带电粒子在磁场中的运动题型归类.ppt

带电粒子在磁场中的运动,一、基本型,二、范围型,三、极值型,四、多解型,五、在复合场中的运动,：定圆心，找半径，作轨迹图，结合半径、周期公式列方程解,：关键寻找引起范围的“临界轨迹”及“临界半径R0”，注意运动轨迹和磁场边界“相切”的应用。,：寻找产生极值的条件：直径是圆的最大弦；同一圆中大弦对应大的圆心角；由轨迹确定半径的极值。,：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。,注意分析在不同的场受到的力和进入该场时的初速度，判断运动状态和大概轨迹；思路一：运用牛顿第二定律并结合运动学规律求解。思路二：运用能量的角度（动能定理、功能关系等）求解，注意重力、电场力做功与路径无关，只与始末位置的重力势能、电势能有关，洛伦兹力对带电粒子不作功。,1.“带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的基本型问题,定圆心、定半径、定转过的圆心角是解决这类问题的前提。,注意：带电粒子在匀强磁场中的圆周运动具有对称性。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；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，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,【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：,带电粒子在磁场中作圆周运动，由,解得,联立解得,【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。,2.“带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的范围型问题,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，求解时利用运动轨迹和磁场边界“相切”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2：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,【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RR0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:,图9-12,例3：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OSL，挡板左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场；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？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？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？,图9-11,【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】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：,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：,当从S发出的电子的速度为,时，电子在磁场中的运动轨迹,作出图示的二临界轨迹,半径,，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：直径是圆的最大弦；同一圆中大弦对应大的圆心角；由轨迹确定半径的极值。,例4：图9-13中半径r10cm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B033T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v=3.2106m/s的粒子；已知粒子质量为m=6.610-27kg，电量q=3.210-19c，则粒子通过磁场空间的最大偏转角及在磁场中运动的最长时间t各多少？,图9-13,【审题】本题粒子速率一定，所以在磁场中圆周运动半径一定，由于粒子从点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不同，要使粒子在运动中通过磁场区域的偏转角最大，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，依此作出粒子的运动轨迹进行求解。【解析】粒子在匀强磁场后作匀速圆周运动的运动半径：,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。由上面计算知SO/P必为等边三角形，故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。,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5：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=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？（2）带电粒子在磁场中运动时间多长？,图9-15,图9-16,【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,【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。,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,例6：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v0，从A、B两板的中间，沿垂直于磁感线的方向射入磁场。求v0在什么范围内，粒子能从磁场内射出？,图9-17,图9-17,名师P106例2变形,【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,所以,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r2,由于,即:,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,时，粒子可以从磁场内射出。,所以当,或,【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。,5、粒子在复合场里的运动,1）.电场磁场,电场加速或减速磁场偏转,电场偏转磁场偏转,2）.电场磁场重力场,圆周运动,带电粒子在电场磁场中的运动,带电粒子在电场中的运动,直线运动：如用电场加速或减速粒子,带电粒子在磁场中的运动,直线运动（当带电粒子的速度与磁场平行时：vB，f0）,带电粒子在复合场中的运动,直线运动：垂直运动方向的力必定平衡,偏转：类似平抛运动，一般分解成两 个分运动求解,圆周运动：以点电荷为圆心运动或受装置约束运动,圆周运动（当带电粒子的速度与磁场垂直时：vB，f提供向心力）,圆周运动：重力与电场力一定平衡（mgEq），由洛伦兹力提供向心力,一般的曲线运动,三、带电体在复合场中的运动,1、带电粒子在电场、磁场、重力场中的运动，简称带电粒子在复合场中的运动，一般具有较复杂的运动图景。这类问题本质上是一个力学问题，应顺应力学问题的研究思路和运用力学的基本规律。,分析带电粒子在电场、磁场中运动，主要是两条线索：,力和运动的关系。根据带电粒子所受的力，运用牛顿第二定律并结合运动学规律求解。,功能关系。根据场力及其它外力对带电粒子做功引起的能量变化或全过程中的功能关系，从而可确定带电粒子的运动情况，这条线索不但适用于均匀场，也适用于非均匀场。因此要熟悉各种力做功的特点。,带电体在复合场中受力情况复杂运动情况多变，往往出现临界问题，应以题中“最大”、“最高”、“至少”等词语为突破口，挖掘隐含条件，根据临界条件列出辅助方程，再与其它方程联立求解。,1.带电粒子在复合场中应用问题的分析与力学中的力学中分析方法相同，关键是要注意电场和磁场对带电粒子不同的作用特点。（1）带电粒子在匀强电场中受到的电场力FqE是恒力；电场力作功与路径无关，只与初末位置的电势差有关；电场力作功多是电势能和其他形式的能之间相互转化的量度。（2）带电粒子在磁场中受到的洛仑兹力的大小随运动速度的大小改变而改变；洛仑兹力的方向总与运动方向垂直；洛仑兹力对带电粒子不作功。2.带电粒子在电场和磁场共存区域内运动形式的分析和判定：带电粒子在电场和磁场共存区域内的运动形式由粒子的受力情况和初速度情况共同决定。由于电场、磁场的本身情况不同（例如相互平行或垂直）都可以使带电粒子在场内运动时所受电场力、洛仑兹力的情况不同，又由于带电粒子的初速度可能不同，这些因素共同决定了带电粒子在电场、磁场共存区域内的不同运动形式。,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9-18,1）.电场磁场,电场加速或减速磁场偏转,【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，,设释放处距O的距离为y1，则有:,故,由、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。,如图所示，在y0的空间中存在匀强电场，场强沿y轴负方向；在y0的空间中，存在匀强磁场，磁场方向垂直xy平面（纸面）向外。一电量为q、质量为m的带正电的运动粒子，经过y轴上yh处的点P1时速率为v0，方向沿x轴正方向；然后，经过x轴上x2h处的P2点进入磁场，并经过y轴上y-2h处的P3点。不计重力。求：（1）电场强度的大小。（2）粒子到达P2时速度的大小和方向。（3）磁感应强度的大小。,1）.电场磁场,电场偏转磁场偏转,变形：全解P168第3题,解析：（1）粒子在电场、磁场中运动的轨迹如图所示：,设粒子从P1到P2的时间为t，电场强度的大小为E，粒子在电场中的加速度为a，由牛顿第二定律及运动学公式有：,（2）粒子到达P2时速度沿x方向的分量仍为v0，以v1表示速度沿y方向分量的大小，v表示速度的大小，表示速度和x轴的夹角，则有：,（3）设磁场的磁感应强度为B，在洛仑兹力作用下粒子做匀速圆周运动，由牛顿第二定律：,r是圆周的半径。此圆周与x轴和y轴的交点分别为P2、P3。因为OP2OP3，45，由几何关系可知，连线P2P3为圆轨道的直径，由此可求得：,如图所示，半径为R的光滑绝缘环上套有一个质量为m、电荷量为+q的小球，它可沿环自由滑动。绝缘环竖直地放在相互垂直的匀强电场和匀强磁场内，电场强度为E，磁感应强度为B，方向如图所示。当球从水平直径的A端由静止释放滑到最低点时，求环对球的压力。,2）.粒子在复合场里的圆周运动,解：当小球从A滑到C位置过程中，由动能定理可知,。当小球滑到C位置时，小球所受的四个力均在竖直方向，由圆周运动知识可得,方向竖直向上。,作业1：已知质量为m的带电液滴，以速度v射入互相垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，液滴在此空间刚好能在竖直平面内做匀速圆周运动。如图所示。求：（1）液滴在空间受到几个力作用。（2）液滴带电量及电性。（3）液滴做匀速圆周运动的半径多大？,作业2、如图所示，水平放置的两块长直平行金属板a、b相距d=0.10m，a、b间的电场强度为E=5.0105N/C，b板下方整个空间存在着磁感应强度大小为B=6.0T、方向垂直纸面向里的匀强磁场.今有一质量为m=4.810-25kg、电荷量为q=1.610-18C的带正电的粒子(不计重力)，从贴近a板的左端以v0=1.0106m/s的初速度水平射入匀强电场，刚好从狭缝P处穿过b板而垂直磁感线进入匀强磁场，最后粒子回到b板的Q处(图中未画出).求P、Q之间的距离L.,