2020高考物理考前专题突破 专题8 带电粒子在磁场中的运动

2020高考物理考前专题突破 专题8 带电粒子在磁场中的运动

带电粒子在磁场中的运动 ‎ 一、重要地位 ：‎ 二、突破策略 ‎（一）明确带电粒子在磁场中的受力特点 ‎1. 产生洛伦兹力的条件：‎ ‎①电荷对磁场有相对运动．磁场对与其相对静止的电荷不会产生洛伦兹力作用．‎ ‎②电荷的运动速度方向与磁场方向不平行． ‎2. 洛伦兹力大小：‎ 当电荷运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力f=0；‎ 当电荷运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大，f=qυB；‎ 当电荷运动方向与磁场方向有夹角θ时，洛伦兹力f= qυB·sinθ ‎3. 洛伦兹力的方向：洛伦兹力方向用左手定则判断 ‎4. 洛伦兹力不做功．‎ ‎③周期：，可见T只与有关，与v、R无关。‎ ‎（三）充分运用数学知识（尤其是几何中的圆知识，切线、弦、相交、相切、磁场的圆、轨迹的圆）构建粒子运动的物理学模型，归纳带电粒子在磁场中的题目类型，总结得出求解此类问题的一般方法与规律。‎ ‎（2）半径的确定和计算：利用平面几何关系，求出该圆的可能半径或圆心角。并注意以下两个重要的特点：‎ ‎① 粒子速度的偏向角等于回旋角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角θ）的2倍，如图9-3所示。即：。‎ ‎② 相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ/互补，即θ＋θ/＝180o。‎ ‎（3）运动时间的确定 粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间可由下式表示。‎ 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θ，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 图9-5‎ ‎ 【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。‎ ‎【审题】本题给定的磁场区域为圆形，粒子入射方向已知，则由对称性，出射方向一定沿径向，而粒子出磁场后作匀速直线运动，相当于知道了出射方向，作入射方向和出射方向的垂线即可确定圆心，构建出与磁场区域半径r和轨迹半径R有关的直角三角形即可求解。‎ ‎2. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的范围型问题 例3：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θ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？‎ 临界半径R0由 有: ；‎ 故粒子必能穿出EF的实际运动轨迹半径R≥R0‎ 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: 。‎ ‎【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】①要使电子一定能经过点O，即SO为圆周的一条弦，‎ ‎【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：①直径是圆的最大弦；②同一圆中大弦对应大的圆心角；③由轨迹确定半径的极值。‎ 例5：图9-13中半径r＝‎10cm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B＝0．33T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=3.2×‎106m/s的α粒子；已知α粒子质量为m=6.6×10‎-27kg，电量q=3.2×10‎-19c，则α粒子通过磁场空间的最大偏转角θ及在磁场中运动的最长时间t各多少？‎ ‎【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。‎ 例6：一质量m、带电q的粒子以速度V0从A点沿等边三角形ABC的AB方向射入强度为B的垂直于纸面的圆形匀强磁场区域中，要使该粒子飞出磁场后沿BC射出，求圆形磁场区域的最小面积。‎ ‎【审题】由题中条件求出粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径为一定，故作出粒子沿AB进入磁场而从BC射出磁场的运动轨迹图中虚线圆所示，只要小的一段圆弧PQ能处于磁场中即能完成题中要求；故由直径是圆的最大弦可得圆形磁场的最小区域必为以直线PQ为直径的圆如图中实线圆所示。‎ ‎【解析】由题意知，圆形磁场区域的最小面积为图中实线所示的圆的面积。‎ 图9-14‎ ‎∵△ABC为等边三角形，故图中α＝30°‎ 则： ‎ 故最小磁场区域的面积为。‎ ‎ 【总结】根据轨迹确定磁场区域，把握住“直径是圆中最大的弦”。‎ ‎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：‎ 例7：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θ=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？‎ 若粒子带正电，它从O到B所用的时间为 ‎ 【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。‎ 例8：一质量为m，电量为q的负电荷在磁感应强度为B的匀强磁场中绕固定的正电荷沿固定的光滑轨道做匀速圆周运动，若磁场方向垂直于它的运动平面，且作用在负电荷的电场力恰好是磁场力的三倍，则负电荷做圆周运动的角速度可能是（ ）‎ A. B. C. D. ‎ ‎ 【审题】依题中条件“磁场方向垂直于它的运动平面”，磁场方向有两种可能，且这两种可能方向相反。在方向相反的两个匀强磁场中，由左手定则可知负电荷所受的洛仑兹力的方向也是相反的。因此分两种情况应用牛顿第二定律进行求解。‎ ‎【解析】当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相同时，根据牛顿第二定律可知 ‎， 得 ‎ 此种情况下，负电荷运动的角速度为 当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相反时，有，得 此种情况下，负电荷运动的角速度为 应选A、C。‎ ‎ 【总结】本题中只告诉了磁感应强度的大小，而未具体指出磁感应强度的方向，此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成双解。‎ 所以当或时，粒子可以从磁场内射出。‎ ‎【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。‎ 例10：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）‎ ‎[‎ ‎ 【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。‎ ‎5. 带电粒子在几种“有界磁场”中的运动 图9-19‎ ‎（1）带电粒子在环状磁场中的运动 例11：核聚变反应需要几百万度以上的高温，为把高温条件下高速运动的离子约束在小范围内（否则不可能发生核反应），通常采用磁约束的方法（托卡马克装置）。如图9-19所示，环状匀强磁场围成中空区域，中空区域中的带电粒子只要速度不是很大，都不会穿出磁场的外边缘而被约束在该区域内。设环状磁场的内半径为R1=‎0.5m，外半径R2=‎1.0m，磁场的磁感强度B=1.0T，若被束缚带电粒子的荷质比为q/m=4×C/㎏，中空区域内带电粒子具有各个方向的速度。试计算：‎ ‎（1）粒子沿环状的半径方向射入磁场，不能穿越磁场的最大速度。‎ ‎（2）所有粒子不能穿越磁场的最大速度。‎ ‎【总结】带电粒子在有界磁场中运动时，运动轨迹和磁场边界“相切”往往是临界状态，对于解题起到关键性作用。‎ ‎（2）带电粒子在有“圆孔”的磁场中运动 a b c d S o 图22‎ 例12：如图9-22所示，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a、b、c和d，外筒的外半径为r，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小为B。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场。一质量为ｍ、带电量为＋q的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝a的S点出发，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点S，则两电极之间的电压U应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）‎ ‎【审题】带电粒子从S点出发，在两筒之间的电场作用下加速，沿径向穿过狭缝a而进入磁场区，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动。粒子再回到S点的条件是能沿径向穿过狭缝d.只要穿过了d，粒子就会在电场力作用下先减速，再反向加速，经d重新进入磁场区，然后粒子以同样方式经过c、b，再回到S点。‎ ‎【审题】带电粒子在电场中经过电场加速，进入中间区域磁场，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，又进入右侧磁场区域做圆周运动，根据题意，粒子又回到O点，所以粒子圆周运动的轨迹具有对称性，如图9-25画出粒子运动轨迹。‎ ‎【解析】（1）带电粒子在电场中加速，由动能定理，可得：‎ 带电粒子在磁场中偏转，由牛顿第二定律，可得：‎ 由以上两式，可得。‎ 可见在两磁场区粒子运动半径相同，三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3是等边三角形，其边长为2R。所以中间磁场区域的宽度为