高考物理带电粒子在磁场中的运动解析归纳

高考物理带电粒子在磁场中的运动解析归纳

难点之九：带电粒子在磁场中的运动 一、难点突破策略 ‎（一）明确带电粒子在磁场中的受力特点 ‎1. 产生洛伦兹力的条件：‎ ‎①电荷对磁场有相对运动．磁场对与其相对静止的电荷不会产生洛伦兹力作用．‎ ‎②电荷的运动速度方向与磁场方向不平行． ‎2. 洛伦兹力大小：‎ 当电荷运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力f=0；‎ 当电荷运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大，f=qυB；‎ 当电荷运动方向与磁场方向有夹角θ时，洛伦兹力f= qυB·sinθ ‎3. 洛伦兹力的方向：洛伦兹力方向用左手定则判断 ‎4. 洛伦兹力不做功．‎ ‎（二）明确带电粒子在匀强磁场中的运动规律 带电粒子在只受洛伦兹力作用的条件下：‎ ‎1. 若带电粒子沿磁场方向射入磁场，即粒子速度方向与磁场方向平行，θ＝0°或180°时，带电粒子粒子在磁场中以速度υ做匀速直线运动．‎ ‎2. 若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直，即θ＝90°时，带电粒子在匀强磁场中以入射速度υ做匀速圆周运动．‎ ‎①向心力由洛伦兹力提供：‎ ‎②轨道半径公式：‎ ‎③周期：，可见T只与有关，与v、R无关。‎ ‎（三）充分运用数学知识（尤其是几何中的圆知识，切线、弦、相交、相切、磁场的圆、轨迹的圆）构建粒子运动的物理学模型，归纳带电粒子在磁场中的题目类型，总结得出求解此类问题的一般方法与规律。‎ ‎1. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的基本型问题 ‎（1）定圆心、定半径、定转过的圆心角是解决这类问题的前提。确定半径和给定的几何量之间的关系是解题的基础，有时需要建立运动时间t和转过的圆心角α之间的关系（）作为辅助。圆心的确定，通常有以下两种方法。‎ ‎① 已知入射方向和出射方向时，可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线，两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心（如图9-1中P为入射点，M为出射点）。‎ 图9-1 图9-2 图9-3‎ ‎② 已知入射方向和出射点的位置，可以通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心（如图9-2,P为入射点，M为出射点）。‎ ‎（2）半径的确定和计算：利用平面几何关系，求出该圆的可能半径或圆心角。并注意以下两个重要的特点：‎ ‎① 粒子速度的偏向角等于回旋角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角θ）的2倍，如图9-3所示。即：‎ ‎。‎ ‎② 相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ/互补，即θ＋θ/＝180o。‎ ‎（3）运动时间的确定 粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间可由下式表示。‎ 注意：带电粒子在匀强磁场中的圆周运动具有对称性。‎ ‎① 带电粒子如果从一直线边界进入又从该边界射出，则其轨迹关于入射点和出射点线段的中垂线对称，入射速度方向、出射速度方向与边界的夹角相等；‎ ‎② 在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出。‎ 应用对称性可以快速地确定运动的轨迹。‎ 例1：如图9-4所示，在y小于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，磁感应强度为B，一带正电的粒子以速度从O点射入磁场，入射速度方向为xy平面内，与x轴正向的夹角为θ，若粒子射出磁场的位置与O点的距离为L，求该粒子电量与质量之比。‎ 图9-4 图9-5‎ ‎ ‎ ‎ 【审题】本题为一侧有边界的匀强磁场，粒子从一侧射入，一定从边界射出，只要根据对称规律①画出轨迹，并应用弦切角等于回旋角的一半，构建直角三角形即可求解。‎ ‎【解析】根据带电粒子在有界磁场的对称性作出轨迹，如图9-5所示，找出圆心A，向x轴作垂线，垂足为H，由与几何关系得：‎ ‎ ‎ ‎ 【总结】在应用一些特殊规律解题时，一定要明确规律适用的条件，准确地画出轨迹是关键。‎ 图9-6‎ 图9-7‎ 例2：电视机的显像管中，电子（质量为m，带电量为e）束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图9-6所示，磁场方向垂直于圆面，磁场区的中心为O，半径为r。当不加磁场时，电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感强度B应为多少？‎ ‎【审题】本题给定的磁场区域为圆形，粒子入射方向已知，则由对称性，出射方向一定沿径向，而粒子出磁场后作匀速直线运动，相当于知道了出射方向，作入射方向和出射方向的垂线即可确定圆心，构建出与磁场区域半径r和轨迹半径R有关的直角三角形即可求解。‎ ‎【解析】如图9-7所示，电子在匀强磁场中做圆周运动，圆周上的两点a、b分别为进入和射出的点。做a、b点速度的垂线，交点O1即为轨迹圆的圆心。‎ 设电子进入磁场时的速度为v，对电子在电场中的运动过程有：‎ 对电子在磁场中的运动（设轨道半径为R）有：‎ 由图可知，偏转角θ与r、R的关系为：‎ 联立以上三式解得：‎ ‎【总结】本题为基本的带电粒子在磁场中的运动，题目中已知入射方向，出射方向要由粒子射出磁场后做匀速直线运动打到P点判断出，然后根据第一种确定圆心的方法即可求解。‎ ‎2. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的范围型问题 例3：如图9-8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-q的粒子以与CD成θ角的速度V0垂直射入磁场中。要使粒子必能从EF射出，则初速度V0应满足什么条件？EF上有粒子射出的区域？‎ 图9-8 图9-9 图9-10‎ ‎【审题】如图9-9所示，当入射速度很小时电子会在磁场中转动一段圆弧后又从同一侧射出，速率越大，轨道半径越大，当轨道与边界相切时，电子恰好不能从另一侧射出，当速率大于这个临界值时便从右边界射出，依此画出临界轨迹，借助几何知识即可求解速度的临界值；对于射出区域，只要找出上下边界即可。‎ ‎【解析】粒子从A点进入磁场后受洛伦兹力作匀速圆周运动，要使粒子必能从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9-10所示，作出A、P点速度的垂线相交于O/即为该临界轨迹的圆心。‎ 临界半径R0由 有: ；‎ 故粒子必能穿出EF的实际运动轨迹半径R≥R0‎ 即: 有: 。‎ 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为PG，‎ 且由图知: 。‎ ‎【总结】带电粒子在磁场中以不同的速度运动时，圆周运动的半径随着速度的变化而变化，因此可以将半径放缩，运用“放缩法”探索出临界点的轨迹，使问题得解；对于范围型问题，求解时关键寻找引起范围的“临界轨迹”及“临界半径R‎0”‎，然后利用粒子运动的实际轨道半径R与R0的大小关系确定范围。‎ 例4：如图9-11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挡板且与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；‎ ‎①若电子的发射速率为V0，要使电子一定能经过点O，则磁场的磁感应强度B的条件？‎ ‎②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？‎ 图9-11 图9-12‎ ‎③若磁场的磁感应强度为B，从S发射出的电子的速度为，则档板上出现电子的范围多大？‎ ‎【审题】电子从点S发出后必受到洛仑兹力作用而在纸面上作匀速圆周运动，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SO上方发射出的电子才可能经过点O；‎ 由于粒子从同一点向各个方向发射，粒子的轨迹构成绕S点旋转的一动态圆，动态圆的每一个圆都是逆时针旋转，这样可以作出打到最高点与最低点的轨迹，如图9-12所示，最低点为动态圆与MN相切时的交点，最高点为动态圆与MN相割，且SP2为直径时P为最高点。‎ ‎【解析】①要使电子一定能经过点O，即SO为圆周的一条弦，‎ 则电子圆周运动的轨道半径必满足，由 得：‎ ‎②要使电子从S发出后能到达档板，则电子至少能到达档板上的O点，故仍有粒子圆周运动半径， 由 有： ‎ ‎③当从S发出的电子的速度为时，电子在磁场中的运动轨迹半径 作出图示的二临界轨迹，故电子击中档板的范围在P1P2间；‎ 对SP1弧由图知 对SP2弧由图知 ‎【总结】本题利用了动态园法寻找引起范围的“临界轨迹”及“临界半径R‎0”‎，然后利用粒子运动的实际轨道半径R与R0的大小关系确定范围。‎ ‎3. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的极值型问题 寻找产生极值的条件：①直径是圆的最大弦；②同一圆中大弦对应大的圆心角；③由轨迹确定半径的极值。‎ 例5：图9-13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O处相切；磁场B＝0．33T垂直于纸面向内，在O处有一放射源S可沿纸面向各个方向射出速率均为 图9-13‎ v=3.2×‎106m/s的α粒子；已知α粒子质量为m=6.6×10‎-27kg，电量 q=3.2×10‎-19c，则α粒子通过磁场空间的最大偏转角θ及在磁场中运 动的最长时间t各多少？‎ ‎【审题】本题α粒子速率一定，所以在磁场中圆周运动半径一定，由 于α粒子从点O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θ不同，要使α粒子在运动中通过 磁场区域的偏转角θ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即为粒子在磁场中运动所经过的最大弦，依此作出α粒子的运动轨迹进行求解。‎ ‎【解析】α粒子在匀强磁场后作匀速圆周运动的运动半径：‎ α粒子从点O入磁场而从点P出磁场的轨迹如图圆O/所对应的圆弧所示，该弧所对的圆心角即为最大偏转角θ。‎ 由上面计算知△SO/P必为等边三角形，故θ＝60°‎ 此过程中粒子在磁场中运动的时间由即为粒子在磁场中运动的最长时间。‎ ‎【总结】当速度一定时，弧长（或弦长）越长，圆周角越大，则带电粒子在有界磁场中运动的时间越长。‎ 例6：一质量m、带电q的粒子以速度V0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。‎ ‎【审题】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；故由直径是圆的最大弦可得圆形磁场的最小区域必为以直线PQ为直径的圆如图中实线圆所示。‎ ‎【解析】由题意知，圆形磁场区域的最小面积为图中实线所示的圆的面积。‎ 图9-14‎ ‎∵△ABC为等边三角形，故图中α＝30°‎ 则： ‎ 故最小磁场区域的面积为。‎ ‎ 【总结】根据轨迹确定磁场区域，把握住“直径是圆中最大的弦”。‎ ‎4. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的多解型问题 抓住多解的产生原因：‎ ‎（1）带电粒子电性不确定形成多解。‎ ‎（2）磁场方向不确定形成多解。‎ ‎（3）临界状态不唯一形成多解。‎ ‎（4）运动的重复性形成多解。‎ 例7：如图9-15所示，第一象限范围内有垂直于xoy平面的匀强磁场，磁感应强度为B。质量为m，电量大小为q的带电粒子在xoy平面里经原点O射入磁场中，初速度v0与x轴夹角θ=60o，试分析计算：‎ ‎（1）带电粒子从何处离开磁场？穿越磁场时运动方向发生的偏转角多大？‎ 图9-15‎ 图9-16‎ ‎（2）带电粒子在磁场中运动时间多长？‎ ‎【审题】若带电粒子带负电，进入磁场后做匀速圆周运动，圆心为O1，粒子向x轴偏转，并从A点离开磁场。若带电粒子带正电，进入磁场后做匀速圆周运动，圆心为O2，粒子向y轴偏转，并从B点离开磁场。粒子速率一定，所以不论粒子带何种电荷，其运动轨道半径一定。只要确定粒子的运动轨迹，即可求解。‎ ‎【解析】粒子运动半径：。如图9-16，有 带电粒子沿半径为R的圆运动一周所用的时间为 ‎（1）若粒子带负电，它将从x轴上A点离开磁场，运动方向发生的偏转角 A点与O点相距 若粒子带正电，它将从y轴上B点离开磁场，运动方向发生的偏转角 B点与O点相距 ‎（2）若粒子带负电，它从O到A所用的时间为 若粒子带正电，它从O到B所用的时间为 ‎ 【总结】受洛伦兹力作用的带电粒子，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，导致形成双解。‎ 例8：一质量为m，电量为q的负电荷在磁感应强度为B的匀强磁场中绕固定的正电荷沿固定的光滑轨道做匀速圆周运动，若磁场方向垂直于它的运动平面，且作用在负电荷的电场力恰好是磁场力的三倍，则负电荷做圆周运动的角速度可能是（ ）‎ A. B. C. D. ‎ ‎ 【审题】依题中条件“磁场方向垂直于它的运动平面”，磁场方向有两种可能，且这两种可能方向相反。在方向相反的两个匀强磁场中，由左手定则可知负电荷所受的洛仑兹力的方向也是相反的。因此分两种情况应用牛顿第二定律进行求解。‎ ‎【解析】当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相同时，根据牛顿第二定律可知 ‎， 得 ‎ 此种情况下，负电荷运动的角速度为 当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相反时，有，得 此种情况下，负电荷运动的角速度为 应选A、C。‎ ‎ 【总结】本题中只告诉了磁感应强度的大小，而未具体指出磁感应强度的方向，此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成双解。‎ 图9-17‎ 例9：如图9-17甲所示，A、B为一对平行板，板长为L，两板距离为d，板间区域内充满着匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，一个质量为m，带电量为+q的带电粒子以初速，从A、B两板的中间，沿垂直于磁感线的方向射入磁场。求在什么范围内，粒子能从磁场内射出？‎ ‎【审题】粒子射入磁场后受到洛仑兹力的作用，将做匀速圆周运动，圆周运动的圆心在入射点的正上方。要想使粒子能射出磁场区，半径r必须小于d/4（粒子将在磁场中转 半个圆周后从左方射出）或大于某个数值（粒子将在磁 场中运动一段圆弧后从右方射出）‎ ‎【解析】如图9-17乙所示，当粒子从左边射出时，‎ 若运动轨迹半径最大，则其圆心为图中O1点，半 径。因此粒子从左边射出必须满足。‎ 由于 所以 即: ‎ 当粒子从右边射出时，若运动轨迹半径最小，则其圆心为图中O2点，半径为。‎ 由几何关系可得: ‎ 因此粒子从右边射出必须满足的条件是 ，即 所以当或时，粒子可以从磁场内射出。‎ ‎【总结】本题只问带电粒子在洛伦兹力作用下飞出有界磁场时，由于粒子运动轨迹是圆弧状，因此，它可能穿过去了，也可能转过180o从入射界面这边反向飞出，于是形成多解，在解题时一定要考虑周全。‎ 例10：如图9-18所示，在x轴上方有一匀强电场，场强为E，方向竖直向下。在x轴下方有一匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向里。在x轴上有一点P，离原点的距离为a。现有一带电量+q的粒子，质量为m，从y轴上某点由静止开始释放，要使粒子能经过P点，其初始坐标应满足什么条件？（重力作用忽略不计）‎ 图9-18‎ ‎ 【审题】根据带电粒子在电场中的加速运动和带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动知识，要使带电粒子能通过P点，由于粒子在磁场中偏转到达P点时可能经过的半圆个数不确定，导致多解。‎ ‎【解析】（1）粒子从y轴上由静止释放，在电场加速下进入磁场做半径为R的匀速圆周运动。由于粒子可能偏转一个、二个……半圆到达P点，‎ 故 ①‎ 设释放处距O的距离为y1，则有:‎ ‎ ②‎ ‎ ③‎ 由①、②、③式有 ‎【总结】带电粒子在部分是磁场，部分是电场的空间运动时，运动往往具有重复性，因而形成多解。‎ ‎5. 带电粒子在几种“有界磁场”中的运动 图9-19‎ ‎（1）带电粒子在环状磁场中的运动 例11：核聚变反应需要几百万度以上的高温，为把高温条件下高速运动 的离子约束在小范围内（否则不可能发生核反应），通常采用磁约束的方 法（托卡马克装置）。如图9-19所示，环状匀强磁场围成中空区域，中空 区域中的带电粒子只要速度不是很大，都不会穿出磁场的外边缘而被约束 在该区域内。设环状磁场的内半径为R1=‎0.5m，外半径R2=‎1.0m，磁场的 磁感强度B=1.0T，若被束缚带电粒子的荷质比为q/m=4×C/㎏，中空 区域内带电粒子具有各个方向的速度。试计算：‎ ‎（1）粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁场的最大速度。‎ ‎（2）所有粒子不能穿越磁场的最大速度。‎ ‎【审题】本题也属于极值类问题，寻求“临界轨迹”是解题的关键。要粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁场，则粒子的临界轨迹必须要与外圆相切；要使所有粒子都不穿越磁场，应保证沿内圆切线方向射出的粒子不穿越磁场，即运动轨迹与内、外圆均相切。‎ 图9-20‎ r1‎ ‎【解析】（1）轨迹如图9-20所示 由图中知，解得 由得 所以粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁场的最大速度为 ‎。‎ 图9-21‎ O O2‎ ‎（2）当粒子以V2的速度沿与内圆相切方向射入磁场且轨道与外圆相切时，则以V1速度沿各方向射入磁场区的粒子都不能穿出磁场边界，如图9-21所示。‎ 由图中知 由得 所以所有粒子不能穿越磁场的最大速度 ‎【总结】带电粒子在有界磁场中运动时，运动轨迹和磁场边界“相切”往 往是临界状态，对于解题起到关键性作用。‎ ‎（2）带电粒子在有“圆孔”的磁场中运动 a b c d S o 图22‎ 例12：如图9-22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）‎ ‎【审题】带电粒子从S点出发，在两筒之间的电场作用下加速，沿径向穿过狭缝a而进入磁场区，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动。粒子再回到S点的条件是能沿径向穿过狭缝d.只要穿过了d，粒子就会在电场力作用下先减速，再反向加速，经d重新进入磁场区，然后粒子以同样方式经过c、b，再回到S点。‎ ‎【解析】如图9-23所示，设粒子进入磁场区的速度大小为V，根据动能定理，有 a b c d S o 图9-23‎ 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：‎ 由上面分析可知，要回到S点，粒子从a到d必经过圆周，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：‎ ‎ 【总结】根据题意及带电粒子匀速圆周运动的特点，画出粒子的运动轨迹是解决此类问题的关键所在。‎ B B E L d O 图9-24‎ ‎（3）带电粒子在相反方向的两个有界磁场中的运动 例13：如图9-24所示，空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁 场。左侧匀强电场的场强大小为E、方向水平向右，电场宽度为L；‎ 中间区域匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外。一 个质量为m、电量为q、不计重力的带正电的粒子从电场的左边缘 的O点由静止开始运动，穿过中间磁场区域进入右侧磁场区域后，‎ 又回到O点，然后重复上述运动过程。求：‎ ‎（1）中间磁场区域的宽度d;‎ 图9-25‎ O O3‎ O1‎ O2‎ ‎600‎ ‎（2）带电粒子从O点开始运动到第一次回到O点所用时间t.‎ ‎【审题】带电粒子在电场中经过电场加速，进入中间区域磁场，‎ 在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，又进入右侧磁场区域做圆周 运动，根据题意，粒子又回到O点，所以粒子圆周运动的轨迹具 有对称性，如图9-25画出粒子运动轨迹。‎ ‎【解析】（1）带电粒子在电场中加速，由动能定理，可得：‎ 带电粒子在磁场中偏转，由牛顿第二定律，可得：‎ 由以上两式，可得。‎ 可见在两磁场区粒子运动半径相同，三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3是等边三角形，其边长为2R。所以中间磁场区域的宽度为 ‎（2）在电场中 ‎，‎ 在中间磁场中运动时间 在右侧磁场中运动时间，‎ 则粒子第一次回到O点的所用时间为 ‎。‎ ‎【总结】带电粒子从某一点出发，最终又回到该点，这样的运动轨迹往往具有对称性，由此画出运动的大概轨迹是解题的突破点。‎