带电粒子在有界磁场中运动的分析方法Word文档下载推荐.docx
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4 解析:
带电粒子射入磁场后,于速率大小的变化,导致粒子轨迹半径的改变,如图所示。
当速率最小时,粒子恰好从d点射出,图可知其半径R1=L/4,再R1=mv1/eB,得 当速率最大时,粒子恰好从c点射出,图可知其半径R2满足 ,即R2=5L/4,再R2=mv2/eB,得 电子速率v的取值范围为:
点评:
本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的方向,于入射速度的大小发生改变,从而改变了该粒子运动轨迹半径,导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出临界状态粒子运动的轨迹图,再根据几何关系确定对应的轨迹半径,最后求解临界状态的速率。
确定入射速度的大小,而方向变化,判定粒子的出射范围 5
【例3】如图8所示,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α放射源S,它向各个方向发射α粒子,α粒子的速度都是v=3.0×
10m/s,已知α粒子的电荷与质量之比q/m=5.0×
10C/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。
7 6 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qvB=mv/R, 此得R=mv/qB,代入数值得R=10cm。
2 可见,2R>
l>
R,如图9所示,因朝不同方向发射的α粒子的圆轨迹都过S,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。
为定出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作ab的垂线,它与ab的交点即为P1。
6 , 再考虑N的右侧。
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N右侧的P2点,此即右侧能打到的最远点。
图中几何关系得 所求长度为P1P2=NP1+NP2, 代入数值得P1P2=20cm。
本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的大小,其对应的轨迹半径也就确定了。
但于入射速度的方向发生改变,从而改变了该粒子运动轨迹图,导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出临界状态粒子运动的轨迹图,再利用轨迹半径与几何关系确定对应的出射范围。
2.给定动态有界磁场 确定入射速度的大小和方向,判定粒子出射点的位置 【例4】在以坐标原点O为圆心、半径为r的圆形区域内,存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场,如图10所示。
一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x轴的交点A处以速度v沿-x方向射入磁场,恰好从磁场边界与y轴的交点C处沿+y方向飞出。
, 请判断该粒子带何种电荷,并求出其比荷q/m;
7 若磁场的方向和所在空间范围不变,而磁感应强度的大小变为B′,该粒子仍从A处以相同的速度射入磁场,但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60°
角,求磁感应强度B′多大?
此次粒子在磁场中运动所用时间t是多少?
解析:
粒子的飞行轨迹,利用左手定则可知,该粒子带负电荷。
如图11所示,粒子A点射入,C点飞出,其速度方向改变了90°
,则粒子轨迹半径r=R,又 , 则粒子的荷质比为 。
粒子从D点飞出磁场速度方向改变了60°
角,故AD弧所对圆心角60°
, 粒子做圆周运动的半径 ,又,所以, 粒子在磁场中飞行时间:
8 。
本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的大小和方向,但于有界磁场发生改变,从而改变了该粒子在有界磁场中运动的轨迹图,导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出磁场发生改变后粒子运动的轨迹图,再利用轨迹半径与几何关系确定对应的出射点的位置。
已知入射速度和出射速度,判定动态有界磁场的边界位置 【例5】如图12所示,一带电质点,质量为m,电量为q,以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域。
为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出,可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场。
若此磁场仅分布在一个圆形区域内,试求这圆形磁场区域的最小半径。
重力忽略不计。
解析:
质点在磁场中作半径为R的圆周运动, qvB=/R,得R=/。
根据题意,质点在磁场区域中的轨道是半径等于R的圆上的1/4圆周,这段圆弧应与入射方向的速度、出射方向的速度相切。
如图13所示,过a点作平行于x轴的直线,过b点作平行于y轴的直线,则与这两直线均相距R的O′点就是圆周的圆心。
质点在磁场区域中的轨道就是以O′为圆心、R为半径的圆上的圆弧MN,M点和N点应在所求圆形磁场区域的边界上。
2 9 在通过M、N两点的不同的圆周中,最小的一个是以MN连线为直径的圆周。
所以本题所求的圆形磁场区域的最小半径为:
, 所求磁场区域如图13所示中实线圆所示。
本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度和出射速度的大小和方向,但于有界磁场发生改变,从而改变了该粒子在有界磁场中运动的轨迹图,导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出磁场发生改变后粒子运动的轨迹图,确定临界状态的粒子运动轨迹图,再利用轨迹半径与几何关系确定对应的磁场区域的位置。
综上所述,运动的带电粒子垂直进入有界的匀强磁场,若仅受洛仑兹力作用时,它一定做匀速圆周运动,这类问题虽然比较复杂,但只要准确地画出运动轨迹图,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。
3.如图16所示,现有一质量为m、电量为e的电子从y轴上的P点以初速度v0平行于x轴射出,为了使电子能够经过x轴上的Q点,可在y轴右侧加一垂直于xoy平面向里、宽度为L的匀强磁场,磁感应强度大小为B,该磁场左、右边界与y轴平行,上、下足够宽。
已知 果可用反三角函数表示) ,L<b。
试求磁场的左边界距坐标原点的可能距离。
(结 10
答案:
⑴当r>
L时,磁场左边界距坐标原点的距离为:
;
当r≤L时,磁场左边界距坐标原点的距离为:
。
最小磁场面积 1、磁场范围为圆形例1一质量为强度为 、带电量为的粒子以速度 从O点沿 轴正方向射入磁感 的一圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直于纸面,粒子飞出磁场区后,从处 穿过轴,速度方向与轴正向夹角为30°
,如图1所示。
11 试求:
圆形磁场区的最小面积;
粒子从O点进入磁场区到达点所经历的时间;
点的坐标。
题可知,粒子不可能直接O点经半个圆周偏转到点,其必在圆周运动不到半圈时离开磁场区域后沿直线运动到点。
可知,其离开磁场时的临界点与O点都在圆周上,到圆心的距离必相等。
如图2,过点逆着速度线,与 的方向作虚 轴相交,于粒子在磁场中偏转的半径一定,且圆心位于轴上,距O点 点即为圆周运动的圆心,圆的半径 距离和到虚线上点垂直距离相等的 。
,得。
弦长为:
, 要使圆形磁场区域面积最小,半径应为的一半,即:
, 面积 粒子运动的圆心角为120,时间 12 0 。
距离,故点的坐标为。
此题关键是要找到圆心和粒子射入、射出磁场边界的临界点,注意圆心必在两临界点速度垂线的交点上且圆心到这两临界点的距离相等;
还要明确所求最小圆形磁场的直径等于粒子运动轨迹的弦长。
2、磁场范围为矩形 例2如图3所示,直角坐标系 第一象限的区域存在沿 轴正方向的匀强电 场。
现有一质量为,电量为的电子从第一象限的某点以初速度 沿轴的负方向开始运动,经过轴上的点进入第四象限,先做匀速 轴、 直线运动然后进入垂直纸面的矩形匀强磁场区域,磁场左边界和上边界分别与轴重合,电子偏转后恰好经过坐标原点O,并沿力。
求 轴的正方向运动,不计电子的重 电子经过 点的速度;
和磁场的最小面积 。
点,可知竖 该匀强磁场的磁感应强度解析:
电子从 点开始在电场力作用下作类平抛运动运动到 直方向:
,水平方向:
13 。
解得。
而,所以电子经过点时的速度为:
,设与 θ=30。
如图4,电子以与 0 方向的夹角为θ,可知,所以 成30°
进入第四象限后先沿做匀速直线运动, 然后进入匀强磁场区域做匀速圆周运动恰好以沿周运动的圆心 一定在X轴上,且 轴向上的速度经过O点。
可知圆 上M点的垂直距离相等,找出所以磁场的右边界和下边界就确定了。
点,画出其运动的部分轨迹为弧MNO, 设偏转半径为,,图知OQ==,解得, 方向垂直纸面向里。
矩形磁场的长度,宽度。
矩形磁场的最小面积为:
14 点评:
此题中粒子进入第四象限后的运动即为例1中运动的逆过程,解题思路相似,关键要注意矩形磁场边界的确定。
3、磁场范围为三角形例3如图5,一个质量为 ,带 电量的粒子在BC边上的M点以速度垂直 于BC边飞入正三角形ABC。
为了使该粒子能在AC边上的N点垂真于AC边飞出ABC,可在适当的位置加一个垂直于纸面向里,磁感应强度为B的匀强磁场。
若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内,且不计粒子的重力。
试求:
粒子在磁场里运动的轨道半径r及周期T;
该粒子在磁场里运动的时间t;
该正三角形区域磁场的最小边长;
和, 得:
, 题意可知,粒子刚进入磁场时应该先向左偏转,不可能直接在磁场中 M点作圆周运动到N点,当粒子刚进入磁场和刚离开磁场时,其速度方向应该沿着轨迹的切线方向并垂直于半径,如图6作出圆O,粒子的运动轨迹为弧GDEF,圆弧在G点与初速度方向相切,在F点与出射速度相切。
画出三角形 ,其与圆弧在D、 E两点相切,并与圆O交于F、G两点,此为符合题意的最小磁场区域。
数学知识 可知∠FOG=60,所以粒子偏转的圆心角为300,运动的时间 00 15
连接并延长与交与H点,图可知,, = 点评:
这道题中粒子运动轨迹和磁场边界临界点的确定比较困难,必须将射入速度与从AC边射出速度的反向延长线相交后根据运动半径已知的特点,结合几何知识才能确定。
另外,在计算最小边长时一定要注意圆周运动的轨迹并不是三角形磁场的内切圆。
4、磁场范围为树叶形例4在速率 平面内有许多电子,从坐标O不断以相同 平面向内、磁 沿不同方向射入第一象限,如图7所示。
现加一个垂直于 感强度为的匀强磁场,要求这些电子穿过磁场后都能平行于轴向正方向运动, 求符合该条件磁场的最小面积。
16 解析:
电子在磁场中运动半径是确定的,设磁场区域足够大,作出电 子可能的运动轨道如图8所示,因为电子只能向第一象限平面内发射,其中圆O1和圆O2为从圆点射出,经第一象限的所有圆中的最低和最高位置的两个圆。
圆O2在x轴上方的个圆弧odb就是磁场的上边界。
其它各圆轨迹的圆心所连成的线必为以 点O为圆心,以R为半径的圆弧O1OmO2。
于要求所有电子均平行于x轴向右飞出磁场,故几何知识知电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。
可证明,磁场下边 界为一段圆弧,只需将这些圆心连线向上平移一段长度为的距离即图9中的弧ocb就是这些圆的最高点的连线,即为磁场区域的下边界。
两边界之间图形的阴影区域面积即为所求磁场区域面积:
。
还可根据圆的知识求出磁场的下边界。
设某电子的速度V0与x轴夹角为θ,若离开磁场速度变为水平方向时,其射出点也就是轨迹与磁场边界的交点坐标为,从图10中看出,,即, 这是个圆方程,圆心在处,圆的圆弧部分即为磁场区域的下边界。
17 点评:
这道题与前三题的区别在于要求学生通过分析确定磁场的形状和范围,磁场下边界的处理对学生的数理结合能力和分析能力要求较高。
以上题目分析可知,解决此类问题的关键是依据题意,分析物体的运动过程和运动形式,扣住运动过程中的临界点,应用几何知识,找出运动的轨迹圆心,画出粒子运动的部分轨迹,确定半径,再用题目中规定形状的最小磁场覆盖粒子运动的轨迹,然后应用数学工具和相应物理规律分析解出所求的最小面积即可。
动态圆法巧解带电粒子运动问题 带电粒子在垂直于磁场方向的平面上受洛伦兹力做圆周运动,以恒定的速率从某点A开始运动,随 方向不同,轨迹不同。
但无论 方向向哪里,所有轨迹一 定会过定点A,并且所有轨迹的半径相等,A点是带电粒子在磁场中 所有圆周运动的公共点,如图1所示。
利用这一个规律,可以帮助同学们分析解决带电粒子在磁场中运动的问题,可以化难为易,直观、形象、简捷。
解题时只需将圆一转,思路即出。
18 基本原理:
带电粒子在垂直于磁场的平面内的运动轨迹是一个半径为 的圆,带电粒子可能到达的地方就在半径为的圆绕A点转动所扫过的面积 范围内。
例1.如图2所示,真空室内存在匀强磁场,磁场方向垂直于图中纸面向里,磁感应强度的大小B=。
磁场内有一块平面感光平板ab,板面与磁场方向平行。
在距ab的距离为L=16cm处。
有一个点状的粒子放射源S,它向各个方向发射粒子, 粒子的速度都是 。
已知 粒子的电荷与质量之比 。
现在只考虑在图纸平面中运动的 中的区域的长度。
粒子,求ab上被粒子打 解析:
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:
此得,代入数据得R=10cm。
可见,。
因向不同的方向发射粒子的圆轨迹都经过了S,此可知,将通过S点半径为R的圆,绕S点转动,此圆就会与ab直线相交,其相交部分就是题里要求的ab直线上 粒子打中的区域的长度。
其中圆与ab右侧最远点相交于 点,且 , 继续转动圆,此圆会与ab线相交于许多点,构成线段 19 ,圆与ab直线上最左边 的交点为圆与ab的切点,即为ab直线上粒子打中区域的左侧最远点,如图 3所示。
作SN⊥ab,几何知识得 图中的几何关系得:
所求的宽度为:
即ab上被 粒子打中的区域的长度为:
例2.如图4所示,在xOy平面内有许多电子,从坐标原点O不断的以相同大小的速度 沿不同方向射入I象限,现加一个垂直于xOy平面 的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能平行于x轴向+x 方向运动,试求符合该条件的磁场的最小面积。
解析:
设磁场B的方向垂直纸面向里,当电子以与x轴成角从O点进入B中做圆周运动,从A点出磁场时其速度方向平行于x轴,也就是圆弧在y轴正向的最高点,如图5所示,所有满足题意的点可看作是过定点 O,以半径为的圆在纸面内绕O转动90°
20
围内,如图8所示的箭头所示的角度范围内。
在如图8所示中,SA方向顺时针方向至SP方向发射的电子,其圆心在相应的弧OQ上,打在板上的点b/到点b上,与最远点b对应的圆心为点Q,发射方向为SO,几何关系,得Ob=L,所以板MN上被电子打中的范围为线段ab,则:
ab=oa+ob= ?
3?
1L ?
【点评】确定动态圆圆心的轨迹考虑电子在磁场中顺时针运动才能击中板的约束条件,进一步确定电子发射方向的范围,再动态圆的渐变到突变,在临界状态通过简单的几何关系求解极值,是解决这类问题的有效方法。
如果能用动态圆模型直观教学和练习,学生更是一目了然。
常见题型 1、带电粒子速度大小相同,方向不同——旋转的动态圆 例1如图1所示,在0≤x≤3a区域内存在与xy平面垂直的匀强磁场,磁感应强度的大小为B。
在t?
0时刻,一位于坐标原点的粒子源在xy平面内发射出大量同种带电粒子,所有粒子的初速度大小相同,方向与y轴正方向的夹角分布在0~180°
范围内。
已知沿y轴正方向发射的粒子在t?
t0时刻刚好从磁场边界上P(3a,a)点离开磁场。
求:
(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径R及粒子的比荷 q/m;
(2)此时刻仍在磁场中的粒子的初速度方向与y轴正方向夹角的取值范围;
(3)从粒子发射到全部粒子离开磁场所用的时间。
【解析】
(1)具体思路是做出从P点离开磁场的带电粒子的运动轨迹,如图2所示,几何关系求出半径R?
23a,对应的圆心角为?
?
120?
,周期T?
3t0,326 在周期T?
2?
mq2?
得?
,也容易得弦OP与y轴正方向夹角为60°
Bqm3Bt0
(2)下面重点分析此问,于带电粒子的初速度大小相同,可见半径R相同,做出从不同方向射出的粒子的运动轨迹,其动态圆如图3所示的。
结合带电粒子在磁场中做匀速圆周速度的特点,可知同一时刻仍在磁场内的粒子到O点距离相同。
在 t0时刻仍在磁场内的粒子应位于以O点为圆心、OP为半径的圆弧MN上,如图4所 示。
设此时位于P、M、N三点的粒子初速度分别为vP、vM、vN。
几何关系可知,vP与OP、vM与OM、vN与ON的夹角均为60°
,故所求答案为60°
~120°
(3)上面的分析也易得在磁场中飞行时间最长的粒子的运动轨迹应与磁场右边界相切,如图5所示,几何关系可知OP=OM=MF,运动轨迹对应的圆心角为240°
,故所求答案为2t0。
需要说明的是求R还要其他数学方法,不做一一分析。
例2如图6所示,在0≤x≤a、0≤y≤27 a范围内2 有垂直于xy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B。
坐标原点O处有一个粒子源,在某时刻发射大量质量为m、电荷量为q的带正电粒子,它们的速度大小相同,速度方向均在xy平面内,与y轴正方向的夹角分布在0~90°
己知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a到a之间,从发射粒子到粒子全部离开磁场经历2的时间恰好为粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之 一。
求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的
(1)速度大小;
(2)速度方向与y轴正方向夹角正弦。
【解析】与上题分析类似,做出从不同方向射出的粒子的运动轨迹,动态圆如图7所示的。
设初速度与y轴正向的夹角为θ,当θ较小时,粒子从磁场上边界离开,θ越大,粒子在磁场中的运动时间越长;
当θ较大时,粒子从磁场右边界或x轴正向离开,θ越大,粒子在磁场中的运动时间越短。
可见最后离开磁场的粒子即在磁场中运动时间最长的粒子,其轨迹圆应与磁场的上边界相切,如图8所示。
具体的求解是设粒子的发射速度大小为v,则做圆周运动的半径R?
mv,Bq该粒子在磁场运动的时间为T/4得:
∠OCA=90°
几何关系可得:
Rsin?
R?
a2Rsin?
a?
Rcos?
又sin联立解得:
(2?
cos2?
1 6)a、228 v?
6aqB6?
6、sin?
)2m102、带电粒子速度方向相同,大小不同——膨胀的动态圆例3如图9所示左边有一对平行金属板,两板相距为d,电压为U;
两板之间有匀强磁场,磁感应强度大小为B0,方向平行于板面并垂直于纸面朝里。
图中右边有一边长为a的正三角形区域EFG,在此区域内及其边界上也 有匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面朝里。
假设一系列电荷量为q的正离子沿平行于金属板面、垂直于磁场的方向射入金属板之间,沿同一方向射出金属板之间的区域,并经EF边中点H射入磁场区域。
不计重力。
(1)已知这些离子中的离子甲到达磁场边界EG后,从边界EF穿出磁场,求离子甲的质量;
(2)已知这些离子中的离子乙从EG边上的I点(图中未画出)穿出磁场,且GI长为3a/4,求离子乙的质量;
(3)若这些离子中的最轻离子的质量等于离子甲质量的一半,而离子乙的质量是最大的,问磁场边界上什么区域内可能有离子到达?
【解析】题意知,所有离子在平行金属板之间做匀速直线运动,则有 B0qv?
qUU,解得粒子速度v?
dB0d本题虽然速度大小不变,但质量m变,结合带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径公式R?
mv分析,等价此类问题,可做出不同质量的Bq带电粒子在磁场中的运动轨迹,其动态圆如图10所示的。
(1)题意知,离子甲的运动轨迹如图11所示半圆,半圆 29 与EG边相切与A点,与EF边垂直相交与B点,几何关系可得半径 3R甲?
acos30?
tan15?
(3?
)a,从而求到甲离子的质量 2qaBB0d3m甲?
)。
U2
(2)离子乙的运动轨迹如图12所示,在△EIO2中,余弦定理得 aaaa2R乙?
()2?
(?
R乙)2?
2()(?
R乙)cos60?
4242qaBB0d
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