度方向又指向O点,设粒子碰撞n-1次后再从A点射出,则其运动轨迹是n段相等的弧长.设第一段圆弧的圆心为O/,半径为r,则=2/2n=/n.,由几何关系得,又由r=mv/Bq,联立得:(2)粒子运动的周期为:T=2m/qB,将B代入得弧AB所对的圆心角粒子由A到B所用的时间 (n=3.4.5)故粒子运动的总时间为 (n=3.4.5)【例9】S为电子源，它只能在如图（l）所示纸面上的3600范围内发射速率相同，质量为m，电量为e的电子，MN是一块竖直挡板，与S的水平距离OS=L，挡板左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B（l）要使S发射的电子能到达挡板，则发射电子的速度至少多大？（2）若S发射电子的速度为eBLm时，挡板被电子击中范围多大？（要求指明S在哪个范围内发射的电子可以击中挡板，并在图中画出能击中挡板距O上下最远的电子的运动轨道）【解析】（l）电子在磁