带电粒子在有界磁场 孙恒芳教你学物理-----带电粒子在有界磁场中的运动

 孙恒芳教你学物理-----带电粒子在有界磁场中的运动

   高二物理是高考的重点和难点,考试中通常以大题的形式进行考查,综合性强,是物理考试拉开分数档次的关键所在。

  高二物理主要学习电磁学,可分为四部分:静电场、恒定电流、磁场、电磁感应。本文主要对磁场部分带电粒子在有界磁场中的运动进行简单的总结。

  带电粒子在无界的匀强磁场中的运动可大致分为三类: 

带电粒子在有界磁场 孙恒芳教你学物理-----带电粒子在有界磁场中的运动

1)带电粒子速度方向与场强方向平行,粒子做匀速直线运动。

2)带电粒子速度方向与场强方向垂直,粒子做匀速率圆周运动。

3)带电粒子速度方向与场强方向成θ角度(θ不等于0、π/2、π),粒子做等距螺旋运动。

  带电粒子在有界的匀强磁场中的运动比较复杂,命题人往往结合数学上的三角函数、平面几何知识考察学生的综合能力。很多同学面对此类问题时感觉无从下手,下面陈德智简单总结一下常用的解题方法。

  有界磁场的典型形式:

          1)半无限场                2)一维受限               3)限制在矩形区域内 

    

                4)限制在圆形区域内                       5)限制在三角形区内

                  

              

   6)限制在扇形区域内 

无论有界磁场的形状怎样,粒子在其中的运动轨迹都是圆周或圆周的一部分,有几个问题是我们十分关心的。

问题1:如何确定圆心

若已知粒子射入磁场的初速度和射出磁场的末速度,可分别做初末速度的垂线,两垂线的交点就是圆心,如下图(左)所示。

若已知粒子入射点与出射点的位置和其中一点的速度,可做速度的垂线和入射点与出射点的中垂线,两垂线的交点就是圆心,如上图(右)所示。确定圆心时要灵活运用几何知识,学会找到题目中得临界条件、隐含条件。
举例:已知带正电的粒子从C点沿CD方向飞入正方形匀强磁场,并从A点射出磁场,如何确定粒子运动的圆心?

由于出射点A的速度方向不确定,我们可以先假设一个速度方向,然后应用第一种方法找出粒子圆周运动的圆心,如下图所示,但是仔细分析我们就会发现下图所示的情况是不可能发生的,因为OA与OC都是半径,应该有OA=OC,但通过推导可以得出OC>OA,所以题中隐含的信息是B即是轨迹的圆心,A点的速度方向沿DA方向。

        
问题2:如何确定半径

R=mv/Bq,T=2πm/Bq是带电粒子在匀强磁场中左匀速率圆周运动的基本公式,其中半径公式中含有速度、磁场等物理量,题目中常常通过几何关系取出半径R的数值,进而求取速度等其它物理量。常用的数学公式:正弦、余弦、正切的定义,正弦定理,余弦定理等等。

问题3:角度关系与对称性

带电粒子在匀强磁场中的运动往往具有对称性,如角度关系上,速度偏向角与圆心角相等,并且α=2β。

若带电粒子进入匀强磁场时角度为β,则射出匀强磁场仍为时角度β。


若粒子沿着半径方向飞入圆形区域匀强磁场,则它一定沿着半径方向飞出。 一个出题的原始模型: 以O点为圆心,以固定距离r为半径做一个圆周,那么以这个圆周上的任意一点为圆心,以r为半径的圆一定通过O点。

这是出题人经常使用的一个原始模型,题目难度较高,对学生的空间想象能力有较高的要求。

 

举例1:(2009海南单科16题)

如图,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v的初速度沿着纸面垂直与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方向和大小  2)此匀强磁场区域的最小面积


解答:具体的解答过程不再赘述了,在网上可以搜到详细的答案解析,在这里陈德智只是强调题目的出题原型就是上面的原理。最小面积答案如下图所示:

上面的题目其实就是出题原型的部分,具体示意图如下图红色区域所示:


举例2:(2009浙江理综25题)如图所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上。在xOy平面内有与y轴平行的匀强电场,在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场。在圆的左边放置一带电微粒发射装置,它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q(q>0)和初速度v的带电微粒,发射时这束带电微粒分布在01)从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场的区域,并从坐标原点O沿y轴负方向离开,求电场强度和磁感应强度的大小与方向。

2)请指出这束带电微粒与x轴相交的区域,并说明理由。

3)若这束带电微粒初速度变为2v,那么它们与x轴的相交区域又在哪里?并说明理由。

解答:
具体的解答过程不再赘述了,在网上可以搜到详细的答案解析,在这里陈德智只是强调题目的出题原型就是上面的原理。第二问微粒都通过原点O。

上面的题目其实就是出题原型的部分,具体示意图如下图红色区域所示:





 

 


  

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