带电粒子在有界磁场中的运动

带电粒子在有界磁场的运动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．带电粒子在单边界磁场中的运动①粒子的入射角和出射角相等②如果与磁场边界成夹角θ进入，则运动轨迹所对的弦长L=2sinθOBAv．vrrPθMNBvvθ221．如图所示，一正离子沿与匀强磁场边界成30º角的方向，以速度v0射入磁场，已知其电量为q，质量为m，若磁场足够大，磁感应强度为B，则此正离子在磁场中的运动半径多大？在磁场中运动的时间是多少？离开磁场时速度方向偏转了多少？30ºB0vqBmvr0qBmqBmTt3526536030000离开磁场时速度方向偏转了3000rr思考：求若粒子射出磁场时的位置与射入磁场中的位置之间的距离．30º回旋角等于偏向角等于3000qBmvrd02．一个负离子，质量为m，电量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中.磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直,并垂直于纸面向里.(1)求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离.(2)如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P,证明:直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是qBmvrBqmvrd22SOBPvO’2tmqB2⑴tmBqqBmvvtrvt2⑵qBmqBmt2222或3．如图直线MN上方有磁感应强度为B的匀强磁场。正、负电子同时从同一点O以与MN成30°角的同样速度v射入磁场（电子质量为m,电荷为e），它们从磁场中射出时相距多远？射出的时间差是多少？．．300MNBrrO’rreBmvreBmvrd22eBmeBmTt35265360300001eBmeBmTt326136060002eBmttt342124．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2RR2RMNO5．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、速度为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OMNSB6．如图，电子源S能在图示纸面360°范围内发射速率相同的电子（质量为m，电量为e），M、N是足够大的竖直挡板，与S的水平距离OS＝L，挡板左侧是垂直纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场。（1）要使发射的电子能到达挡板，电子速度至少为多大？（2）若S发射的电子速率为eBL/m时，挡板被电子击中的范围有多大？meBLv2LPQ)31(MOLN．S7．如图,真空室内存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里,磁感应强度的大小B=0.60T,磁场内有一块平面感光板ab,板面与磁场方向平行,在距ab的距离L=16cm处,有一个点状的放射源S,它向各个方向发射α粒子,α粒子的速度都是v=4.8x106m/s,已知α粒子的电荷与质量之比q/m=5.0x107C/kg现只考虑在图纸平面中运动的α粒子,求ab上被α粒子打中的区域的长度.sabL.解:粒子带正电,故在磁场中沿逆时针方向做匀速圆周运动,用R表示轨道半径,有因朝不同方向发射的α粒子的圆轨迹都过S,由此可知,某一圆轨迹在图中ab上侧与ab相切,则此切点P1就是该粒子能打中的上侧最远点.sabP1再考虑ab的下侧.任何α粒子在运动中离S的距离不可能超过2R,以2R为半径、S为圆心作圆,交ab于ab下侧的P2点,此即下侧能打到的最远点.P2NLcmqBmvr16cmrrPP7.4330cos20218．如图所示，虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线，在平面右侧的半空间存在一磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场。O是MN上的一点，从O点可以向磁场区域发射电荷量为+q、质量为m、速率为v的粒子，粒子射入磁场时的速度可在纸面内各个方向，已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇，P到O的距离为L，不计重力和粒子间的相互作用。MNPO（1）求所考察的粒子在磁场中的轨道半径；（2）求这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔。解：作出粒子运动轨迹如图。质点在磁场中作圆周运动，半径为：R=mv/qB从O点射入到相遇，粒子1、2的路径分别为：粒子1运动时间：t1=T/2+T(2θ/2π)由几何知识：粒子2运动时间：t2=T/2－T(2θ/2π)cosθ=L/2R得：θ=arccos(L/2R)故两粒子运动时间间隔：△t=t1－t2=2Tθ/π=4mBq.arccos()LBq2mvOＲP、OＫP周期为：T=2πm/qBQ1Q2MNθθ2OP1v2v1o2oθθ2ＲＫ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圆周运动后从另一边界飞出SvvBPSvSQPQQ①速度较小时，作圆周运动通过射入点；②速度增加为某临界值时，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．(2)侧移距离yBqmBqmt22Bdvrrθ(1)偏向角（回旋角）θrdsin(3)时间t222)(yrdrBqmvrt注意区分“电偏转”和“磁偏转”1．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，穿透磁场时速度方向与电子原来射入方向的夹角是30º，则电子的质量是多大？穿透磁场的时间是多少?Bdvrr300dr2rvmqvB2vqBdm2vdqBmT42vdvdTt3412136030002．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2（2）再分析两者运动时间是否相同qmqBmqBmTt222211241122121qqmmtt3．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/mcosθCEFDvBO．θ)cos1(rdrvmqvB2B)cos1(dmeBmeBrv思考：求电子在磁场中运动的最长时间是多长？eBmeBmt)(222224．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：A.θ越大，粒子在磁场中运动的时间可能越短B.θ越大，粒子在磁场中运动的路径一定越长C.θ越大，粒子在磁场中运动轨迹的圆心到MN的距离一定越小D.粒子在磁场中运动的轨迹长度与时间的比值与θ无关MNPQθOACD0vMNPQO三．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圆心在过入射点跟跟速度方向垂直的直线上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速度较小时粒子作部分圆周运动后从原边界飞出；②速度在某一范围内从侧面边界飞；③速度较大时粒子作部分圆周运动从另一侧面边界飞出。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）1．如图所示，正方形区域abcd中充满匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一个氢核从ad边的中点m沿着既垂直于ad边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从ab边中点n射出磁场。若将磁场的磁感应强度变为原来的2倍.其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是A．在b、n之间某点B．在n、a之间某点C．a点D．在a、m之间某点adcbmnBvC2．如图所示．长为L的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，磁感强度为B，板间距离也为L，板不带电，现有质量为m，电量为q的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是：A．使粒子的速度vBqL/4m；B．使粒子的速度v5BqL/4m；C．使粒子的速度vBqL/m；D．使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m。r2O2+qvr2O1vABr2O2+qvr2O1v粒子擦着上板从左边穿出时，圆心在O1点，有rvmqvB2mqBLmqBrv411粒子擦着上板从右边穿出时，圆心在O2点，有2222)2(LrLr452Lr41LrmqBLmqBrv4522vmqBL45mqBLv4粒子不打在极板上可能从左端穿出，也可能从右端穿出，必须全面分析问题．3．如图，正方形容器处在匀强磁场中，一束电子从a孔垂直于磁场射入容器中，其中一部分分别从c、d孔射出，则：A.从两孔射出的电子速率之比为vc:vd=2:1B.从两孔射出的电子在容器中运动所用的时间之比为tc:td=1:2C.从两孔射出的电子在容器中运动时的加速度大小之比为ac:ad=:1D.从两孔射出的电子在容器中运动的半径之比为rc:rd=2:12abcd·vBrvmqvB2rmqBrvTt2qBmT21:2:2:aarrdc2:1:2:dcABDvmqvBa思考：要想使电子从射到ad边上，电子的速度应满足什么条件？射到cd边上呢？fdebcavM4.某同学设计了一个测定带电粒子比荷的实验，实验装置如图所示。abcd是一个长方形盒子，在ad边和cd边上各开有小孔f和e，e是cd边上的中点，荧光屏M贴着cd放置，能显示从e孔射出的粒子落点位置。盒子内有一方向垂直于abcd平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B。粒子源不断地发射相同的带电粒子，粒子的初速度可忽略。粒子经过电压为U的电场加速后，从f孔垂直于ad边射入盒内。粒子经磁场偏转后恰好从e孔射出。若已知fd=cd=L，不计粒子的重力和粒子之间的相互作用力。请你根据上述条件求出带电粒子的比荷q/m。解：带电粒子经电场加速粒子进入磁场后做匀速圆周运动，轨迹如图。fdeORRv设圆周半径为R，在三角形ode中，有又联立求解，得2212825qUmBL221mvqUm