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第2讲带电粒子在磁场中的运动1洛伦兹力、洛伦兹力的大小和方向(1)洛伦兹力:磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力。(2)洛伦兹力的方向①判定方法:左手定则。掌心——磁感线垂直穿入掌心。四指——指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。拇指——指向洛伦兹力的方向。②方向特点:F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v决定的平面。(3)洛伦兹力的大小①v∥B时,洛伦兹力F=0。(θ=0°或180°)②v⊥B时,洛伦兹力F=qvB。(θ=90°)③v=0时,洛伦兹力F=0。1.1(2018广东广州10月考试)图中a、b、c、d为四根与纸面垂直的长直导线,其横截面位于正方形的四个顶点上,导线中通有大小相同的电流,方向如图所示。一带正电的粒子从正方形中心O点沿垂直于纸面的方向向外运动,它所受洛伦兹力的方向是()。A.向上B.向下C.向左D.向右【答案】B2带电粒子在匀强磁场中的运动(1)若v∥B,则带电粒子不受洛伦兹力,在匀强磁场中做匀速直线运动。(2)若v⊥B,则带电粒子仅受洛伦兹力作用,在垂直于磁感线的平面内以入射速度v做匀速圆周运动。如图所示,带电粒子在磁场中,图甲中粒子做匀速圆周运动,图乙中粒子做匀速直线运动,图丙中粒子做匀速圆周运动。(3)半径和周期公式:(v⊥B)2.1(2018云南丽江阶段检测)一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,若粒子所带电荷量不变,动能逐渐减小,在磁场中运动的轨迹如图所示,则下列有关粒子的运动方向和所带电性的判断正确的是()。A.粒子由a向b运动,带正电B.粒子由a向b运动,带负电C.粒子由b向a运动,带正电D.粒子由b向a运动,带负电【答案】D2.2(2018福建龙岩质量调研)(多选)如图所示,两个初速度大小相同、方向不同的同种离子a和b,从O点沿垂直磁场的方向进入匀强磁场,最后打到屏P上。不计重力,下列说法正确的有()。A.a、b均带正电B.a在磁场中飞行的时间比b的短C.a在磁场中飞行的路程比b的短D.a在P上的落点与O点的距离比b的近【答案】AD题型一带电粒子在有界匀强磁场中的运动问题1.带电粒子在有界匀强磁场中做圆周运动的分析(1)圆心的确定方法①若已知粒子轨迹上两点的速度方向,则可根据洛伦兹力F⊥v,分别确定两点处洛伦兹力F的方向,其交点即圆心,如图甲所示。②若已知粒子运动轨迹上的两点和其中某一点的速度方向,则可作出此两点的连线(过这两点的圆弧的弦)的中垂线,中垂线与垂线的交点即圆心,如图乙所示。(2)半径的计算方法①由公式求:半径R=。②由几何方法求:一般由数学知识(勾股定理、三角函数等)计算来确定。(3)时间的计算方法①由圆心角求:t=·T。②由弧长求:t=。2.带电粒子在不同边界磁场中的运动(1)直线边界(进出磁场具有对称性,如图甲所示)。甲(2)平行边界(存在临界条件,如图乙所示)。乙(3)圆形边界(沿径向射入必沿径向射出,如图丙所示)。丙【例1】如图甲所示,半径为R的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面(纸面),磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向外。一带电荷量为q(q0)、质量为m的粒子沿平行于直径ab的方向射入磁场区域,射入点与ab的距离为,已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60°,则粒子的速率为(不计重力)()。甲A.B.C.D.【解析】如图乙所示,粒子做圆周运动的圆心O2必在过入射点垂直于入射速度方向的直线EF上,由于粒子射入、射出磁场时运动方向间的夹角为60°,故圆弧ENM对应的圆心角为60°,所以△EMO2为等边三角形。由于O1D=,所以∠EO1D=60°,△O1ME为等边三角形,所以可得到粒子做圆周运动的半径EO2=O1E=R,由qvB=,得v=,B项正确。乙【答案】B带电粒子在有界磁场中做匀速圆周运动的分析方法【变式训练1】(2018山东济南第二次模拟)如图甲所示,有界匀强磁场边界线SP∥MN,速率不同的同种带电粒子从S点沿SP方向同时射入磁场,粒子的带电荷量相同,其中从a点射出的粒子速度v1的方向与MN垂直;从b点射出的粒子速度v2的方向与MN成60°角,设两粒子从S到a、b所需时间分别为t1和t2,则t1∶t2为(重力不计)()。甲A.1∶3B.4∶3C.1∶1D.3∶2【解析】粒子在磁场中的运动轨迹如图乙所示,可求出从a点射出的粒子对应的圆心角为90°,从b点射出的粒子对应的圆心角为60°,由t=θ·可得t1∶t2=90°∶60°=3∶2,D项正确。乙【答案】D【变式训练2】(2018贵州贵阳三校联考)(多选)如图甲所示,在正方形abcd内充满方向垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场。a处有比荷相等的P、Q两种粒子,P粒子以速度v1沿ab方向垂直射入磁场,经时间t1从d点射出磁场,Q粒子沿与ab成0°角的方向以速度v2垂直射入磁场,经时间t2垂直cd射出磁场,不计粒子重力和粒子间的相互作用力,则下列说法中正确的是()。甲A.v1∶v2=1∶2B.v1∶v2=√∶4C.t1∶t2=2∶1D.t1∶t2=3∶1【解析】P、Q两粒子的运动轨迹如图乙所示,粒子在磁场中的运行周期T=,因为两种粒子的比荷相等,故T1=T2。设正方形的边长为L,则由图知P粒子运行半径r1=,运行时间t1=1,乙粒子运行半径r2=0°,运行时间t2=6,而r=,所以v1∶v2=r1∶r2=√∶4,A项错误,B项正确;t1∶t2=3∶1,C项错误,D项正确。乙【答案】BD【变式训练3】(2019福建泉州质量检测)(多选)如图甲所示,两方向相反、磁感应强度大小均为B的匀强磁场被边长为L的等边三角形ABC理想分开,三角形内磁场垂直纸面向里,三角形顶点A处有一质子源,能沿∠BAC的角平分线发射速度不同的质子(质子重力不计),所有质子均能通过C点,质子比荷=k,则质子的速度可能为()。甲A.2BkLB.C.D.8【解析】因质子带正电,且经过C点,其可能的轨迹如图乙所示,所有圆弧所对圆心角均为60°,所以质子运行的半径r=(n=1,,,…),由洛伦兹力提供向心力得Bqv=m,即v==Bk·(n=1,,,…),B、D两项正确。乙【答案】BD题型二粒子源问题“粒子源”问题可以分为两类,第一类是在同一平面内沿某一方向发射不同速率的同种带电粒子;第二类是在同一平面内,沿各个方向发射相同速率的同种带电粒子。第一类粒子源,能在同一平面内沿某一方向发射速率不同的同种带电粒子(如电子),这些带电粒子垂直于磁感线射入布满空间的匀强磁场,做同方向旋转的匀速圆周运动,有下列特点(如图甲):甲(1)各带电粒子的圆轨迹有一个公共切点,且各圆的圆心分布在同一条直线上。(2)各带电粒子做匀速圆周运动的周期相等。(3)速率大的带电粒子所走过的路程大,对应大圆。第二类粒子源,能在同一平面内,沿各个方向发射相同速率的同种带电粒子,这些带电粒子垂直于磁感线射入布满空间的匀强磁场,做同方向旋转的匀速圆周运动,各带电粒子的圆轨迹半径相等,运动周期相等。这类问题可以归结为这样一个几何模型:如图乙所示,有一半径为R的圆,绕圆周上一个定点P转动一周,圆平面扫过的面积就是以P为圆心,以2R为半径的圆面积,圆上任意一点都绕P点转动了一周。要准确把握这一几何模型,需要认识和区分三种圆。乙(1)轨迹圆:每个粒子在磁场中均以半径R1=做匀速圆周运动,随着入射点P处速度方向的改变,这些轨迹圆可以看作是以点P为圆心旋转构成的一系列的动态旋转圆。(2)圆心圆:在轨迹圆旋转过程中,这些轨迹圆的圆心的轨迹在以P为圆心,半径与轨迹圆半径相等,即R2=的圆上,如图乙中虚线所示。(3)边界圆:在轨迹圆旋转过程中,各轨迹圆上离圆心最远的点构成的轨迹也是一个圆,这个圆也是粒子能够到达的区域,其圆心是P,半径为轨迹圆半径的两倍,即R3=,如图乙中外围黑体实线所示。【例2】(2018湖南衡阳阶段检测)如图甲所示,真空中存在匀强磁场,磁场方向垂直于图中纸面向里,磁感应强度的大小B=0.60T,磁场内有一块足够大的平面感光板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α粒子放射源S,它向各个方向发射α粒子,α粒子的速度均为v=3.0×106m/s,已知α粒子的比荷=5.0×107C/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。甲【解析】α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,有乙qvB=m由此得R=代入数值得R=10cm,可见2RlR如图乙所示,因朝不同方向发射的α粒子的圆轨道都过S,由此可知,某一圆轨迹在图中N左侧与ab相切,则此切点P1就是α粒子能打中的左侧最远点,为确定P1点的位置,可作平行于ab的直线cd,cd到ab的距离为R,以S为圆心,R为半径,作弧交cd于Q点,过Q点作ab的垂线,它与ab的交点即P1,由图乙中几何关系得NP1=√--)再考虑N的右侧,任何α粒子在运动过程中离S的距离不可能超过2R,所以右侧的最远点是与S在同一直径上的一点,设为P2由图乙中几何关系得NP2=√)-所求长度为P1P2=NP1+NP2解得P1P2=20cm。【答案】20cm用动圆法解“粒子源”的临界问题(1)定圆旋转法当带电粒子射入磁场时的速率v大小一定,但射入的方向变化时,粒子做圆周运动的轨道半径R是确定的。在确定粒子运动的临界情景时,可以以入射点为定点,将轨迹圆旋转,作出一系列轨迹,从而探索出临界条件。如图甲所示为粒子进入单边界磁场时的情景。甲(2)动态放缩法当带电粒子射入磁场的方向确定,但射入时的速度v大小或磁场的强弱B变化时,粒子做圆周运动的轨道半径R随之变化。在确定粒子运动的临界情景时,可以以入射点为定点,将轨道半径放缩,作出一系列的轨迹,从而探索出临界条件。如图乙所示,粒子进入长方形边界OACD从CD边射出的临界情景为②和④。乙【变式训练4】(2018山东日照开学检测)如图甲所示,圆形区域内有一垂直纸面的匀强磁场,P为磁场边界上的一点。有无数带有同样电荷、具有同样质量的粒子在纸面内沿各个方向以相同的速率通过P点进入磁场。这些粒子射出边界的位置均处于边界的某一段圆弧上,这段圆弧的弧长是圆形磁场周长的1。将磁感应强度的大小从原来的B1变为B2,结果相应的弧长变为原来的一半,则1等于()。甲A.√B.√C.2D.3【解析】当粒子做圆周运动的半径小于或等于磁场区域半径时,粒子射出圆形磁场的点离入射点最远距离为轨迹直径。如图乙所示,当粒子从1圆周射出磁场时,粒子在磁场中运动的轨道直径为PQ,粒子都从圆弧PQ之间射出,因此轨道半径r1=R0°=√R;若粒子射出的圆弧对应弧长为原来的一半,即16周长,对应的弦长为R,即粒子运动轨迹直径等于磁场区域半径R,半径r2=,由r=可得1=1=√,B项正确。乙【答案】B【变式训练5】(2019江苏无锡高三模拟)如图甲所示,在真空中坐标xOy平面的x0区域内,有磁感应强度B=1.0×10-2T的匀强磁场,方向与xOy平面垂直,在x轴上的P(10cm,0)点,有一放射源,在xOy平面内向各个方向发射速率v=1.0×104m/s的带正电的粒子,粒子的质量m=1.6×10-25kg,电荷量q=1.6×10-18C,求带电粒子能打到y轴上的范围。甲【解析】带电粒子在磁场中运动时由牛顿第二定律得qvB=m解得R==0.1m=10cm如图乙所示,当带电粒子打到y轴上方的A点与P连线正好为其圆轨迹的直径时,A点即为粒子能打到y轴上方的最高点。因OP=10cmAP=2R=20cm则OA=√-=10√cm乙当带电粒子的圆轨迹正好与y轴下方相切于B点时,若圆心再向左偏,则粒子就会从纵轴离开磁场,所以B点即粒子能打到y轴下方的最低点,易得OB=R=10cm,综上所述,带电粒子能打到y轴上的范围为-10cm~10√cm。【答案】-10cm~10√cm1.(2018云南曲靖12月考试)已知通入电流为I的长直导线在周围某点产生的磁感应强度B与该点到导线间的距离r的关系为B=k。如图所示,竖直通电长直导线中的电流I方向向上,绝缘的光滑水平面上P处有一带正电小球从图示位置以初速