带电粒子在圆形磁场中运动的规律

带电粒子在圆形匀强磁场中的运动规律作者：张敏来源：《知识窗·教师版》2020年第08期摘要：带电粒子在匀强磁场中的运动是高中物理常见的问题，其中有界磁场是经常考查的知识点，也是学生学习的难点。

究其根源，是学生不理解其中的规律。

关键词：圆形匀强磁场; ;軌迹圆; ;磁场圆; ;磁发散; ;磁聚焦处理带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题，本质是平面几何知识与物理知识的综合运动。

带电粒子在圆形匀强磁场中的运动，主要是从带电粒子射入磁场的方向是否沿着磁场圆的半径、轨迹圆半径与磁场圆半径的大小关系这两个方面入手研究。

一、入射方向沿半径方向射入带电粒子入射速度方向是沿着圆形匀强磁场的半径射入，则出射速度方向的反向延长线必过区域圆的圆心，也就是沿着径向入，必沿着径向出。

如图1所示，设正离子从磁场区域的b 点射出，射出速度方向的延长线与入射方向的直径交点为O’。

正离子在磁场中运动的轨迹为一段圆弧，该轨迹圆弧对应的圆心O’位于初、末速度方向垂线的交点，也在弦ab的垂直平分线上，O’b与区域圆相切，弦ab既是轨迹圆弧对应的弦，又是区域圆的弦。

由此可知，OO’就是弦ab的垂直平分线，O点就是磁场区域圆的圆心。

二、入射方向不沿半径方向射入入射速度方向（不一定指向磁场圆的圆心）与轨迹圆弧对应的弦的夹角为θ（弦切角），则出射速度方向与入射速度方向的偏转角为2θ，轨迹圆强对应的圆心角也为2θ，并且初末速度方向的交点，轨迹圆的圆心，磁场圆的圆心都在孤弦的要直平分线上。

如图2所示，带电粒子从a点射入匀强磁场区城，初速度方向不指向区域圆圆心，若出射点为b，轨迹圆的圆心O’在初速度v0方向的垂线和弦ab的垂直平分线的交点上，入射速度方向与该中垂线的交点为d，可以证明：出射速度方向的反向延长线也过d点，O、d、O’都在弦ab的垂直平分线上。

三、比较磁场圆的半径与轨迹圆的半径大小关系1.当轨迹圆的半径与磁场圆的半径相等时，存在两条特殊规律磁发散是指带电粒子从圆形有界磁场边界上某点射入磁场，若圆周运动的半径与磁场半径相同，则无论在磁场内的速度方向如何，则粒子的出射速度方向与圆形磁场上入射点的切线方向平行，如图3所示。

带电粒子在磁场中的活动例1.如图所示,在宽度为d磁感应强度为B.程度向外的匀强磁场矩形区域内,一带电粒子以初速度v入射,粒子飞出时偏离原倾向60°,运用以上数据可求出下列物理量中的哪几个变式.若带电粒子以初速度v从A点沿直径入射至磁感应强度为B,半径为R 的圆形磁场,粒子飞出时偏离原倾向60°,运用以上数据可求出下列物理量中的哪几个运用1.如图所示,长方形 abcd 长 ad = ,宽 ab = , O.e分离是 ad.bc 的中点,以 ad 为直径的半圆内有垂直纸面向里的匀强磁场（鸿沟上无磁场）,磁感应强度 B＝0.25T .一群不计重力.质量 m ＝3 ×10-7 kg .电荷量 q ＝＋2×10－3C 的带电粒子以速度v ＝5×l02m/s 沿垂直 ad 倾向且垂直于磁场射入磁场区域 ( )A．从 Od 边射入的粒子,出射点全体散布在 Oa 边 B．从 aO边射入的粒子,出射点全体散布在 ab 边C．从Od 边射入的粒子,出射点散布在Oa 边和 ab 边D．从aO边射入的粒子,出射点散布在ab 边和bc边运用2.在以坐标原点O为圆心.半径为r的圆形区域内,消失磁感应强度大小为B.倾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鸿沟与x轴的交点A处以速度v沿-x倾向射入磁场,正好从磁场鸿沟与y轴的交点C处沿+y倾向飞出.（1）请断定该粒子带何种电荷,并求出其比荷q/m;（2）若磁场的倾向和地点空间规模不变,而磁感应强度的大小变成B′,该粒子仍从A处以雷同的速度射入磁场,但飞出磁场时的速度倾向相对于入射倾向转变了60°角,求磁感应强度B′多大？此次粒子在磁场中活动所用时光t是若干？例2.如图所示,一束电子流以不合速度,由鸿沟为圆形的匀强磁场的鸿沟上一点A,沿直径倾向射入磁场,已知磁感应强度倾向垂直圆平面,则电子在磁场中活动时：（）A轨迹长的活动时光长B速度大的活动时光长C偏转角大的活动时光长D速度为某一值时不克不及穿出该磁场变式.如右图所示,直角三角形ABC中消失一匀强磁场,比荷雷同的两N O M P Q B B N O M P Q BB 个粒子沿AB 倾向射入磁场,分离从AC 边上的P.Q 两点射出,则例3.如右图所示,在半径为R 的圆形区域内充满磁感应强度为B 的匀强磁场,MN 是一竖直放置的感光板.从圆形磁场最高点P 垂直磁场射入大量的带正电.电荷量为q.质量为m.速度为v 的粒子,不斟酌粒子间的互相感化力,关于这些粒子的活动以下说法准确的是A.只要对着圆心入射,出射后均可垂直打在MN 上B.对着圆心入射的粒子,其出射倾向的反向延伸线不必定过圆心C.对着圆心入射的粒子,速度越大在磁场中经由过程的弧长越长,时光也越长m qBR v /=,沿不合倾向入射的粒子出射后均可垂直打在MN 上（出射速度有什么关系？）若雷同速度平行经由p 点的直径进入磁场,出射点又有什么纪律？ 例4.如图所示,半径为R 的绝缘筒中为匀强磁场区域,磁感强度为B,磁感线垂直纸面向里.一个质量为m.电量为q 的正离子,以速度v 从圆筒上C 孔处沿直径倾向射入筒内,假如离子与圆筒碰撞两次（碰撞时不损掉能量,且碰撞所用的时光不计),从C 孔飞出,则离子在磁场中活动的时光为：（ ）A.v R π2B.v R π3C.qB m πD.qBm π32 拓展：一个质量为m.电量为q 的离子,以速度v 从圆筒上C 孔处沿直径倾向射入筒内,从R 孔飞出,则离子在磁场中活动的时光为（ ）例5.如图所示,直线MN 下方无磁场,上方空间消失一个匀强磁场,其鸿沟线是半径为R 的半圆,磁场倾向相垂直于纸面,磁感应强度大小为B.现有一质量为m.电荷量为q 的带负电微粒从P 点沿半径倾向向左侧射出,不计微粒的重力.P.O.Q 三点均在直线MN 上.（1）微粒在磁场中活动的周期？（2）可否回到Q 点？（3）若在半圆形内加一磁场强度也为B 的磁场,可否回到Q 点,若能请画出粒子的活动轨迹（至少三种）.（4）小结：圆形磁场区域中速度与轨迹的几何特色？ 运用1：如图所示,直线MN 下方无磁场,上方空间消失两个匀强磁场Ⅰ和Ⅱ,其分界限是以O 为圆心.半径为R 的半圆弧,Ⅰ和Ⅱ的磁场倾向相反且垂直于纸面,磁感应强度大小都为B.现有一质量为m.电荷量为q 的带负电微粒从P 点沿PM 倾向向左侧射出不计微粒的重力.P.O.Q 三点均在直线MN 上,求：（1）若微粒只在磁场Ⅰ中活动,可否到达Q 点？ （2）画出可以或许到达Q 点的离子活动轨迹（至少二种） （3）求出可以或许到达Q 点的离子的最大速度.运用2.如图所示,直线MN 下方无磁场,上方空间消失两个匀强磁场,其分界限B 是半径为R 的半圆,两侧的磁场倾向相反且垂直于纸面,磁感应强度大小都为B ．现有一质量为m.电荷量为q 的带负电微粒从P 点沿半径倾向向左侧射出,最终打到Q 点,不计微粒的重力．求：（1）微粒在磁场中活动的周期．（2）从P 点到Q 点,微粒的活动速度大小及活动时光．（3）若向里磁场是有界的,散布在以Ｏ点为圆心.半径为R 和2R 的两半圆之间的区域,上述微粒仍从P 点沿半径倾向向左侧射出,且微粒仍能到达Q 点,求其速度的最大值．3.结论：带电粒子进入圆形磁场,,中垂线经由两圆的圆心,课后演习1.在直径为d 的圆形区域内消失着平均磁场,磁感应强度为B,磁场倾向垂直于圆面指向纸外．一电荷量为q.质量为m 的带正电粒子,从磁场区域的一条直径AC 上的A 点沿纸面射入磁场,其速度倾向与AC 成︒=15α角,如图所示．若此粒子在磁场区域活动进程,速度的倾向一共转变了90º．重力可疏忽不计,求：（1）该粒子在磁场区域内活动所用的时光?（2）该粒子射入时的速度大小?3.如图,半径为R=10cm 的圆形匀强磁场,区域鸿沟跟y 轴相切于坐标原点O,磁感应强度B = 0.332T,倾向垂直纸面向里,在O 处有一放射源S,可沿纸面向各个倾向射出速度均为v=3.2×106m/s 的α粒子,已知α粒子质量为m=6.64×10-27kg,电荷量q=3.2×10-19C.(1)画出α粒子经由过程磁场空间做圆周活动的圆心点的连线线外形;(2)求出α粒子经由过程磁场的最大倾向角;(3)再以过O 并垂直纸面的直线为轴扭转磁场区域,能使穿过磁场区域且偏转角最大的α粒子射出磁场后,沿y 轴正倾向活动,则圆形磁场直径OA 至少应转过多大角度？4.如图(a)所示,在以O 为圆心,表里半径分离为R1和R2的圆环区域内,消失辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场,表里圆间的电势差U 为常量,R1=R0,R2=3R0.一电荷量为+q.质量为m 的粒子从内圆上的A 点进入该区域,不计重力.(1)已知粒子从外圆上以速度v1射出,求粒子在A 点的初速度v0的大小(2)若撤去电场,如图(b),已知粒子从OA 延伸线与外圆的交点C 以速度v2射出,倾向与OA 延伸线成45°角,求磁感应强度的大小及粒子在磁场中活动的时光(3)在图19(b)中,若粒子从A 点进入磁场,速度大小为v3,倾向不肯定,要使粒子必定可以或许从外圆射出,磁感应强度应小于若干？解：（1）由 200v Bqv m R = （2分） 02r T v π= （2分）得2m T qBπ= （1分） （2）粒子的活动轨迹将磁场鸿沟分成n 等分（n=2,3,4……） 由几何常识可得：2n πθ= ;tan r Rθ= ; （1分）又 200v Bv q m r = （1分）得 0tan 2BqR v m n π= （n=2,3,4……） （1分） 当n 为偶数时,由对称性可得 2n nm t T Bqπ== （n=2,4,6……） （1分） 当n 为奇数时,t 为周期的整数倍加上第一段的活动时光,即21(1)22n n m n t T T nBqππππ+-+=+= （n=3,5,7……） （1分）得 2cos 1sin 22n n ππ>+ （当n=2时 不成立,如图 （1分）比较当n=3.n=4时的活动半径,知 当n=3时,活动半径最大,粒子的速度最大．tan 2mv r R n Bq π=== （2分）得：0v = （1分）。

带电粒子在磁场中的运动因为洛伦兹力F始终与速度v垂直，即F只改变速度方向而不改变速度的大小，所以运动电荷非平行与磁感线进入匀强磁场且仅受洛伦兹力时，一定做匀速圆周运动，由洛伦磁力提==2/。

带电粒子在磁场中运动问题大致可分两种情况：1. 做供向心力，即F qvB mv R完整的圆周运动（在无界磁场或有界磁场中）；2. 做一段圆弧运动（一般在有界磁场中）。

无论何种情况，其关键均在圆心、半径的确定上。

1. 找圆心方法1：若已知粒子轨迹上的两点的速度方向，则可根据洛伦兹力F⊥v，分别确定两点处洛伦兹力F的方向，其交点即为圆心。

方法2：若已知粒子轨迹上的两点和其中一点的速度方向，则可作出此两点的连线（即过这两点的圆弧的弦）的中垂线，再画出已知点v的垂线，中垂线与垂线的交点即为圆心。

2. 求半径圆心确定下来后，半径也随之确定。

一般可运用平面几何知识来求半径的长度。

3. 画轨迹在圆心和半径确定后可根据左手定则和题意画出粒子在磁场中的轨迹图。

4. 应用对称规律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，入射速度方向与出射速度方向与边界的夹角相等，利用这一结论可以轻松画出粒子的轨迹。

临界点是粒子轨迹发生质的变化的转折点，所以只要画出临界点的轨迹就可以使问题得解。

一、由两速度的垂线定圆心例1. 电视机的显像管中，电子（质量为m，带电量为e）束的偏转是用磁偏转技术实现的。

电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图1所示，磁场方向垂直于圆面，磁场区的中心为O，半径为r。

当不加磁场时，电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。

为了让电子束射到屏幕边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感强度B应为多少？图1解析：如图2所示，电子在匀强磁场中做圆周运动，圆周上的两点a、b分别为进入和射出的点。

做a、b点速度的垂线，交点O1即为轨迹圆的圆心。

图2设电子进入磁场时的速度为v，对电子在电场中的运动过程有=22/eU mv对电子在磁场中的运动（设轨道半径为R）有=2/evB mv R由图可知，偏转角θ与r、R的关系为θ2=r Rtan(/)/联立以上三式解得θ122=(/)/tan(/)B r mU e二、由两条弦的垂直平分线定圆心例2. 如图3所示，有垂直坐标平面的范围足够大的匀强磁场，磁感应强度为B，方向向里。

圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习当圆形磁场的半径与圆轨迹半径相等时，存在两条特殊规律；规律一：带电粒子从圆形有界磁场边界上某点射入磁场，如果圆形磁场的半径与圆轨迹半径相等，则粒子的出射速度方向与圆形磁场上入射点的切线方向平行，如甲图所示。

规律二：平行射入圆形有界磁场的相同带电粒子，如果圆形磁场的半径与圆轨迹半径相等，则所有粒子都从磁场边界上的同一点射出，并且出射点的切线与入射速度方向平行，如乙图所示。

【典型题目练习】1. 如图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板.从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正电，电荷量为q,质量为m速度为v的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是( )A. 只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上B. 对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C. 对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D. 只要速度满足v qBR，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上m2. 如图所示，长方形abed的长ad=0.6m，宽ab=0.3m, O e分别是ad 、be的中点，以e为圆心eb为半径的四分之一圆弧和以O为圆心0(为半径的四分之一圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场)磁感应强度B=0.25T。

一群不计重力、质量m=3< 10 -7 kg、电荷量q=+2x 10 -3C的带正电粒子以速度v=5x 102m/s沿垂直ad方向且垂直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是( )A.从Oc边射入的粒子，出射点全部分布在Oa边B. 从aO边射入的粒子，出射点全部分布在ab边C. 从0c边射入的粒子，出射点分布在ab边D. 从ad边射人的粒子，出射点全部通过b点3. 如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为0(a, 0),圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿x轴负方向的匀强电场，场强大小为E, —质量为m电荷量为+q (q>0)的粒子以速度v从O点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿x轴方向时，粒子恰好从O点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力，求：(1)磁感应强度B的大小；(2)粒子离开第一象限时速度方向与y轴正方向的夹角；(3)若将电场方向变为沿y轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度v从O点垂直于磁场方向、并与x轴正方向夹角0 =300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的(2)求在A 、C 间还有哪些坐标位置的粒子通过电场后也能沿x 轴正方向运动?(3)为便于收集沿 x 轴正方向射出电场的所有粒子，若以直线x =2l o 上的某点为圆心的圆形磁场区域内，设计分布垂直于 xOy 平面向里的匀强磁场， 使得沿x 轴正方向射出电场的粒 子经磁场偏转后，都能通过x =2l 0与圆形磁场边界的一个交点。

确定带电粒子在磁场中运动轨迹的四种方法带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的问题是高考的热点，这些考题不仅涉及到洛伦兹力作用下的动力学问题，而且往往与平面图形的几何关系相联系，成为考查学生综合分析问题、运用数字知识解决物理问题的难度较大的考题。

但无论这类问题情景多么新颖、设问多么巧妙，其关键一点在于规范、准确地画出带电粒子的运动轨迹。

只要确定了带电粒子的运动轨迹，问题便迎刃而解。

现将确定带电粒子运动轨迹的方法总结如下：一、对称法带电粒子如果从匀强磁场的直线边界射入又从该边界射出，则其轨迹关于入射点和出射点线段的中垂线对称，且入射速度方向与出射速度方向与边界的夹角相等（如图1）；带电粒子如果沿半径方向射入具有圆形边界的匀强磁场，则其射出磁场时速度延长线必过圆心（如图2 ）。

利用这两个结论可以轻松画出带电粒子的运动轨迹，找出相应的几何关系。

例1．如图3 所示，直线MN上方有磁感应强度为B 的匀强磁场。

正、负电子同时从同一点同样速度v 射入磁场（电子质量为m，电荷为e），它们从磁场中射出时相距多远？射出的时间差是多少？解析：正、负电子的半径和周期是相同的。

只是偏转方向相反。

先确定圆心，画出半径和轨迹（如图4），由对称性知：射入、射出点和圆心恰好组成正三角形。

所以两个射出点相距s =2r= ，由图还看出经历时间相差，所以解此题的关键是找圆心、找半径和用对称。

图6 所示。

O以与MN 成30°角的例2．如图5 所示，在半径为r 的圆形区域内，有一个匀强磁场。

一带电粒子以速度v0 从M点沿半径方向射入磁场区，并由N点射出，O点为圆心。

当∠ MO＝N 120°时，求：带电粒子在磁场区的偏转半径R及在磁场区中的运动时间。

解析：分别过M、N 点作半径OM、ON的垂线，此两垂线的交点O'即为带电粒子作圆周运动时圆弧轨道的圆心，如由图中的几何关系可知，圆弧MN所对的轨道圆心角为60°，O、O' 的边线为该圆心角的角平分线，由此可得带电粒子圆轨道半径为R=r/tan30 ° =又带电粒子的轨道半径可表示为：故带电粒子运动周期：带电粒子在磁场区域中运动的时间二、旋转圆法在磁场中向垂直于磁场的各个方向发射速度大小相同的带电粒子时，带电粒子的运动轨迹是围绕发射点旋转的半径相同的动态圆（如图7），用这一规律可快速确定粒子的运动轨迹。

高中物理 带电粒子在圆形有界磁场中的运动之--磁聚焦与磁发散模型概述带电粒子在圆形有界匀强磁场中运动时，会出现一束平行粒子经磁场偏转后会聚于边界一点，此现象为磁聚焦；一束粒子从边界一点向不同方向经磁场偏转后平行射出，此现象为磁发散。

等半径原理：圆形磁场半径与粒子运动半径相等时，会出现菱形，如下图所示。

当粒子入射方向指向磁场区域圆心，或粒子入射方向不指向磁场区域圆心，根据几何关系，易证明四边形AOCO'为菱形。

物理建模：模型：如图所示。

当圆形磁场区域半径R 与轨迹圆半径r 相等时，从磁场边界上任一点向各个方向射入圆形磁场的粒子全部平行射出，出射方向与过入射点的磁场圆直径垂直(磁发散)；反之，平行粒子束射入圆形磁场必会聚在磁场边界上某点，且入射方向与过出射点的磁场圆直径垂直(磁聚焦)。

O A证明：如图所示，任意取一带电粒子以速率v从A点射入时，粒子在磁场中的运动轨迹圆半径为R，有界圆形磁场的半径也为R，带电粒子从区域边界C点射出，其中O为有界圆形磁场的圆心，B为轨迹圆的圆心。

图中AO、OC、CO'、O'A的长度均为R，故AOCO'为菱形。

由几何关系可知CO'∥AO，即从C点飞出的粒子速度方向与OA垂直，因此粒子飞出圆形有界磁场时速度方向均与OA垂直。

反之也成立。

解题切入点：分析发现粒子轨道半径与磁场区域圆半径的关系，二者相等为磁聚焦或磁发散，否则不满足该关系，但满足怎么进入怎么出去的角度关系，借助几何关系解答。

【典例1】(磁聚焦)如图所示，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的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场。

在圆的左边放置一带电微粒发射装置，它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q(q＞0)和初速度v的带电微粒。

发射时，这束带电微粒分布在0＜y＜2R的区间内．已知重力加速度大小为g。

(1)从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域，并从坐标原点O沿y轴负方向离开，求电场强度和磁感应强度的大小与方向。

带电粒子在磁场中的运动半径
当带电粒子进入一个磁场时，它会受到洛伦兹力的作用，这个力会使粒子在磁场中做圆周运动。

这种运动的半径可以用以下公式来描述：
r = mv / (|q|B)。

其中，r是运动半径，m是粒子的质量，v是粒子的速度，q是粒子的电荷量，B是磁场的磁感应强度。

这个公式揭示了带电粒子在磁场中运动半径与粒子的质量、速度、电荷量以及磁场的强度之间的关系。

从这个公式可以看出，当粒子的速度增大或者磁场的强度增大时，运动半径也会增大；而当粒子的质量增大时，运动半径则会减小。

带电粒子在磁场中的运动半径不仅仅是一个理论概念，它还有着许多实际的应用。

例如，在粒子加速器中，科学家们需要精确地控制带电粒子的运动轨迹，从而需要准确地计算出粒子在磁场中的运动半径。

另外，在核磁共振成像技术中，也需要利用带电粒子在磁场中的运动规律来获取图像信息。

总之，带电粒子在磁场中的运动半径是一个重要的物理概念，它不仅有着深刻的理论意义，而且在许多实际应用中都发挥着重要作用。

对这一概念的深入理解和研究，将有助于推动物理学和相关领域的发展。

磁场中粒子运动方向
在磁场中,带电粒子的运动方向由洛伦兹力决定。

洛伦兹力是作用在带电粒子上的一种力,由磁场和电场共同产生。

1. 垂直于磁场方向的运动
当带电粒子的运动方向垂直于磁场方向时,洛伦兹力的方向垂直于粒子的运动方向和磁场方向。

在这种情况下,粒子在磁场中做圆周运动,轨迹呈圆形。

2. 平行于磁场方向的运动
当带电粒子的运动方向平行于磁场方向时,洛伦兹力为零,粒子沿直线运动,磁场对其运动方向没有影响。

3. 倾斜于磁场方向的运动
如果带电粒子的运动方向与磁场方向成一定角度,粒子的运动轨迹将呈螺旋形。

在这种情况下,粒子的运动可以分解为垂直于磁场方向的圆周运动和平行于磁场方向的直线运动。

需要注意的是,除了粒子的电荷量和速度外,磁场强度也会影响洛伦兹力的大小,从而影响粒子的运动轨迹。

在实际应用中,磁场中粒子的运动原理被广泛应用于质谱仪、粒子加速器等设备中。

带电粒子在圆形有界磁场中运动的两个重要结论莫尔定律和牛顿定律是描述带电粒子在圆形有界磁场中运动的两个重要结论，他们是理解电磁学的重要关联，正是由它们的联合作用才有了良好的物理现象。

首先，莫尔定律申明了微粒子在圆形有界磁场中运动的轨迹及磁场中粒子具有持续平衡状态。

从表面上看，粒子在曲线上定时变化，每次完成弧形循环，时期性地回到原来地方。

非常规趜势，莫尔定律把运动周期视为运动圆定律，由磁链间距决定，即只要有磁场存在，就会存在周期性运动。

从物理学角度上来说，由莫尔定律可以观测出，带电粒子在受到磁场作用的情况下，它的运动可以被划分成给定的部分，越是向磁场中心旋转，给粒子的加速度就越大，给到粒子的力就越大，使其旋转速度更快，可以比两个出发时间相同的粒子，得到更多的运动平衡状态，获得更多的速度。

因此，这一定律不仅可以应用于带电粒子的运动，还可以应用于旋转体系中的直线运动。

其次，牛顿定律研究了带电粒子在圆形有界磁场中运动的动量守恒。

从观测上看，穿越磁场时粒子受到一个恒定的力，这种力在物体运动过程中是恒定的，它描述了受磁场作用的带电粒子在运动过程中运动规律，说明由力磁场所使得的动量具有守恒性质。

这一定律可以用来分析带电粒子在受磁场作用的情况下非定向运动的物理效应，计算出恒定力，牛顿第二定律所描述的情形，它用力和加速度关系描述了圆磁场中由磁力诱导的粒子运动过程。

因此，莫尔定律和牛顿定律对描述带电粒子在圆形有界磁场中的运动具极其重要的意义，他们的联合作用能产生多种物理现象，深刻地改善了电磁学研究。

莫尔定律指出，受磁场作用的粒子具有周期性的运动状态，通过改变磁链间距来改变其运动速度；牛顿定律提出，受磁场作用的粒子具有动量守恒性质，计算出粒子运动过程中所受力的大小，从而产生更为优雅的物理现象。

最终，这两个重要的定律所承载的丰厚理论赋予科学家们一份重要的探索、研究、思考与创新的力量，为具体技术实现提供了依据。

探秘带电粒子在圆形匀强磁场中的运动规律作者：朱亚军来源：《中学教学参考·理科版》2018年第03期[摘要]文章首先根据不同的初始条件，探秘三种情形下“带电粒子在圆形匀强磁场中的运动”规律，接着应用带电粒子在圆形匀强磁场中的运动规律分析两道典型的高考试题，最后拓展应用规律，解析一道全国中学生物理竞赛预赛试题。

[关键词]带电粒子；圆形磁场区域；圆周运动[中图分类号]G633.7[文献标识码]A[文章编号]16746058（2018）08004003“带电粒子在圆形匀强磁场中的运动”是磁场教学的重点和难点之一，由于带电粒子射入匀强磁场的速度不同，导致带电粒子在磁场中运动的轨迹、偏转角度和运行时间等发生变化，成为学生理解、掌握和解决此类问题的一个难点，进而成为高考命题的热点和重点。

本文拟对此类问题做一些探讨，供大家参考。

一、规律探究如图1所示，半径为R的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面（纸面），磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，P为磁场边界上的一点。

大量电荷量为q（q>0）、质量为m的带电粒子以相同的速率v经过P点，在纸面内沿不同的方向射入匀强磁场，试确定带电粒子离开匀强磁场时的位置和在匀强磁场中的运动时间范围（不计重力及带电粒子之间的相互作用）。

带电粒子以速率v垂直进入匀强磁场后，在洛伦兹力f=qvB作用下做匀速率圆周运动，设粒子运动的圆弧轨迹半径为r，则有qvB=mv2rr=mvqB，ω=qBm，T=2πmqB带电粒子离开圆形匀强磁场区域时的位置和在匀强磁场中的运动时间范围分三种情形讨论如下：（1）如果粒子射入速率v>qBRm，那么r=mvqB，即带电粒子运动轨迹的半径r大于圆形磁场区域的半径R，这时沿不同方向射入匀强磁场的粒子运动轨迹如图2所示。

显而易见，沿不同方向射入圆形匀强磁场区域的带电粒子，可能从圆形匀强磁场边界上的任意一点沿不同的方向飞离匀强磁场区域。

带电粒子射出点和射入点之间的最大距离xmax为磁场圆区域半径R的2倍，即xmax=2R。

带电粒子在圆形磁场中的运动规律
带电粒子在圆形磁场中的运动规律是物理学中的一个重要研究内容。

它具有重
要的应用意义，广泛用于航空航天、电子技术等领域，探索带电粒子沿圆形磁场运动规律有助于我们了解磁场物理性质及其应用等方面的研究。

首先，我们要了解：圆形磁场是由旋转电流产生的，其流线和磁线呈放射状排列，并形成环形磁场，其中的每一个电荷的运动轨迹都是圆周运动的。

随着旋转电流的增大，磁场的强度也会随之增大，由此可以看出，当带电粒子运动沿着圆形磁场时，它会受到强大的物理作用力推动，使其具有较大的受控运动轨迹和稳定的圆周运动。

其次，带电粒子在圆形磁场中的运动规律可以按照特定的数学模型进行描述。

根据运动定律，带电粒子在旋转磁场中的运动轨迹可以满足德卡斯特里定律，77
即带电粒子的运动方向按照反比例于它的速度矢量，且与磁场线切线的夹角余弦为常数。

因此，可以推导出带电粒子在旋转磁场中的运动模型，并将其写成椭圆公式：{x^2 \over a^2} + {y^2 \over b^2} = 1，其中a、b为相应长短轴，可由磁场强度及粒子带电量确定。

最后，在带电粒子在圆形磁场中运动时，会受到粒子电量、磁场强度以及电荷
的质量、初速度等物理参数的影响，导致其运动轨迹较容易受到影响。

此外，为了使粒子的运动轨迹更为稳定，我们可以在外部增加一定的电场，以抵消其圆形磁场中的机械力，并使其运动更加稳定。

总之，带电粒子在圆形磁场中的运动规律受到粒子电量、磁场强度以及来自外
界环境的影响，可以按照特定的数学模型描述，并受到椭圆图形的限制，为我们研究圆形磁场的性质和应用提供较为明确的参考规范。

带电粒子在“圆形磁场区域”中的运动粒子沿圆形磁场区的半径方向垂直磁场射入，由对称性可知出射线的反向延长线必过磁场圆的圆心。

由几何关系可得：偏向角与两圆半径间的关系：t a n r Rθ=2 偏转时间的关系式：m t T qBθθπ=∙=2 O 、O ′分别为 磁场圆与轨迹圆的圆心;r 、R 分别为 磁场圆与轨迹圆的半径 。

例1、如图所示，在圆心为O ，半径为r 的圆形区域内，有匀强磁场，磁感应强度为B ，方向垂直纸面向里．一个带电粒子以速度v 射入磁场，初速度方向指向圆心O ，它穿过磁场后，速度方向偏转α角，则该带电粒子的荷质比______=mq ．例2、 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，它恰好从磁场边界与y轴的交点C 处沿＋y 方向飞出。

（1）请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷q/m ；（2）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？例3、如图所示,圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,一个带电粒子以速度v 从A 点沿直径AOB 方向射入磁场,经过Δt 时间从C 点射出磁场,OC 与OB 成60°角。

现将带电粒子的速度变为,仍从A 点沿原方向射入磁场,不计重力,则粒子在磁场中的运动时间变为( ) A.Δt B.2Δt C.Δt D.3Δt例4、如图所示，在纸面内半径为R 的圆形区域中充满了垂直于纸面向里、磁感应强度为B 的匀强磁场，一点电荷从图中A 点以速度v 0垂直磁场射入，当该电荷离开磁场时，速度方向刚好改变了180°，不计电荷的重力，下列说法正确的是( )A. 该点电荷离开磁场时速度方向的反向延长线通过O 点B. 该点电荷的比荷为q m ＝2v 0BRC. 该点电荷在磁场中的运动时间t ＝πR 3v 0D. 该点电荷带正电1、如图，半径为R 的圆是一圆柱形匀强磁场区域的横截面（纸面），磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向外，一电荷量为q （q >0）。

带电粒子在圆形磁场区域的运动规律处理带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题，关键就是综合运用平面几何知识与物理知识。

最重要的是，画出准确、清晰的运动轨迹。

对于带电粒子在圆形磁场区域中做匀速圆周运动，有下面两个规律，可以帮助大家准确、清晰画出带电粒子的圆周运动的轨迹。

规律一：带电粒子沿着半径方向射入圆形边界内的匀强磁场，经过一段匀速圆周运动偏转后，离开磁场时射出圆形区域的速度的反向延长通过边界圆的圆心。

规律二：入射速度方向（不一定指向区域圆圆心）与轨迹圆弧对应的弦的夹角为θ（弦切角），则出射速度方向与入射速度方向的偏转角为2θ，轨迹圆弧对应的圆心角也为θ2，并且初末速度方向的交点、轨迹圆的圆心、区域圆的圆心都在弧弦的垂直平分线上。

以上两个规律，利用几何知识很容易证明，在解题时，可以直接应用，请看下面的两个例子：例1如图1所示，在平面坐标系xoy 内，第Ⅱ、Ⅲ象限内存在沿y 轴正方向的匀强电场，第I 、Ⅳ象限内存在半径为L的圆形匀强磁场，磁场圆心在M （L ，0）点，磁场方向垂直于坐标平面向外．一带正电粒子从第Ⅲ象限中的Q （一2L ，一L ）点以速度0v 沿x 轴正方向射出，恰好从坐标原点O 进入磁场，从P （2L ，O ）点射出磁场．不计粒子重力，求： （1）电场强度与磁感应强度大小之比 （2）粒子在磁场与电场中运动时间之比 解析：（1）设粒子的质量和所带正电荷分别为m 和q ，粒子在电场中运动，由平抛运动规律得：102t v L =2121at L =，又牛顿运动定律得：ma qE = 粒子到达O 点时沿y +方向分速度为0v at v y ==，1tan 0==v v y α 故045=α，粒子在磁场中的速度为02v v =，应用规律二，圆心角为：0902=α，画出的轨迹如图2所示，由rm v Bqv 2=，由几何关系得L r 2=得：2v B E = （2）在磁场中运动的周期vrT π2=粒子在磁场中运动时间为02241v L T t π==图2图1得412π=t t 例2如图3所示，真空中有一以（r ，O ）为圆心，半径为r 的圆柱形匀强磁场区域，磁场的磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向里，在y ≤一r 的范围内，有方向水平向右的匀强电场，电场强度的大小为E 。

带电粒子在圆形匀强磁场区域中运动的特点袁立强【期刊名称】《高中数理化》【年(卷),期】2012(000)023【总页数】2页(P34-35)【作者】袁立强【作者单位】山东潍坊滨海中学【正文语种】中文寻找某些类型题的特点,借以找到解答此类问题在不同的物理情景中的切入点,是学生能够灵活和熟练应用知识解决问题的最重要体现.带电粒子在圆形匀强磁场区域中的匀速圆周运动,与数学中的圆的知识紧密相关,且具有很强的特点,下面我们总结一下带电粒子在圆形磁场区域中做匀速圆周运动的几个特点.特点1 带电粒子的入射速度方向指向匀强磁场区域圆的圆心,则出射速度方向的反向延长线必过该区域圆的圆心.例1 如图1,圆形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B ,现有一电荷量为q,质量为m的正离子从a点沿圆形区域的直径入射,设正离子射出磁场区域方向与入射方向的夹角为60°,求此离子在磁场区域内飞行的时间.图1图2设正离子从磁场区域的b点射出,射出速度方向的延长线与入射方向的直径交点为O,如图2,正离子在磁场中运动的轨迹为一段圆弧,该轨迹圆弧对应的圆心O′位于初、末速度方向垂线的交点,也在弦ab的垂直平分线上,O′b与区域圆相切,弦ab既是轨迹圆弧对应的弦,也是区域圆的弦,由此可知,OO′就是弦ab的垂直平分线,O点就是磁场区域圆的圆心.又因为四边形OabO′的四个角之和为360°,可推出∠aO′b＝60°,因此,正离子在磁场中完成了1/6圆特点2 入射速度方向(不一定指向区域圆圆心)与轨迹圆弧对应的弦的夹角为θ(弦切角),则出射速度方向与入射速度方向的偏转角为2θ,轨迹圆弧对应的圆心角也为2θ,并且初末速度方向的交点、轨迹圆的圆心、区域圆的圆心都在弧弦的垂直平分线上.如图3,带电粒子从a点射入匀强磁场区域,初速度方向不指向区域圆圆心,若出射点为b,轨迹圆的圆心O′在初速度v0方向的垂线和弦ab的垂直平分线的交点上,入射速度方向与该中垂线的交点为d,可以证明出射速度方向的反向延长线也过d点,O、d、O′都在弦ab的垂直平分线上.如果同一种带电粒子,速度方向一定、速度大小不同时,出射点不同,运动轨迹对应的弦不同,弦切角θ不同,该轨迹圆弧对应的圆心角2θ也不同,则运动图3例2 如图4,在xOy坐标系第一象限内有一个与x轴相切于Q点的圆形有界匀强磁场,磁感应强度为B ,方向垂直纸面向外,一带电粒子(不计重力)质量为m,带电荷量为+q,以初速度v0从P点进入第一象限,θ＝30°,经过该圆形有界磁场时,速度方向偏转了60°,从x轴上的Q点射出.问:在第一象限内圆形磁场区域的半径多大?图4根据上述特点2可知,速度偏转角为60°,那么弦切角就为30°,我们可以先做出弦,并且弦一定过Q点,因此,做出过Q点且平行于y轴的直线,与初速度v0方向的交点为A ,A 点就是入射点,A Q就是弦,又因为区域圆在Q点与x轴相切,A Q也是区域圆的直径,如图4.轨迹圆心为Q′,圆心角为60°,△AO′Q为等边三角形,半以圆形磁场区域的半径读者也可在图4中体会一下,如果区域圆半径过大或过小,弦(入射点和Q点的连线)也会发生变化,可以看出弦切角不再是30°,那么偏转角也就不会是60°了.特点3 若带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径与圆形磁场区域的半径相同,则出射速度方向必与区域圆上的入射点和区域圆的圆心的连线垂直(所有带电粒子出射速度方向都相同),且与入射速度方向无关.如图5,质量为m,电荷量为-q的带电粒子从a点以相同的速度大小v,从不同方向垂直射入磁感应强度为B 的圆形磁场区域,区域半径为r,且子运动轨迹的半径相同,我们任意取一个轨迹,从b点射出,区域圆的圆心为O,轨迹圆的圆心为O′,因为半径相同,我们不难看出OabO′为菱形,可见,出射速度方向必与Oa垂直,读者也可通过几何作图的方法证明从c点射出的带电粒子,也与Oa垂直,因此,所有射入的粒子出射方向相同,都与Oa垂直.图5例3 如图6所示,质量为m,电荷量为e的电子从坐标原点O处沿xOy平面射入第一象限内,射入时的速度方向不同,但大小均为v0.现在某一区域内加一方向向外且垂直于xOy平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,若这些电子穿过磁场后都能垂直地射到与y轴平行的荧光屏MN上,求:所加磁场范围的最小面积.图6图7联想到上述的特点3,从O点射入的速度大小相同,方向不同,经过磁场区域后,出射速度方向都相同,区域应该为圆,O点在区域圆上,该区域圆的半径与粒子运动轨迹的半径相同,都为r＝速度方向垂直于y轴,区域圆的圆心O′就在y轴上,图7中的阴影部分即为磁场的最小区域.。