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专题九 带电粒子在复合场中的运动
1.带电粒子在电场中常见的运动类型
(1)匀变速直线运动:通常利用动能定理qU=mv2-mv来求解.对于匀强电场,电场力做功也可以用W=qEd求解.
(2)偏转运动:一般争辩带电粒子在匀强电场中的偏转问题.对于类平抛运动可直接利用平抛运动的规律以及推论;较简洁的曲线运动常用运动分解的方法来处理.
2.带电粒子在匀强磁场中常见的运动类型
(1)匀速直线运动:当v∥B时,带电粒子以速度v做匀速直线运动.
(2)匀速圆周运动:当v⊥B时,带电粒子在垂直于磁感线的平面内以入射速度做匀速圆周运动.
3.复合场中是否需要考虑粒子重力的三种状况
(1)对于微观粒子,如电子、质子、离子等,由于其重力一般状况下与电场力或磁场力相比太小,可以忽视;而对于一些宏观物体,如带电小球、液滴、金属块等一般应考虑其重力.
(2)题目中有明确说明是否要考虑重力的状况.
(3)不能直接推断是否要考虑重力的状况,在进行受力分析与运动分析时,依据运动状态可分析出是否要考虑重力.
1.正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题的前提
带电粒子在复合场中做什么运动,取决于带电粒子所受的合外力及初始运动状态的速度,因此应把带电粒子的运动状况和受力状况结合起来进行分析.
2.机敏选用力学规律是解决问题的关键
当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时,应依据平衡条件列方程求解.
当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时,往往同时应用牛顿其次定律和平衡条件列方程联立求解.
当带电粒子在复合场中做非匀变速曲线运动时,应选用动能定理或能量守恒定律列方程求解.
考向1 带电粒子在叠加场中的运动
例1 如图1所示,位于竖直平面内的坐标系xOy,在其第三象限空间有垂直于纸面对外的匀强磁场,磁感应强度大小为B=0.5 T,还有沿x轴负方向的匀强电场,场强大小为E=2 N/C.在其第一象限空间有沿y轴负方向的、场强大小也为E的匀强电场,并在y>h=0.4 m的区域有磁感应强度也为B的垂直于纸面对里的匀强磁场.一个带电荷量为q的油滴从图中第三象限的P点得到一初速度,恰好能沿PO做匀速直线运动(PO与x轴负方向的夹角为θ=45°),并从原点O进入第一象限.已知重力加速度g=10 m/s2,问:
图1
(1)油滴在第三象限运动时受到的重力、电场力、洛伦兹力三力的大小之比,并指出油滴带何种电荷;
(2)油滴在P点得到的初速度大小;
(3)油滴在第一象限运动的时间.
审题突破 在第三象限油滴恰好能沿PO做匀速直线运动需要满足什么条件?依据夹角为θ=45°,重力、电场力有什么数值关系?油滴进入第一象限后做什么运动?
解析 (1)依据受力分析(如图)可知油滴带负电荷,
设油滴质量为m,由平衡条件得:
mg∶qE∶F=1∶1∶.
(2)由第(1)问得:mg=qE
qvB=qE
解得:v==4 m/s.
(3)进入第一象限,电场力和重力平衡,知油滴先做匀速直线运动,进入y≥h的区域后做匀速圆周运动,轨迹如图,最终从x轴上的N点离开第一象限.
由O→A匀速运动的位移为s1==h
其运动时间:t1====0.1 s
由几何关系和圆周运动的周期关系式T=知,
由A→C的圆周运动时间为
t2=T=≈0.628 s
由对称性知从C→N的时间t3=t1
在第一象限运动的总时间t=t1+t2+t3=2×0.1 s+0.628 s=0.828 s
答案 (1)1∶1∶ 油滴带负电荷 (2)4 m/s
(3)0.828 s
以题说法 带电粒子在叠加场中运动的处理方法
1.弄清叠加场的组成特点.
2.正确分析带电粒子的受力及运动特点.
3.画出粒子的运动轨迹,机敏选择不同的运动规律
(1)若只有两个场且正交,合力为零,则表现为匀速直线运动或静止.例如电场与磁场中满足qE=qvB;重力场与磁场中满足mg=qvB;重力场与电场中满足mg=qE.
(2)若三场共存时,合力为零,粒子做匀速直线运动,其中洛伦兹力F=qvB的方向与速度v垂直.
(3)若三场共存时,粒子做匀速圆周运动,则有mg=qE,粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,即qvB=m.
(4)当带电粒子做简洁的曲线运动或有约束的变速直线运动时,一般用动能定理或能量守恒定律求解.
如图2所示,水平地面上方竖直边界MN左侧存在垂直纸面对里的匀强磁场B和沿竖直方向的匀强电场E2(未画出),磁感应强度B=1.0 T,MN边界右侧离地面h=3 m处有长为L=0.91 m的光滑水平绝缘平台,平台的左边缘与MN重合,平台右边缘有一质量m=0.1 kg、电量q=0.1 C的带正电小球,以初速度v0=0.6 m/s向左运动.此时平台上方存在E1=2 N/C的匀强电场,电场方向与水平方向成θ角,指向左下方,小球在平台上运动的过程中,θ为45°至90°的某一确定值.小球离开平台左侧后恰好做匀速圆周运动.小球可视为质点,g=10 m/s2.求:
图2
(1)电场强度E2的大小和方向;
(2)小球离开平台左侧后在磁场中运动的最短时间;
(3)小球离开平台左侧后,小球落地点的范围(计算结果可以用根号表示).
答案 (1)10 N/C,方向竖直向上 (2) s (3)距N点左边 m、右边 m的范围内
解析 (1)由于小球在MN边界左侧做匀速圆周运动,其所受到的电场力必等于自身重力,有qE2=mg
得E2=10 N/C,方向竖直向上.
(2)若θ=90°,小球匀速通过MN有最小速度:
vmin=0.6 m/s
若θ=45°,小球匀加速通过MN有最大速度.
此时E1qcos θ=ma,a==2 m/s2
由v-v=2aL可得:vmax=2 m/s
综合分析得:小球通过MN后的速度为0.6 m/s≤vA≤2 m/s
小球以2 m/s在磁场中做匀速圆周运动的时间最短,
依据Bqv=m和T=
得:Rmax==2 m
T==2π s,
由于sin θ==,所以θ=30°
所以小球在磁场中转过的角度为120°,
所以小球在磁场中运动的时间t=T= s.
(3)小球落在N点左边最大距离时,设到N点距离为x,则x=Rmaxcos 30°= m
小球从MN边界飞出的最小半径Rmin==0.6 m
设小球落到N点右边时,到N点的距离为s,小球落在N点右边的最大距离由平抛运动得
h-2R′=gt2
s=v′t
v′=
s=
当R′=1 m时,s有最大值
因0.6 m≤R′≤1.5 m,故s= 成立
代入数据解得s= m,所以小球的落点在距N点左边 m、右边 m的范围内.
考向2 带电粒子在组合场中的运动分析
例2 为争辩带电粒子在电场和磁场中的偏转状况,在xOy平面内加如图3所示的电场和磁场,其次象限-10 cm≤x≤0区域内有垂直纸面对里的匀强磁场B,其大小为0.2 T;在第一象限内有一电场强度方向沿y轴负方向且可沿x轴平移的条形匀强电场,其宽度d=5 cm.在A(-6 cm,0)点有一粒子放射源,向x轴上方180°范围内放射速度大小为v=2.0×106 m/s的负粒子,粒子的比荷为q/m=2.0×108 C/kg,不计算粒子的重力和相互作用.
图3
(1)若粒子与x轴正方向成30°角方向射入磁场,求该粒子在磁场中运动的时间;
(2)求从A处放射的全部粒子中与+y轴交点的最大值坐标;
(3)当电场左边界与y轴重合时满足第(2)问条件的粒子经过电场后恰好平行x轴从其右边界飞出,求匀强电场的电场强度E的大小.
(4)现将条形电场沿x轴正向平移,电场的宽度和电场强度E仍保持不变,能让满足第(2)问条件的粒子经过电场后从右边界飞出,在此状况下写出电场左边界的横坐标x0与从电场右边界出射点的纵坐标y0的关系式,并绘出图线.
审题突破 粒子速度确定、比荷确定,则在磁场中做圆周运动的半径确定,与x轴成30°角方向射入时,对应的圆心角是多少呢?A与粒子做圆周运动的轨迹和+y轴交点的连线是弦,弦何时最大?你能结合几何关系得到电场左边界的横坐标x0与从电场右边界出射点纵坐标y0的函数关系表达式吗?
解析 (1)设带电粒子在磁场中做圆周运动的半径为r,
由牛顿其次定律得qvB=m
得r==0.05 m=5 cm
粒子在磁场中运动的周期为T==×10-7 s
如图所示为粒子在磁场中运动的轨迹
由几何关系得α=60°
t=T=×10-7 s.
(2)设从y轴最上方飞出的粒子坐标为(0,y1)
由几何关系得(2r)2=62+y
得y1=8 cm.
(3)如图所示,设粒子从磁场射出时速度方向与x轴的夹角为θ,
有sin θ=,即θ=37°,
设粒子在电场中运动的时间为t1,
t1=
设粒子的加速度大小为a,则a=,vsin θ=at1
联立解得E==1.92×105 N/C.
(4)如图所示,带电粒子离开磁场后先做匀速直线运动,后做类平抛运动.电场左边界的横坐标x0与从电场右边界出射点纵坐标y0的函数关系为y1-(x0+)tan θ=y0,
即y0=6.125-0.75x0(cm)
当x0=0时,从电场右边界出射点的纵坐标为y0=6.125 cm,
当y0=0时,电场左边界的横坐标为x0= cm.
图线如图所示.
答案 (1)×10-7 s (2)8 cm (3)1.92×105 N/C (4)y0=6.125-0.75x0(cm) 见解析图
以题说法 设带电粒子在组合场内的运动实际上也是运动过程的组合,解决方法如下:
(1)分别争辩带电粒子在不同场区的运动规律.在匀强磁场中做匀速圆周运动.在匀强电场中,若速度方向与电场方向平行,则做匀变速直线运动;若速度方向与电场方向垂直,则做类平抛运动.
(2)带电粒子经过磁场区域时利用圆周运动规律结合几何关系处理.
(3)当粒子从一个场进入另一个场时,分析转折点处粒子速度的大小和方憧憬往是解题的突破口.
如图4所示,相距3L的AB、CD两直线间的区域存在着两个大小不同、方向相反的有界匀强电场,其中PT上方的电场Ⅰ的场强方向竖直向下,PT下方的电场Ⅱ的场强方向竖直向上,电场Ⅰ的场强大小是电场Ⅱ的场强大小的两倍,在电场左边界AB上有点Q,PQ间距离为L.从某时刻起由Q以初速度v0沿水平方向垂直射入匀强电场的带电粒子,电量为+q、质量为m.通过PT上的某点R进入匀强电场Ⅰ后从CD边上的M点水平射出,其轨迹如图,若PR两点的距离为2L.不计粒子的重力.试求:
图4
(1)匀强电场Ⅰ的电场强度的大小和MT之间的距离;
(2)有一边长为a、由光滑弹性绝缘壁围成的正三角形容器,在其边界正中心开有一小孔S,将其置于CD右侧且紧挨CD边界,若从Q点射入的粒子经AB、CD间的电场从S孔水平射入容器中.欲使粒子在容器中与器壁多次垂直碰撞后仍能从S孔射出(粒子与绝缘壁碰撞时无机械能和电量损失),并返回Q点,需在容器中现加上一个如图所示的匀强磁场,粒子运动的半径小于a,求磁感应强度B的大小应满足的条件以及从Q动身再返回到Q所经受的时间.
答案 (1) L (2)B=,n=1,2,…
+,n=1,2,…
解析 (1)设粒子经PT直线上的点R由E2电场进入E1电场,由Q到R及R到M点的时间分别为t2与t1,到达R时竖直速度为vy,
则由F=qE=ma,
2L=v0t2,
L=v0t1,
L=·t,
E1=2E2,
得E1=
vy=t2=t1
MT=·t
联立解得MT=L.
(2)欲使粒子仍能从S孔处射出,粒子运动的半径为r,则
qv0B=
(1+2n)r=a,n=1,2,…
解得:B=, n=1,2,…
由几何关系可知t′=3×(2n×+)=(3n+)T
n=1,2,3…
T==
代入B得T=,n=1,2,…
t=2t1+2t2+t′=+,n=1,2,…
10.带电粒子在周期性变化的电磁场中的运动分析
例3 (19分)如图5甲所示,在xOy平面内存在均匀、大小随时间周期性变化的磁场和电场,变化规律分别如图乙、丙所示(规定垂直纸面对里为磁感应强度的正方向、沿y轴正方向电场强度为正).在t=0时刻由原点O放射初速度大小为v0,方向沿y轴正方向的带负电粒子.
图5
已知v0、t0、B0,粒子的比荷为,不计粒子的重力.求:
(1)t=t0时,求粒子的位置坐标;
(2)若t=5t0时粒子回到原点,求0~5t0时间内粒子距x轴的最大距离;
(3)若粒子能够回到原点,求满足条件的全部E0值.
解析 (1)由粒子的比荷=,
则粒子做圆周运动的周期T==2t0(1分)
则在0~t0内转过的圆心角α=π(2分)
由牛顿其次定律qv0B0=m(2分)
得r1=(1分)
位置坐标(,0).(1分)
(2)粒子t=5t0时回到原点,轨迹如图所示
r2=2r1(2分)
r1= r2=(1分)
得v2=2v0(1分)
又=,r2=(1分)
粒子在t0~2t0时间内做匀加速直线运动,2t0~3t0时间内做匀速圆周运动,则在0~5t0时间内粒子距x轴的最大距离:hm=t0+r2=(+)v0t0.(2分)
(3)如图所示,设带电粒子在x轴上方做圆周运动的轨道半径为r1,在x轴下方做圆周运动的轨道半径为r2′,由几何关系可知,要使粒子经过原点,则必需满足:
n(2r2′-2r1)=2r1,(n=1,2,3,…)(1分)
r1= r2′=(1分)
联立以上各式解得v=v0,(n=1,2,3,…)(1分)
又由v=v0+(1分)
得E0=,(n=1,2,3,…).(1分)
答案 (1)(,0) (2)(+)v0t0 (3),(n=1,2,3,…)
点睛之笔 变化的电场或磁场往往具有周期性,粒子的运动也往往具有周期性.这种状况下要认真分析带电粒子的运动过程、受力状况,弄清楚带电粒子在变化的电场、磁场中各处于什么状态,做什么运动,画出一个周期内的运动径迹的草图.
(限时:15分钟,满分:20分)
(2022·山东·24)如图6甲所示,间距为d、垂直于纸面的两平行板P、Q间存在匀强磁场.取垂直于纸面对里为磁场的正方向,磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示.t=0时刻,一质量为m、带电量为+q的粒子(不计重力),以初速度v0由Q板左端靠近板面的位置,沿垂直于磁场且平行于板面的方向射入磁场区.当B0和TB取某些特定值时,可使t=0时刻入射的粒子经Δt时间恰能垂直打在P板上(不考虑粒子反弹).上述m、q、d、v0为已知量.
图6
(1)若Δt=TB,求B0;
(2)若Δt=TB,求粒子在磁场中运动时加速度的大小;
(3)若B0=,为使粒子仍能垂直打在P板上,求TB.
答案 (1) (2) (3)或
解析 (1)设粒子做圆周运动的半径为R1,
由牛顿其次定律得qv0B0=①
据题意由几何关系得R1=d②
联立①②式得B0=③
(2)设粒子做圆周运动的半径为R2,加速度大小为a,由圆周运动公式得a=④
据题意由几何关系得3R2=d⑤
联立④⑤式得a=.⑥
(3)设粒子做圆周运动的半径为R,周期为T,由圆周运动公式得T=⑦
由牛顿其次定律得qv0B0= ⑧
由题意知B0=,代入⑧式得d=4R⑨
粒子运动轨迹如图所示,
O1、O2为圆心,O1O2连线与水平方向的夹角为θ,在每个TB内,只有A、B两个位置才有可能垂直击中P板,且均要求0<θ<,由题意可知
T=⑩
设经受完整TB的个数为n(n=0,1,2,3,…)
若在A点击中P板,据题意由几何关系得
R+2(R+Rsin θ)n=d⑪
当n=0时,无解⑫
当n=1时,联立⑨⑪式得θ=(或sin θ=)⑬
联立⑦⑨⑩⑬式得TB=⑭
当n≥2时,不满足0<θ<90°的要求⑮
若在B点击中P板,据题意由几何关系得
R+2Rsin θ+2(R+Rsin θ)n=d⑯
当n=0时,无解⑰
当n=1时,联立⑨⑯式得
θ=arcsin(或sin θ=)⑱
联立⑦⑨⑩⑱式得TB=⑲
当n≥2时,不满足0<θ<90°的要求.
(限时:45分钟)
题组1 带电粒子在叠加场中的运动
1.如图1甲所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上.在xOy平面内有与y轴平行的匀强电场,在半径为R的圆形区域内加有与xOy平面垂直的匀强磁场.在坐标原点O处放置一带电微粒放射装置,它可以连续不断地放射具有相同质量m、电荷量q(q>0)和初速度为v0的带电微粒.(已知重力加速度为g)
图1
(1)当带电微粒放射装置连续不断地沿y轴正方向放射这种带电微粒时,这些带电微粒将沿圆形磁场区域的水平直径方向离开磁场,并连续沿x轴正方向运动.求电场强度E和磁感应强度B的大小和方向.
(2)调整坐标原点处的带电微粒放射装置,使其在xOy平面内不断地以相同速率v0沿不同方向将这种带电微粒射入第Ⅰ象限,如图乙所示.现要求这些带电微粒最终都能平行于x轴正方向运动,则在保证电场强度E和磁感应强度B的大小和方向不变的条件下,求出符合条件的磁场区域的最小面积.
答案 (1)E=,沿y轴正方向 B=,垂直纸面对外 (2)(-1)R2
解析 (1)微粒沿x轴正方向运动,即带电微粒所受重力与电场力平衡.
设电场强度大小为E,由平衡条件得:mg=qE
解得:E=
由于粒子带正电,故电场方向沿y轴正方向
带电微粒进入磁场后,做匀速圆周运动,且半径r=R.
设匀强磁场的磁感应强度大小为B.
由牛顿其次定律得:qv0B=m
解得B=,磁场方向垂直纸面对外.
(2)沿y轴正方向射入的微粒,运动轨迹如图所示:
以半径R沿x轴正方向运动四分之一圆弧,该圆弧也恰为微粒运动的上边界.以O点为圆心、R为半径做的四分之一圆弧BC为微粒做圆周运动的圆心轨迹.微粒经磁场偏转后沿x轴正方向运动,即半径沿竖直方向.并且射出点距圆心轨迹上各点的距离为R,射出点的边界与圆弧BC平行,如图中的圆弧ODA,圆弧OA与圆弧ODA之间的区域即为磁场区域的最小面积:
S=2(πR2-R2)=(-1)R2.
题组2 带电粒子在组合场中的运动分析
2.如图2所示,在矩形区域CDNM内有沿纸面对上的匀强电场,场强的大小E=1.5×105 V/m;在矩形区域MNGF内有垂直纸面对外的匀强磁场,磁感应强度大小B=0.2 T.已知CD=MN=FG=0.60 m,CM=MF=0.20 m.在CD边中点O处有一放射源,沿纸面对电场中各方向均匀地辐射出速率均为v0=1.0×106 m/s的某种带正电粒子,粒子质量m=6.4×10-27 kg,电荷量q=3.2×10-19 C,粒子可以无阻碍地通过边界MN进入磁场,不计粒子的重力.求:
图2
(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径;
(2)边界FG上有粒子射出磁场的范围长度;
(3)粒子在磁场中运动的最长时间.(后两问结果保留两位有效数字)
答案 (1)0.2 m (2)0.43 m (3)2.1×10-7 s
解析 (1)电场中由动能定理得:
qEd=mv2-mv
由题意知d=0.20 m,代入数据得
v=2×106 m/s
带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,qBv=m
解得r==0.2 m.
(2)设粒子沿垂直于电场方向射入时,出电场时水平位移为s,则由平抛规律得:
解得s= m
离开电场时,sin θ1==,θ1=30°.
由题意可知,PS⊥MN,沿OC方向射出粒子到达P点,为左边界,垂直MN射出的粒子与边界FG相切于Q点,Q为右边界,QO″=r,轨迹如图.
范围长度为l=s+r=(+0.2) m≈0.43 m.
(3)T=,由分析可知,OO′方向射出的粒子运动时间最长,设FG长度为L
sin θ2==,θ2=30°
带电粒子在磁场中运动的最大圆心角为120°,对应的最长时间为tmax=T=≈2.1×10-7 s
3.如图3所示,质量为m、电荷量为+q的粒子从坐标原点O以初速度v0射出,粒子恰好经过A点,O、A两点长度为l,连线与坐标轴+y方向的夹角为α=37°,不计粒子的重力.
图3
(1)若在平行于x轴正方向的匀强电场E1中,粒子沿+y方向从O点射出,恰好经过A点;若在平行于y轴正方向的匀强电场E2中,粒子沿+x方向从O点射出,也恰好能经过A点,求这两种状况电场强度的比值.
(2)若在y轴左侧空间(第Ⅱ、Ⅲ象限)存在垂直纸面的匀强磁场,粒子从坐标原点O,沿与+y轴成30°的方向射入其次象限,恰好经过A点,求磁感应强度B.
答案 (1) (2)
解析 (1)在电场E1中
lsin α=·t
lcos α=v0t1
在电场E2中
lcos α=·t
lsin α=v0t2
联立解得=.
(2)设轨迹半径为R,轨迹如图所示.
OC=2Rsin 30°
由几何学问可得tan 30°=
解得R=l
又由qv0B=
得R=
联立解得B=
方向垂直纸面对里.
题组3 带电粒子在周期性变化的电磁场中的运动分析
4.如图4a所示,水平直线MN下方有竖直向上的匀强电场,现将一重力不计、比荷=1×106 C/kg的正电荷置于电场中的O点由静止释放,经过×10-5 s后,电荷以v0=1.5×104 m/s的速度通过MN进入其上方的匀强磁场,磁场与纸面垂直,磁感应强度B按图b所示规律周期性变化(图b中磁场以垂直纸面对外为正,以电荷第一次通过MN时为t=0时刻).计算结果可用π表示.
a
b
图4
(1)求O点与直线MN之间的电势差;
(2)求图b中t=×10-5 s时刻电荷与O点的水平距离;
(3)假如在O点右方d=67.5 cm处有一垂直于MN的足够大的挡板,求电荷从O点动身运动到挡板所需的时间.
答案 (1)112.5 V (2)4 cm (3)3.86×10-5 s
解析 (1)电荷在电场中做匀加速直线运动,
由动能定理Uq=mv,
U==112.5 V.
(2)当磁场垂直纸面对外时,设电荷运动的半径为r1
由B1qv0=,得r1==5 cm,
周期T1==×10-5 s.
当磁场垂直纸面对里时,设电荷运动的半径为r2
r2==3 cm,
周期T2==×10-5 s
故电荷从t=0时刻开头做周期性运动,其运动轨迹如图所示
t=×10-5 s时刻电荷与O点的水平距离.
Δd=2(r1-r2)=4 cm.
(3)电荷第一次通过MN开头,其运动的周期T=×10-5 s,
依据电荷的运动状况可知,电荷到达挡板前运动的完整周期数为15个,
此时电荷沿MN运动的距离s=15Δd=60 cm,则最终7.5 cm的距离如图所示,
有:r1+r1cos α=7.5 cm.
解得:cos α=0.5,则α=60°,
故电荷运动的总时间
t总=t1+15T+T1-T1≈3.86×10-4 s.
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