带电粒子在磁场中的运动专题.doc

19.如图所示，直角三角形OAC（ = 30）区域内有B = 0.5T的匀强磁场，方向如图所示。两平行极板M、N接在电压为U的直流电源上，左板为高电势。一带正电的粒子从靠近M板由静止开始加速，从N板的小孔射出电场后，垂直OA的方向从P点进入磁场中。带电粒子的荷质比为 ，OP间距离为lo.3m。全过程不计粒子所受的重力，求： （1）要使粒子从OA边离开磁场，加速电压U需满足什么条件?（2）粒子分别从OA、OC边离开磁场时，粒子在磁场中运动的时间。19.（1）如图所示，当带电粒子的轨迹与OC边相切时为临界状态，则有：解得：R=0.1m当时，粒子从OA边射出。电加速磁场中解得：U125V（2）带电粒子在磁场做圆周运动的周期为当粒子从OA边射出时，粒子在磁场中恰好运动了半个周期当粒子从OC边射出时，粒子在磁场中运动的时间小于周期20.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板而垂直进入匀强磁场，最后粒子回到b板的Q处(图中未画出).求：Bv0vPabd（1）粒子从狭缝P处穿过b板进入匀强磁场的速度大小和方向（2）P、Q之间的距离L20.（1）粒子从a板左端运动到P处，由动能定理得-(2分)代入有关数据，解得-(1分)，代入数据得=300 - (2分)（2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，圆心为O，半径为r，如图，由几何关系得- (1分)，又-(1分)联立求得-(1分) 代入数据解得L=5.8cm。-(2分)Bv0vPabdvOQ【例2】如图3所示，abcd为绝缘挡板围成的正方形区域，其边长为L，在这个区域内存在着磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场正、负电子分别从ab挡板中点K，沿垂直挡板ab方向射入场中，其质量为m，电量为e若从d、P两点都有粒子射出，则正、负电子的入射速度分别为多少？（其中bP=L/4）（1）分析：若为正电子，则初态洛伦兹力方向为竖直向上，该正电子将向上偏转且由d点射出Kd线段为圆轨迹上的一条弦，其中垂线与洛伦兹力方向延长线交点必为圆心，设该点为O1其轨迹为小于1/4的圆弧解：如图4所示，设圆运动半径为R1，则O1K=O1d=R1由几何知识可知： （2）解：若为负电子，初态洛伦兹力方向竖直向下，该电子将向下偏转由P点射出，KP为圆轨迹上的一条弦，其中垂线与洛伦兹力方向的交点必为圆心，设该点为O2，其轨迹为大于1/4圆弧（如图4所示）由几何知识可知：图99不计重力的带正电粒子，质量为m，电荷量为q，以与y轴成30角的速度v0从y轴上的a点射入图9中第一象限所在区域为了使该带电粒子能从x轴上的b点以与x轴成60角的速度射出，可在适当的地方加一个垂直于xOy平面、磁感强度为B的匀强磁场，若此磁场分布在一个圆形区域内，试求这个圆形磁场区域的最小面积9.()210如图10甲所示，M、N为竖直放置且彼此平行的两块平板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O且正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图乙所示有一束正离子在t0时垂直于M板从小孔O射入磁场已知正离子质量为m，带电荷量为q，正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力求：图10(1)磁感应强度B0的大小； (2)要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，正离子射入磁场时的速度v0的可能值10(1)(2)(n1,2,3)图1111如图11所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，垂直于磁场射入一速度方向跟ad边夹角30、大小为v0的带正电粒子已知粒子质量为m，电荷量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(1)粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围；(2)如果带电粒子不受上述v0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间11(1) 0，0 x 0，x a 的区域有垂直于纸面向外的匀强磁场，两区域内的磁感应强度大小均为 B。在 O 点处有一小孔，一束质量为 m、带电量为 q（q 0）的粒子沿 x 轴经小孔射入磁场，最后打在竖直和水平荧光屏上，使荧光屏发亮。入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各种数值.已知速度最大的粒子在 0 x a 的区域中运动的时间之比为 2:5，在磁场中运动的总时间为 7T/12，其中 T为该粒子在磁感应强度为 B 的匀强磁场中作圆周运动的周期。试求两个荧光屏上亮线的范围（不计重力的影响）。解：粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中运动半径为 ： 速度小的粒子将在xa的区域走完半圆，射到竖直屏上。半圆的直径在y轴上，半径的范围从0到a，屏上发亮的范围从0到2a。轨道半径大于a的粒子开始进入右侧磁场，考虑r=a的极限情况，这种粒子在右侧的圆轨迹与x轴在D点相切（虚线），OD=2a，这是水平屏上发亮范围的左边界。速度最大的粒子的轨迹如图中实线所示，它由两段圆弧组成，圆心分别为C和，C在y轴上，有对称性可知在x=2a直线上。设t1为粒子在0xa的区域中运动的时间，由题意可知 由此解得： 由式和对称性可得 所以 即弧长AP为1/4圆周。因此，圆心在x轴上。设速度为最大值粒子的轨道半径为R，有直角可得 由图可知OP=2a+R，因此水平荧光屏发亮范围的右边界的坐标 4、带电粒子在有界磁场中的极值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。有一粒子源置于一平面直角坐标原点O处，如图所示相同的速率v0向第一象限平面内的不同方向发射电子，已知电子质量为m，电量为e。欲使这些电子穿过垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场后，都能平行于x轴沿+x方向运动，求该磁场方向和磁场区域的最小面积s。解：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径Rmv0/Be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所示，因为电子只能向第一象限平面内发射，所以电子运动的最上面一条轨迹必为圆O1，它就是磁场的上边界。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O1O2On。由于要求所有电子均平行于x轴向右飞出磁场，故由几何知识有电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。如对图中任一轨迹圆O2而言，要使电子能平行于x轴向右飞出磁场，过O2作弦的垂线O2A，则电子必将从点A飞出，相当于将此轨迹的圆心O2沿y方向平移了半径R即为此电子的出场位置。由此可见我们将轨迹的圆心组成的圆弧O1O2On沿y方向向上平移了半径R后所在的位置即为磁场的下边界，图中圆弧OAP示。综上所述，要求的磁场的最小区域为弧OAP与弧OBP所围。利用正方形OO1PC的面积减去扇形OO1P的面积即为OBPC的面积；即R2-R2/4。根据几何关系有最小磁场区域的面积为S2（R2-R2/4）（/2 -1）（mv0/Be）2。6、带电粒子在磁场中的周期性和多解问题多解形成原因：带电粒子的电性不确定形成多解；磁场方向不确定形成多解；临界状态的不唯一形成多解，在有界磁场中运动时表现出来多解，运动的重复性形成多解。在半径为r的圆筒中有沿筒轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B；一质量为m带电+q的粒子以速度V从筒壁A处沿半径方向垂直于磁场射入筒中；若它在筒中只受洛伦兹力作用且与筒壁发生弹性碰撞，欲使粒子与筒壁连续相碰撞并绕筒壁一周后仍从A处射出；则B必须满足什么条件？带电粒子在磁场中的运动时间分析：由于粒子从A处沿半径射入磁场后必作匀速圆周运动，要使粒子又从A处沿半径方向射向磁场，且粒子与筒壁的碰撞次数未知，故设粒子与筒壁的碰撞次数为n（不含返回A处并从A处射出的一次），由图可知其中n为大于或等于2的整数（当n1时即粒子必沿圆O的直径作直线运动，表示此时B0）；由图知粒子圆周运动的半径R，再由粒子在磁场中的运动半径可求出。粒子在磁场中的运动周期为，粒子每碰撞一次在磁场中转过的角度由图得，粒子从A射入磁场再从A沿半径射出磁场的过程中将经过n+1段圆弧，故粒子运动的总时间为： ，将前面B代入T后与共同代入前式得。一足够长的矩形区域abcd内充满磁感应强度为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场，矩形区域的左边界ad长为L，现从ad中点垂直于磁场射入一速度方向与ad边夹角为30，大小为v0的带正电粒子，如图9-3-8所示，已知粒子电荷量为q，质量为m(重力不计).1)若要求粒子能从ab边射出磁场，v0应满足什么条件?(2)若要求粒子在磁场中运动的时间最长，粒子应从哪一条边界处射出，出射点位于该边界上何处?最长时间是多少?(1)若粒子速度为v0，则 ，所以有R= ，如下图所示.设圆心在O1处对应圆弧与ab边相切，相应速度为v01，则R1R1sin= ，将R1= 代入上式可得，v01=类似地，设圆心在O2处对应圆弧与cd边相切，相应速度为v02，则R2-R2sin=，将R2= 代入上式可得，v02=所以粒子能从ab边上射出磁场的v0应满足 v0(2)由 及可知，粒子在磁场中经过的弧所对的圆心角越大，在磁场中运动的时间也越长.由图可知，在磁场中运动的半径rR1时，运动时间最长，弧所对圆心角为(2-2)，所以最长时间为t