带电粒子在有界磁场中运动(超经典)..

1、带电粒子在有界磁场中运动的临界问题“临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条 件” “动量中的避免碰撞问题”等等,这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。带电粒子在有界磁 场中运动的临界问题,在解答上除了有求解临界问题的共性外,又有它自身的一些特点。一、解题方法画图一动态分析一找临界轨迹。（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半， 余下的就只有计算了这一般都不难。）二、常见题型（8为磁场的磁感应强度，坏为粒子进入磁场的初速度）刈方向一定，大小不确定第一类自大小一定，方向不确定

2、第二类见大小' 方向都不确定第三类,功确定第四类2.B不确定 f|功大小一定，方向不确定第五类分述如下：第一类问题：例1如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为6,宽度为d边界为和£尸。一电子从C ，边界外侧以速率心垂直匀强磁场射入，入射方向与。边界夹角为己知电子的质量 为血电荷量为G为使电子能从磁场的另一侧E尸射出，求电子的速率打至少多大？分析:如图2,通过作图可以看到：随着坏的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边界£尸 相切，然后就不难解答了。第二类问题：例2如图3所示,水平线必.下方存在垂直纸而向里的磁感应强度为的匀强磁场，在M N线上某点。正下方与之相距£

3、;的质子源S,可在纸而内360°范阚内发射质量为小电量为 ，、速度为以二灰£ /s的质子，不计质子重力，打在忆V上的质子在。点右侧最远距离OP=_ ,打在0点左侧最远距离00=o分析：首先求出半径得/然后作出临界轨迹如图4所示（所有从S发射出去的质子做 圆周运动的轨道圆心是在以s为圆心、以=£为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），【练习】如图5所示，在屏 此的上方有磁感应强度为笈的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向 里.尸为屏上的一小孔，尸。与垂直，一群质量为如带电荷量为-，的粒子（不计重力），以相同的速率匕从严

4、处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域。粒子入射方向在与磁场5垂直 的平面内，且散开在与。夹角为°的范围内，则在屏阳'上被粒子打中的区域的长度为2mv1b2wv(l - cos &)分析:如图6所示，打在屏上距产最远的点是以a为圆心的圆与屏的交点，打在屏上最近 的点是以a或a为圆心的圆与屏的交点（与例2相似,可先作出一系列动态圆）。故答案选 “D”。第三类问题：例3 （ 2 009年山东卷）如图中所示，建立公J，坐标系，两平行极板尸、。垂直于y轴且 关于x轴对称，极板长度和板间距均为，第一、四象限有磁场，方向垂直于平而向里。 位于极板左侧的粒子源沿x轴向右连续发射质量为外电

5、量为+如速度相同、重力不计的带 电粒子。在03a时间内两板间加上如图乙所示的电压（不考虑极板边缘的影响）。tvl x x x x叫 * x x x x产至to 2力0 3向图乙X X xBxX X图甲己知1=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在仇时刻经极板边缘射入磁场。上述小q、1、 to. 8为已知量。（不考虑粒子间相互影响及返回极板间的情况）（1）求电压口的大小。J（2）求马t。时刻进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。（3）何时进入两板间的带电粒子在磁场中的运动时间最短？求此最短时间。图丙1分析：粒子进入电场做类平抛运动，由平抛运动规律即可求得偏转电压 仁时刻进入的粒子先做类平抛运动

6、，2益后沿末速度方向做匀速直线运动，利用相应规律可求得射出电 场的速度大小,进入磁场后做匀速圆周运动,洛仑兹力提供向心力，可求提半径月;2匕。时刻进 入的带电粒子加速时间最长（如图丙所示），加上此时粒子进入磁场是向上偏转,故运动时间 最短，同样应用类平抛运动规律和圆周运动规律,即可求得此最短时间。第四类问题：例4如图7所示,磁感应强度大小5=0.15T,方向垂直纸而向里的匀强磁场分布在半 径后0. 10m的圆形区域内，圆的左端跟/轴相切于直角坐标系原点。，右端跟荧光屏相 切于x轴上的A点。置于原点的粒子源可沿*轴正方向射出速度钝=3. OXIOWs的带正电 的粒子流，粒子的重力不计，荷质比qA

7、Fl.OXlO'C/kg。现以过。点并垂直于纸面的直线 为轴，将圆形磁场逆时针缓慢旋转90° ,求此过程中粒子打在荧光屏上离月的最远距离。分析:本题可先设想磁场是无界的，那么粒子在磁场中运动的一段圆弧如图8中的弧。£ （半径l2庐0. 2 0m,圆心为。'），现在圆形磁场以。为轴在旋转相当于直径。1也在旋转， 当直径O A旋转至如位置时,粒子从圆形磁场中离开射向荧光屏时离A有最远距离（落点 为尸）。图中0'。为等边三角形，尸与0'。;延长交于C点，图中0 =OC = r tan S = AC land = -m= 0.15m60°,

8、2,AC=2R-OC,皿,5。练习：如图9所示，一个质量为m,带电荷量为+，的粒子以速度内从。点沿y轴正方向 射入磁感应强度为6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x轴上的8点穿过，其速度方向与a轴正方向的夹角为30° ,粒子的重力可忽略不计，试 求：（1）圆形匀强磁场区域的最小面积；（2）粒子在磁场中运动的时间；（3） 6至IJ。的距离°分析：如图10,过6点作速度的反向延长线交y轴于。点，作/36的角平分线交x轴于Q，再以Q为圆心、以Q0为半径画弧,与直线c 6相切于点A,粒子运动的轨迹即为 O-A-b,圆形磁场即为以）为直径的圆，利用相关

9、物理公式及几何知识不难计算出本题的 结果。第五类问题：例5电子质量为曲电荷量为e,从坐标原点。处沿*0，平面射入第一象限，射入时速度 方向不同,速度大小均为的,如图11所示。现在某一区域加一方向向外且垂直于*。/平而 的匀强磁场，磁感应强度为B,若这些电子穿过磁场后都能垂直射到荧光屏上，荧光屏与y 轴平行，求：（1）荧光屏上光斑的长度；（2）所加磁场范闱的最小面积。分析：本题可先作出这些射入第一象限的电子做圆周运动的轨道圆心的集合，必在弧a Q 上（如图12）,然后设想以该弧上的各点（如图12中的2等四点）为圆心作出粒子运动的轨迹， 最终垂直射到物'上的尸。间，所以荧光屏上光斑的长度即

10、为PQ= R=mW e氏所加磁场范围 即为图中由弧如。所闱的区域，其中弧R。可看成是由弧Q。向上平移R得到的。练习：例5若改为“磁场方向垂直于平面向里,荧光屏加.移至V轴右侧，”其他条件不 变，情况又怎样呢?读者可试作分析。（所加磁场的最小范围为一 “树叶”形状）综合以上题型,我们可以看到，这些问题的解答很能体现学生的分析思维能力以及想象能 力，要求学生能够由一条确定的轨迹想到多条动态轨迹，并最终判定临界状态，这需要在平 时的复习中让学生能有代表性地涉猎一些习题，才能在高考应试中得心就手，应对自如。例析用圆心轨迹确定带电粒子在磁场中运动区域问题同种带电粒子从同一点以相同速率、沿不同方向进入同一

11、匀强磁场中，粒子可能 达到的区域的确定是教学中常遇，学生感到棘手，高考乂考查的问题。现就此类问题 举例分析。题目1 （ 2 0 0 5年全国高考）如图1,在一水平放置的平板MN的上方有一匀 强磁场,磁感应强度的大小为B ,磁场方向垂直纸面向里,许多质量为m、带电荷量为十 q的粒子，以相同的速率V。沿位于纸面内的各个方向，由小孔。射入磁场区域。不计重 力，不计粒子间的相互影响。图2中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域，其中r =m vo /B q,哪个图是正确的（）XXXXXXXXXXXXXXXif o Nffi I析与解依据题意，所有带电粒子在磁场中做圆周运动的半径相同r=mv° /

12、 Bq所 以，在纸面内由。点沿不同方向入射的带电粒子作圆周运动的圆心轨迹是以O为圆心, r为半径的圆周（A图中虚线圆示）。乂因为带电粒子带正电、进磁场时只分布在以ON 和OM为边界的上方空间，而向心力由洛仑兹力提供，它既指向圆心乂始终垂直速度, 可确定：圆心轨迹只能是A图中虚线圆直径分隔的左半边虚线圆周；再以A图中左半 虚线圆上各点为圆心、以r为半径作圆，圆周在磁场中所能达到的区域应为A图阴影区。 所以A图正确。题目2如图3所示，有许多电子（每个电子的质量为m ,电量为e）在xOy平面 内从坐标原点O不断地以相同大小的速度vo沿不同方向射入第一象限。现加上一个方 向向里垂直于xO y平面、磁感

13、应强度为B的匀强磁场，要求这些电子穿过该磁场后都 能平行于x轴并向x轴的正方向运动。试求符合该条件的磁场的最小面积。析与解因为所有电子都在匀强磁场中作半径为r= m vo/Be的匀速圆周运动.而沿y轴的正方向射入的边缘电子需转过1 /4圆周 才能沿x轴的正方向运动，它的轨迹应为所求最小面积磁场区域的上边界一一如图中 弧线a,其圆心在垂直入射速度的x轴上01(r ,0) o现设沿与x轴成任意角a(0 <a < 90° )射入的电子在动点p离开磁场。这些从 O点沿不同方向入射的电子做圆周运动的圆心O'到入射点O的距离乂都为半径r。所 以，O'形成一个以入射点0

14、(即坐标原点)为圆心、r为半径的1/4圆弧轨迹如图3中弧线c。根据题目要求，各电子射出磁场时速度v要为平行x轴的正方向。故由 做圆周运动的物体的圆心乂应在垂直出射速度的直线上可知，从不同点p射出的电子的 圆心O' 乂必在对应出射点P的正下方 即曲线c上各点到对应正上方出射点p的距 离也都等于r；因此将1/4圆弧轨迹c沿y轴正向平移距离后如图中弧线b,弧线b就是各出射点p的轨迹，它实际是以OMO, r)为圆心，半径为r的1/4圆弧；既然 点p是出射点一 一即磁场的下边界，故弧线b应为所求最小面积磁场区域的下边界。 所以,所求面积为图中弧线a与b所围阴影面积。 由几何得：=2力42将，=等

15、代入得 Be(寅-2) /而马2(Be)2“带电粒子在磁场中的圆周运动”解析2011-12- 1 5 1 3:58:53 I 分类：高三物理|字号大中小 订阅处理带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题，其木质是平面几何知识与物理知识的综合运用。重要的 是正确建立完整的物理模型，画出准确、清晰的运动轨迹,下而我们从基本问题出发对“带电粒子在磁场 中的圆周运动”进行分类解析。一、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的基本型问题找圆心、画轨迹是解题的基础。带电粒子垂直于磁场进入一匀强磁场后在洛仑兹力作用下必作匀速圆 周运动,抓住运动中的任两点处的速度,分别作出各速度的垂线,则二垂线的交点必为圆心：或者用垂径定

16、理 及一处速度的垂线也可找出圆心;再利用数学知识求出恻周运动的半径及粒子经过的圆心角从而解答物理 问题。【例1】图示在y<0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外，磁场的磁感应强 度为B： 一带正电的粒子以速度V。从0点射入磁场中，入射方向在xy平面内，与X轴正方向的夹角为口 ；若£粒子射出磁场的位置与。点的距离为L。求该粒子的电荷量和质里比的：粒子在磁场中的运动时间。分析:粒子受洛仑兹力后必将向下偏转,过0点作速度V。的垂线必过粒子运动轨迹的网心0 '；由于圆的对称性知粒子经过点P时的速度方向与x轴正方向的夹角必为0,故点P作速度的垂线与点0处速度垂

17、线的交点即为留心0'（也可以用垂径定理作弦0P的垂直平分线与点0处速度的垂线的交点也为圆心）。Lsin 6 =- R =由图可知粒子圆周运动的半径由R 2衣有 2dn 6 ：再由洛仑兹力作向心力得出粒子在R =磁场中的运动半径为mvQ _ L故有 qB 2sin 6q _ 2v0 sin &解之网 BL o由图知粒子在磁场中转过的圆心角为&二 2不一2&，故粒子在磁场中的运动时间为奈7Hl 一1 = 1-1，）上 v0 sin &【例2】如图以a b为边界的二匀强磁场的磁感应强度为B：= 2 Be,现有一质量为m带电+q的粒子从0点以初速度V。沿垂直于a

18、 b方向发射;在图中作出粒子运动轨迹，并求出粒子第6次穿过直线a b所经历的 时间、路程及离开点。的距离。（粒子重力不计）分析：粒子在二磁场中的运动半径分别为冷（J- 用0 C门2笳风二/二困，由粒子在磁场中所受的洛仑兹力的方向可以作出粒子的运动轨迹如图所示。粒子从点0出发第6次穿过直线ab时的位更必为点P：£ = 3,4 + S?看=!,7；二等97rm故粒子运动经历的时间为I 2 2 J ,而粒子的运动周期洛 型）代入前式有S = 3（制+碣”竺型粒子经过的路程叫。点0与P的距离为0P3x2用=- 妈二、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的范围型问题d我引起范困的，临界轨迹”及“临界

19、半径R，然后利用粒子运动的实际轨道半径R与的大小 关系确定范围。【例3】如图所示真空中宽为d的区域内有强度为B的匀强磁场方向如图.质量m带电一q的粒子以与CD成0角的速度V。垂直射入磁场中；要使粒子必能从EF射出则初速度V。应满足什么条件？ E F上有粒 子射出的区域？分析：粒子从A点进入磁场后受洛仑兹力作匀速圆周运动,要使粒f必能从EF射出，则相应的临界轨 迹必为过点A并与EF相切的轨迹如图示，作出A、P点速度的垂线相交于0'即为该临界轨迹的圆心，临界半径R ,由4 +& cos' = 4有1十cos 6 ；故粒子必能穿出EF的实际运动轨迹半径R2R,即n mvQ d

20、、 qBdqB -l + cos 见1 +由图知粒子不可能从P点下方向射出EF,即只能从P点上方某一区域射出：又由于粒子从点A进入磁场后受洛仑兹力必使其向右下方偏转，故粒子不可能从AG直线上方射出；由此可见EF中有粒子射出的区域PG=R0 sin + cot5= si'". +dcotd 为pg,且由图知1十co*6【例4】如图所示S为电子射线源能在图示纸面上和360,范围内向各个方向发射速率相等的质量为m、 带电-e的电子，MN是一块足够大的竖直档板且与S的水平距离OS=L,档板左侧充满垂直纸面向里的匀强 磁场;若电子的发射速率为V。，要使电子一定能经过点0,则战场的磁感应

21、强度B的条件？若磁场的磁 感应强度为B ,要使S发射出的电子能到达档板，则电子的发射速率多大?若磁场的磁感应强度为B,从S2eBL发射出的电子的速度为 网，则档板上出现电子的范困多大?分析:电子从点S发出后必受到洛仑兹力作用而在纸曲上作匀速圆周运动，由于电子从点S射出的方 向不同将使其受洛仑兹力方向不同，导致电子的轨迹不同，分析知只有从点S向与SO成锐角且位于S。上方 发射出的电子才可能经过点0°R>-要使电子一定能经过点o,即so为阅周的一条弦,则电子阅周运动的轨道半径必满足 2,由搐%£2根%己一K SqB2 eLo要使电子从S发出后能到达档板,则电子至少能到达档

22、板上的0点，故仍有粒子圆周运动半径1 mv。、L eBLsin a = -> v0 >4 ,由防 2有 2m .五J丝=2£ qR，但由于电2cBL当从s发出的电子的速度为网时，电子在磁场中的运动轨迹半;径 子发射出的方向不同则其轨道不同，因而到达MN板的位置不同°由此作出图示的二临界轨迹M'S招，O =显故电子击中档板的范围在pp2间;对sp1弧由图知 I /a ，且该电子的发射方向与OP2 = J（4£）2 - 2=岳Lso必成30°向so下方发射;对sp二弧由图知 2 % '，且该电子的发射方向与 so成a为/ = 3.

23、2x10°的/£而向so的左上方发射。三、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的极值型问题寻找产生极值的条件：直径是圆的最大弦;同一网中大弦对应大的网心角；由轨迹确定半径的 极值。【例5】图中半径r= 10cm的圆形区域内有匀强磁场，其边界跟y轴在坐标原点。处相切;磁场B= 0.33T垂直于纸面向内，在0处有-放射源S可沿纸面向各个方向射出速率均为打=3.2X106阳的a 粒子；已知a粒子质量为冽=6.5乂1严吆，电量0 = 3.2x10-1% ,则a粒子通过磁场空间的最 大偏转角»及在磁场中运动的最长时间t各多少？R = = 0.2的=2r分析：a粒子从点o进入匀强磁

24、场后必作匀速圆周运动，其运动半径由 城一定:由于«粒子从点。进入磁场的方向不同故其相应的轨迹与出场位置均不同，则粒子通过磁场的速度偏向角 0不同；要使a粒子在运动中通过磁场区域的偏转角n最大，则必使粒子在磁场中运动经过的弦长最大: 因而圆形磁场区域的直径0P即为粒子在磁场中运动所经过的最大弦;故a粒子从点0入磁场而从点P出场 的轨迹如图例0'所对应的圆孤示，该弧所对的圆心角即为最大偏转角0O由前面il算知4SO/P必为等 边三角形，故a =30°且9=2（1=60°。此过程中粒子在磁场中运动的时间由2=工竺=6.54义10差66gs即为粒子在磁场中运动的最

25、长时间。【例6】质量m、带电q的粒子以速度V）从A点沿等边三角形ABC的AB方向射入强度为B的垂直于纸面的圆形匀强磁场区域中，要使该粒子飞出磁场后沿BC射出，求圆形磁场区域的最小面积。分析:由题中条件求出粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径为一定,故作出粒子沿AB进入磁场而从BC射出磁场的运动轨迹图中虚线圆所示，只要小的一段圆弧PQ能处于磁场中即能完成题中要求：故由直径 是网的最大弦可得圆形磁场的最小区域必为以直线PQ为直径的例如图中实线网所示。由于三角形ABC为2r = PQ = 2K cos ex = g等边三角形，故图中。=30° ,那么qB ,故最小磁场区域的面积为【例7】有一粒

26、子源置于一平面直知坐标原点0处，如图所示相同的速率v响第一象限平面内的不同 方向发射电子，已知电子质量为m,电量:为e。欲使这些电子穿过垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场后. 都能平行于x轴沿"方向运动,求该磁场方向和磁场区域的最小面积s o分析：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R=mv/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而一条轨迹必为圆。 1,它就是磁场的上边界。其它各阅轨迹的留心所连成的线必为以点。为圆心，以R为半径的圆弧60 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

27、出点必为每条可能轨迹的最高点。 如对图中任轨迹恻0?而言，要使电子能平行于x轴向右飞出磁场，过6作弦的垂线a A,则电子必将从 点A飞出，相当于将此轨迹的圆心a沿y方向平移r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OQ2On沿y方向向上平移r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OOxPC的面积减去扇形00F的面积即为 OBPC的面积；即R，一 开陵/九根据几何关系有最小磁场区域的面积为S=2(R'-7iie/4)=(刀/ 2 - 1 )(mv0/B e ) 2a四、“带电粒子在

28、磁场中的圆周运动”的多解型问题抓住多解的产生原因：速度方向的不确定引起的多解，与自然数相关的多解即粒子运动时间与运 动周期的倍数不确定。qBL【例8】在前面“【例1】”中若将档板取走，磁场磁感应强度为B,当电子以速率 的 从点S射出 后要击中0点,则点S处电子的射出方向与OS的夹角为多少？从S到点。的时间多少？mv -r = = L分析：由已知条件知电子圆周运动的半径线，电子从点s射出后要经过点o即门货so为 圆的一条弦，由图知必有两种运动轨迹存在：由于题中SO=L=r,故N0S0, = 60° ,那么电子从点S的发 射速度V?的方向与SO所成的夹角。=30 ° ：图中N0

29、S0i=60。，故电子的发射速度Vi的方向与SO所成 的夹角© =1500 °【例9】-质量m带电q的粒子以速率V垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，粒子经过一段时间受 到的冲量的大小为mv,粒子重力不il °则此过程经历的时间为多少?及=竺分析:粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径qb ,右图示设粒子的初位设为a,因其受冲量的大小 为mv而方向未知故必有右图中的两种情况,即未动量的方向有Pz两个,对应的冲方方向仍有L、I：口 支ap = P-7 = 7两个。粒子作匀速圆周运动中动量的大小始终为mv不变，由动量定理 一 ° 一可知 6而"亚小松+1

30、一+1）一6 ；故粒子在该过程中经历的时间为6 3qB小+2二（6左十5）皿6%B ，其中左£犷,【例1 0】在半径为r的恻筒中有沿筒轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B; -质量为m带电+q的粒子以速度V从筒壁A处沿半径方向垂直于磁场射入筒中：若它在筒中只受洛仑兹力作用且与筒壁发生弹性 碰撞，欲使粒子与筒壁连续相碰撞并绕筒壁一周后仍从A处射出：则B必须满足什么条件?带电粒子在磁场 中的运动时间?分析：由于粒子从A处沿半径射入磁场后必作匀速圆周运动，要使粒子又从A处沿半径方向射向磁场, 且粒子与筒壁的碰撞次数未知，故设粒子与筒壁的碰撞次数为n（不含返回A处并从A处射出的一次），由27r

31、 1 7TCL =图可知 笈十1 2 同十1 ,其中n为大于或等于2的整数（当n = 1时即粒子必沿恻0的直径作网线A = r tan cz = rtan运动，表示此时B = 0）；由图知粒:子恻周运动的半径R为题十1，再由粒子在磁场中-m? - mv 不R = B = cot的运动半径q*可求出 ""1。27Tm1 =粒子在磁场中的运动周期为啰,粒子每碰撞一次在磁场中转过的角度由图得82cc = -_?力+1 ,粒子从A射入磁场再从A沿半径射出磁场的过程中将经过n-1段圆弧，故粒子运/ = （«+1）T动的总时间为：2穴,将前面b代入T后与&共同代入前式

32、得（典+1） ,且丁二''2不tanv n +1五、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的动力学问题注意洛仑兹力不做功，洛仑兹力的方向将随物体的运动方向的变化而发生相应的变化;正确结合变速圆周运动中的动力学关系与能量守恒定律处理。【例11】金属小球质量m带电-q.由长L的绝缘细线悬挂于图示匀强磁场中的0点，然后将小球拉 到0 = 6 0 0处由静止移放,小球沿圆弧运动到最低点时悬线上的张力恰好为0;求磁场的磁感应强度B二?小球住更投动中悬线上的最大张力多少？XXX4Px X分析：小球从点A由静止糅放后在绕点。运动中必同时受到重力、线的拉力及洛仑兹力作用，由左 手定则知小球从A向P运动

33、中洛仑兹力方向必沿半径指向圆心，且洛仑兹力对小球不做功：故小球到达Pi wv； = mgL (1 - cos 日)点的速度大小为2(i)；小球在p点受力如图示由圆周运动有Qqy；由共得八3Mg - 2 即geos 600，由“”求出5二折死二嬴可故B =2m小球从右向左运动或从左向右运动中由于所受洛仑兹力的方向将发生变化故悬线上的张力大小将作相应的变化,分析可知当小球从左向右运动经过点P时线上的张力必有最大值，小球从左向右经过点P时二幽g£(l-cos8)y /23-cose)的速度大小仍为2有"寸：小球从左向右过p点时其受到V2F -(/ + W!g)= M2 的洛仑兹力

34、方向必沿半径向外，故P点处线上的张力T,为工可得7；二丁十kg 2幽g cos夕二少,B+3咋一 2哪c。*%将7；=4波g及。=6。代入前式得总之在处理带电粒子在磁场中的匀速圆周运动问题中，我们必须将物理规律与数学知识紧密结合，准确分析粒子运动过程及临界状态与极值条件;处理带电粒子在磁场中的变速圆周运动问题时，时刻注意洛仑兹力的方向变化并在解答中注意洛仑兹力不做功，正确利用动力学规律与能量守恒定律。带电粒子在磁场中运动的六类高考题型归类解析2011- 1 2-1 4 21：44：40| 分类： 高三物理|字号大中小订阅一、带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动基本问题找圆心、画轨迹是解题的基础。带

35、电粒子垂直于磁场进入一匀强磁场后在洛伦兹力作用 下必作匀速圆周运动,抓住运动中的任两点处的速度,分别作出各速度的垂线,则二垂线的交 点必为圆心;或者用垂径定理及一处速度的垂线也可找出圆心;再利用数学知识求出圆周运 动的半径及粒子经过的圆心角从而解答物理问题。2'°”)226 r(04天津)牡核9。为发生衰变生成镭核鸵侬并放出一个粒子。设该粒子的质量为沸、电 荷量为q，它进入电势差为U的带窄缝的平行平板电极以和区间电场时，其速度为，经电 场加速后，沿已工方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸而向外的有界匀强磁场，口万垂直平 板电极汽，当粒子从夕点离开磁场时，其速度方向与。X方位的夹

36、角8= 60°,如图所示,整 个装置处于真空中。(1)写出钻核衰变方程;(2)求粒子在磁场中沿圆弧运动的轨道半径R；(3)求粒子在磁场中运动所用时间M解析：(1 )牡核衰变方程杂"25Hq +y距(2 )设粒子离开电场时速度为巳对加速过程有v qvB = m 粒子在磁场中有五由、(3)粒子做圆周运动的回旋周期t = -T粒子在磁场中运动时间6Tim t =由、得 MR 二、带电粒子在磁场中轨道半径变化问题导致轨道半径变化的原因有：带电粒子速度变化导致半径变化。如带电粒子穿过极板 速度变化；带电粒子使空气电离导致速度变化;回旋加速器加速带电粒子等。磁场变化导 致半径变化。如通

37、电导线周围磁场，不同区域的匀强磁场不同;磁场随时间变化。动量变 化导致半径变化。如粒子裂变，或者与别的粒子碰撞；电量变化导致半径变化。如吸收电mvr =荷等。总之，由1田看"7、八4、5中某个量或某两个量的乘积或比值的变化就会导致带电粒子的轨道半径变化。X 建XX 乂iyxXXX X场XXX p XXXXXX 0XX玄XXX XXXX XXX（06年全国2）如图所示，在*<0与x>0的区域中，存在磁感应强度大小分别为质与的 匀强磁场,磁场方向垂直于纸而向里,且5 >层。一个带负电的粒子从坐标原点0以速度v 沿，轴负方向射出，要使该粒子经过一段时间后又经过。点，氐与团

38、的比值应满足什么条件?解析:粒子在整个过程中的速度大小恒为匕交替地在xy平而内房与层磁场区域中做匀速 圆周运动,轨迹都是半个圆周。设粒子的质量和电荷量的大小分别为卬和q，圆周运动的半 径分别为和三，有rm祖mvrz=妈分析粒子运动的轨迹.如图所示，在xy平面内，粒子先沿半径为小的半圆a运动至y轴 上离。点距离为2八的A点，接着沿半径为2n的半圆，运动至y轴的a点，距离此后，粒子每经历一次“回旋”（即从y轴出发沿半径八的半圆和半径为八的半圆回到 原点下方y轴），粒子y坐标就减小成设粒子经过n次回旋后与y轴交于a点。若。小即Ad满足n#2n 则粒子再经过半圆就能够经过原点，式中n=l, 2, 3,

39、为回旋次数。- - -由式解得弓"+1由式可得丛、尻应满足的条件n = b 2 , 3,三、带电粒子在磁场中运动的临界问题和带电粒子在多磁场中运动问题带电粒子在磁场中运动的临界问题的原因有:粒子运动范围的空间临界问题;磁场所占据 范围的空间临界问题，运动电荷相遇的时空临界问题等。审题时应注意恰好，最大、最多、 至少等关键字（0 7全国1）两平面荧光屏互相垂直放置，在两屏内分别取垂直于两屏交线的直线为x 轴和y轴，交点O为原点，如图所示。在y>0,0xa的区域有垂直于纸而向里的匀强磁场， 在y>0, x>a的区域有垂直于纸而向外的匀强磁场，两区域内的磁感应强度大小均为

40、B。 在0点处有一小孔，一束质量为m、带电量为q （q>0）的粒子沿x轴经小孔射入磁场，最后 打在竖直和水平荧光屏上，使荧光屏发亮。入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各 种数值.已知速度最大的粒子在0<x<a的区域中运动的时间与在x>a的区域中运动的时间 之比为2： 5,在磁场中运动的总时间为7 T /12,其中T为该粒子在磁感应强度为B的匀强磁 场中作圆周运动的周期。试求两个荧光屏上亮线的范用（不计重力的影响）。y x xX XX XX X XXr =解析:粒子在磁感应强度为6的匀强磁场中运动半径为：0g 速度小的粒子将在水a的区域走完半圆，射到竖直屏上。半圆的

41、直径在y轴上，半径的 范围从0到a,屏上发亮的范围从。到2a。轨道半径大于a的粒子开始进入右侧磁场,考虑r=a的极限情况,这种粒子在右侧的圆 轨迹与*轴在D点相切（虚线），g2a,这是水平屏上发亮范围的左边界。速度最大的粒子的轨迹如图中实线所示,它由两段圆弧组成,圆心分别为C和C',。在y轴 上，有对称性可知C'在行2a直线上,设&为粒子在的区域中运动的时间，L为在a的区域中运动的时间，由题 意可知产工“5 1 2 125T t* 二 2 12T£二由此解得：6由式和对称性可得乙 QCM = 600= 60°Z2D = 360° X= 15

42、0°12所以 NM7P= 150°- 60° = 90°即弧长AP为1/4圆周。因此，圆心C在x轴上.设速度为最大值粒子的轨道半径为斤,有直角acoc'可得*2舟2R sin 600 = 2a'3 怎由图可知OP=2bR,因此水平荧光屏发亮范围的右边界的坐标四、带电粒子在有界磁场中的极值问题寻找产生极值的条件：直径是圆的最大弦；同一圆中大弦对应大的圆心角：由轨 迹确定半径的极值。有一粒子源置于一平面直角坐标原点0处,如图所示相同的速率V。向第一象限平面内的 不同方向发射电子，已知电子质量为m,电量为e。欲使这些电子穿过垂直于纸面、磁感应

43、强度为B的匀强磁场后，都能平行于x轴沿+x方向运动,求该磁场方向和磁场区域的最小面 积So解析：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R=mv。/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 动的最上而一条轨迹必为圆“，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0为圆心，以R为半径的圆弧0Q: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而言，要 使电子能平行于x轴向右飞出磁场，过0：作弦的垂线0盘,则电子必将从点A飞出，相当于将 此轨迹的圆心0:

44、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OiO。：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0 AP示。综上所述,要求的磁场的最小区域为弧OAP与弧OBP所用。利用正方形OOFC的面 积减去扇形00, P的而积即为O B PC的面积;即R2-n R:/4o根据几何关系有最小磁场区域 的面积为 S = 2 ( R：- n R /4 ) = (n / 2 1 ) ( m v o/B e ) 。五、带电粒子在复合场中运动问题复合场包括：磁场和电场，磁场和重力场，或重力场、电场和磁场。有带电粒子的平衡问 题，匀变速运动问题,非匀变速运动问题，在

45、解题过程中始终抓住洛伦兹力不做功这一特点。 粒子动能的变化是电场力或重力做功的结果。(07四川)如图所示，在坐标系Oxy的第一象限中存在沿轴正方形的匀强电场，场强大小为瓦在其它象限中存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸而向里0月是y轴上的一点，它到 座标原点。的距离为A c是x轴上的一点，到。点的距离为1, 一质量为m、电荷量为q的 带负电的粒子以某一初速度沿x轴方向从月点进入电场区域,继而通过。点进入大磁场区域, 并再次通过月点。此时速度方向与y轴正方向成锐角°不计重力作用。试求：(1)粒子经过。点时速度的大小合方向；(2)磁感应强度的大小尻解析：(1)以a表示粒子在电场作用下的加速度，有qE = ma.加速度沿y轴负方向。设粒子从A点进入电场时的初速度为v。，由A点运动到C点经历的时间为t ,则有h = -at2由式得设粒子从点进入磁场时的速度为V, V垂直于X轴的分量由式得设粒子经过C点时的速度方向与X轴的夹角为a ,则有豆tana 二%2hcl = arctan 由式得，(2 )粒子经过C点进入磁场后在磁场中作速率为v的圆周运动。若圆周的半径为R ,