带电粒子在边界磁场中的运动

带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在有界磁场中的运动带电粒子的垂直进入匀强磁场中，做匀速圆周运动1.洛仑兹力提供向心力mvrfmTrmrmrvmBqv222222442.轨道半径qmUBBqmEBqpBqmvrk212BqmvrT223.周期只与B和带电粒子（q，m)有关，而与v、r无关（回旋加速器）带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动4.磁感应强度qmUrqrmEqrpqrmvBk2125.圆心、半径、运动时间的确定⑴圆心的确定a．已知入射方向和出射方向时，可通过入射点和出射点分别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．⑵半径的计算圆心确定后，寻找与半径和已知量相关的直角三角形，利用几何知识，求解圆轨迹的半径。PMvvO-qvPMvO-qvb．已知入射方向和出射点的位置时，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．利用v⊥R利用弦的中垂线两条切线夹角的平分线过圆心几何法求半径（勾股定理、三角函数）向心力公式求半径（R=mv/qB）带电粒子在有界磁场中的运动问题，综合性较强，解这类问题既要用到物理中的洛仑兹力、圆周运动的知识，又要用到数学中的平面几何中的圆及解析几何知识．但只要准确地画出轨迹图，并灵活运用几何知识和物理规律，找到已知量与轨道半径r、周期T的关系，求出粒子在磁场中偏转的角度或距离以及运动时间不太难。一．带电粒子在单直线边界磁场中的运动①如果垂直磁场边界进入，粒子作半圆运动后垂直原边界飞出；②如果与磁场边界成夹角θ进入，仍以与磁场边界夹角θ飞出（有两种轨迹，图中若两轨迹共弦，则θ1＝θ2）。OBAv．vrrPθMNBvvθ226．如图,在一水平放置的平板MN上方有匀强磁场,磁感应强度的大小为B,磁场方向垂直于纸面向里,许多质量为m,带电量为+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O射入磁场区域,不计重力,不计粒子间的相互影响.下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域,其中R=mv/qB.哪个图是正确的?MNBOA2RR2RMNO2RR2RMNO2R2R2RMNOR2R2RMNOD.A.B.C.解：带电量为+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O射入磁场区域,由R=mv/qB,各个粒子在磁场中运动的半径均相同,在磁场中运动的轨迹圆圆心是在以O为圆心、以R=mv/qB为半径的1/2圆弧上,如图虚线示:各粒子的运动轨迹如图实线示:带电粒子可能经过的区域阴影部分如图斜线示2RR2RMNO7．水平线MN的下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，在MN线上某点O的正下方与O点相距为L的质子源S,可在纸面内1800范围内发射质量为m、电量为e、速度v=BeL/m的质子，质子的重力不计，试说明在MN线上多大范围内有质子穿出。OMNSBO点左右距离O点L的范围内有质子穿出．LeBmBeLmeBmvrOMNSB二．带电粒子在平行直线边界磁场中的运动①速度较小时，作半圆运动后从原边界飞出；②速度增加为某临界值时，粒子作部分圆周运动其轨迹与另一边界相切；③速度较大时粒子作部分周运动后从另一边界飞出SvvBPSvSQPQQ圆心在过入射点跟跟速度方向垂直的直线上圆心在过入射点跟边界垂直的直线上圆心在磁场原边界上量变积累到一定程度发生质变，出现临界状态．①速度较小时，作圆周运动通过射入点；②速度增加为某临界时，粒子作圆周运动其轨迹与另一边界相切；③速度较大时粒子作部分圆周运动后从另一边界飞出①速度较小时，作圆弧运动后从原边界飞出；②速度增加为某临界值时，粒子作部分圆周运动其轨迹与另一边界相切；③速度较大时粒子作部分圆周运动后从另一边界飞出1．如图所示，一质子和一α粒子从a点同时以相同的动能沿垂直于磁场边界，垂直于磁场的方向射入磁场宽度为d的有界磁场中，并都能从磁场的右边界射出则A、质子和α粒子同时射出B、质子和α粒子从同一位置射出C、质子和α粒子不同时射出D、质子和α粒子从不同位置射出a···············v解：先分析两者半径是否相同11241122121qqmmrrqmqBmEqBprk2qmqBmqBmTt222211241122121qqmmtt再分析两者运动时间是否相同2．在真空中宽ｄ的区域内有匀强磁场Ｂ，质量为ｍ，电量为e，速率为ｖ的电子从边界ＣＤ外侧垂直射入磁场，入射方向与ＣＤ夹角θ，为了使电子能从磁场的另一侧边界ＥＦ射出，ｖ应满足的条件是：Ａ.v＞eBd/m（1+sinθ）Ｂ.v＞eBd/m（1+cosθ）Ｃ.v＞eBd/msinθＤ.v＜eBd/mcosθ)cos1(rdrvmqvB2)cos1(dmeBmeBrvBO．θvCFED思考：能从EF射出，求电子在磁场中运动的最长时间是多长？eBmeBmt)(223．如图所示，相互平行的直线M、N、P、Q间存在垂直于纸面的匀强磁场。某带负电粒子由O点垂直于磁场方向射入，已知粒子速率一定，射入时速度方向与OM间夹角的范围为0θ90º，不计粒子的重力，则：（1）.θ越大，粒子在磁场中运动的时间？(2).θ越大，粒子在磁场中运动的路径？(3)θ越大，粒子在磁场中运动轨迹的圆心到MN的距离？MPQNθO0v四．带电粒子在矩形边界磁场中的运动ovBdabcθvB圆心在磁场原边界上①速度较小时粒子作半圆运动后从原边界飞出；②速度在某一范围内时从侧面边界飞出；③速度较大时粒子作部分圆周运动从对面边界飞出。①速度较小时粒子做部分圆周运动后从原边界飞出；②速度在某一范围内从上侧面边界飞；③速度较大时粒子做部分圆周运动从右侧面边界飞出；④速度更大时粒子做部分圆周运动从下侧面边界飞出。圆心在过入射点跟速度方向垂直的直线上量变积累到一定程度发生质变，出现临界状态（轨迹与边界相切）[例2]如图所示，在正方形空腔的范围内，有方向垂直纸面向里的匀强磁场．电子从孔A沿平行于ab边的方向，以各种不同的速率射入磁场．现在比较两个电子的速率．其中一个打在bc边的中点M，设其速率为V1；另一个从c孔穿出，设其速率为V2，则V1:V2=_______4：5矩形边界分析半径的两种常见思路相似勾股定律ONON2、空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，图中的正方形为其边界。一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从O点入射。这两种粒子带同种电荷，它们的电荷量、质量均不同，但其比荷相同，且都包含不同速率的粒子。不计重力。下列说法正确的是A．入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同B．入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同C．在磁场中运动时间相同的粒子，其运动轨迹一定相同D．在磁场中运动时间越长的粒子，其轨迹所对的圆心角一定越大BDTt360相同比荷的粒子在相同的磁场中具有相同的周期。O3、穿过无限大双边界磁场：[例3]如图，磁场垂直纸面向里，磁感应强度大小为B，磁场上下边界间距为2L，左右无边界。有一正离子（m，q）以θ角从正中射入磁场，若离子不从上边界射出磁场，求离子射入磁场时速度的范围。自己作图的时候，可以先作圆，后作边界。4、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O方向垂直磁场射入一速度方向跟ad边夹角θ=300、大小为v0的带电粒子，已知粒子质量为m、电量为q，ab边足够长，ad边长为L，粒子的重力不计。求：粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围。V0Oabcd)30sin1(201rL31LrmqBLmqBrv311Lr2mqBLmqBrv22mqBLvmqBL3V0Oabcdθ300600●●五．带电粒子在圆形边界磁场中的运动B•vvO’O入射速度方向指向匀强磁场区域圆的圆心，刚出射时速度方向的反向延长线必过该区域圆的圆心．B•vvOrrrr221.圆形区域内存在垂直纸面的半径为R的匀强磁场，磁感强度为B，现有一电量为q、质量为m的正离子从a点沿圆形区域的直径射入，设正离子射出磁场区域的方向与入射方向的夹角为600，求此离子在磁场区域内飞行的时间及射出的位置。B•vvP(xy)yxqBmqBmTt32613606000RRx2160cos0RRy2360sin0)23,21(RRPO’xyoO2．在圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场．从磁场边缘A点沿半径方向射人一束速率不同的质子，对这些质子在磁场中的运动情况的分析中，正确的是：A.运动时间越长的，在磁场中通过的距离越长B.运动时间越短的，其速率越大C.磁场中偏转角越小的，运动时间越短D.所有质子在磁场中的运动时间都相等B•0vABCO1O2O3O4kqBmT2vqBmvr半径越大，偏向角θ越小．圆心角等于偏向角θTt23.在直角坐标系xOy中，有一半径为R的圆形磁场区域，磁感强度为B，磁场方向垂直xOy平面指向纸内，该区域的圆心坐标为（R，0）。如图所示，有一个质量为m、带电量为－q的离子，由静止经匀强电场加速后从点（0，R/2）沿x轴正方向射入磁场，离子从射入到射出磁场通过了该磁场的最大距离，不计重力影响。求：⑴.离子在磁场区域经历的时间。⑵.加速电场的加速电压。OR/2RBxy·••O2O1rr600qBmqBmTt32613606000Rr2mqBRmqBrv2221mvqUmRqBU2224、圆心为O、半径为r的圆形区域中有一个磁感强度为B、方向为垂直于纸面向里的匀强磁场，与区域边缘的最短距离为L的O＇处有一竖直放置的荧屏MN，今有一质量为m的电子以速率v从左侧沿ＯＯ＇方向垂直射入磁场，越出磁场后打在荧光屏上之P点，如图所示，求O＇P的长度和电子通过磁场所用的时间MNLAPB•vＯ＇ＯBMNLAPB•vＯ＇ＯBＯ1RR2mveBrRr)2tan(22222)(2tan)('rBevmeBrmvrLrLPO2222222)2(tan1)2tan(2tanrBevmeBrmv)2arctan(22222rBevmeBrmv)2arctan(22222rBevmeBrmveBmvRt5．一匀磁场,磁场方向垂直于xy平面,在xy平面上,磁场分布在以O为中心的一个圆形区域内.一个质量为m、电荷量为q的带电粒子,由原点O开始运动,初速为v,方向沿x正方向.后来,粒子经过y轴上的P点,此时速度方向与y轴的夹角为300,P到O的距离为L,如图所示.不计重力的影响.求磁场的磁感强度B的大小和xy平面上磁场区域的半径R.300yvL0PrrAR解:rvmqvB2rL3qLmvqrmvB3LrR3330cos205．如图所示，一个质量为m、电量为q的正离子，在小孔S处正对着圆心O以速度v射入半径为R的绝缘圆筒中。圆筒内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。要使带电粒子与圆筒内壁碰撞多次后仍从A点射出，求正离子在磁场中运动的时间t.设粒子与圆筒内壁碰撞时无能量和电量损失，不计粒子的重力。)1(2nOB·RS．0v解:粒子经过与圆筒发生n（n=2,3,4……）次与圆筒碰撞从原孔射出，其在圆筒磁场中运动的轨迹为n+1段对称分布的圆弧，每段圆弧的圆心角为正离子在磁场中运动的时间qBmnqBmnnTnt)1(22)1(2)1(2)1(2n1tannRrO’rrOB·RS．0v)1(2nvnRnvrt1tan)1(总)1()12)(1nnn（总2n6．如图所示，在半径为R的圆筒内有匀强磁场，质量为m、带电量为q的正离子在小孔S处，以速度v0向着圆心射入，施加的磁感应强度为多大，此粒子才能在最短的时间内从原孔射出？（设相碰时电量和动能均无损失）O’rrOB·RS．0v解:粒