物理带电粒子在电磁场中的复杂运动轨迹分析
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带电粒子在正交匀强电磁场中运动的轨迹和摆线陈升科高中物理中介绍了速度选择器,速度选择器两极板间有正交的匀强电场和匀强磁场,带电粒子在速度选择器中的运动实际上是在正交的匀强电场和匀强磁场中的运动.带电粒子垂直匀强电场和匀强磁场方向进入速度选择器,且速度大小等于电场强度E跟磁感强度B之比(E/B)(称(E/B)为选择速度,用veb表示),将做匀速直线运动.如果带电粒子的速度大小不等于选择速度或偏离垂直匀强电场和匀强磁场方向进入速度选择器,将做什么运动,其运动轨迹怎样?一、带电粒子在正交的匀强电磁场中的运动方程设空间有正交的匀强电场和匀强磁场(下称电磁场),电场强度矢量和磁感强度矢量分别为E=Ej,B=Bk.有一个电量为q、质量为m的带电粒子从坐标原点以初速v0射入电磁场中.初速度矢量为v0=v0xi+v0yj+v0zk,带电粒子射入电磁场后,在某时刻的速度矢量为v=vxi+vyj+vzk.带电粒子在此时刻受到的电场力矢量为F=qE=qEj,受到的磁场力(洛伦兹力)矢量为f=qv×B=qijkvxvyvz00B=qvyBi-qvxBj.带电粒子在电磁场中的动力学方程为F+f=m.动力学方程的三个分量式分别为mx=qBvy,①my=qE-qBvx,②mz=0.③令ω=(qB)/m,由方程①得vy=(1/ω)x.④④式对时间t微分得加速度的y方向分量y=(1/ω)x.将上式代入②式,并令ux=vx-(E/B)=vx-veb,得x+ω2ux=0.此微分方程的通解是ux=-Acos(ωt+φ),它可改写为vx=-Acos(ωt+φ)+veb.⑤⑤式对时间t微分得带电粒子在电磁场中运动时的加速度的x方向的分量x=Aωsin(ωt+φ),⑥将⑥式代入④式得速度的y方向的分量vy=Asin(ωt+φ),⑦⑦式对时间t微分得加速度的y方向的分量y=Aωcos(ωt+φ),⑧③式对时间t积分得速度的z方向的分量vz=C3.⑨⑤、⑦、⑨式分别对时间t积分得带电粒子在电磁场中运动的运动学方程的三个分量x=-(A/ω)sin(ωt+φ)+vebt+C1,⑩y=-(A/ω)cos(ωt+φ)+C2,⑾z=C3t+C4.⑿以上三式中A、φ、C1、C2、C3和C4均为积分常数,可用带电粒子射入电磁场时的初始条件确定.由①、②两式得,带电粒子初始加速度在x方向和y方向的分量分别为0x=(qBv0y)/m=ωv0y,0y=(qE-qBv0x)/m=ωveb-ωv0x.将以上两式分别代入⑥、⑧两式得Asinφ=v0y,Acosφ=veb-v0x,解得积分常数A=.⒀A的大小等于带电粒子的初速度沿x方向以选择速度veb做匀速直线运动的相对速度的大小.称(A/ω)为“幅”,称积分常数φ为初相,它有三种情况若v0x<veb,φ=tg-1[v0y/(veb-v0x)],若v0x=veb,v0y>0,φ=(π/2),v0y<0,φ=-(π/2),若v0x>veb,φ=π+tg-1[v0y/(veb-v0x).⒁将带电粒子初速度分量v0z代入⑨式得积分常数C3=v0z.将带电粒子射入电磁场时的初始坐标x=0,y=0,z=0.代入⑩⑾⑿三式得积分常数1=v0y/ω,2=(A/ω)cosφ=(1/ω)(veb-v0x),C4=0.带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中运动的运动学方程为x=vebt+(v0y/ω)-(A/ω)sin(ωt+φ),⒂y=(1/ω)(veb-v0x)-(A/ω)cos(ωt+φ),⒃z=v0zt.⒄式中的A和φ由⒀、⒁两式确定.带正电的粒子原先静止在坐标原点,在电场力和磁场力作用下开始运动,带电粒子初速度的三个分量都为零.由⒀、⒁式得A=veb,φ=0.带电粒子运动轨迹的三个参量方程为x=vebt-(veb/ω)sinωt,y=(veb/ω)(1-cosωt),z=0.二、带电粒子在正交的匀强电磁场中的运动图象带电粒子运动轨迹在xOy平面内,如图1中“0”曲线.如果粒子带负电,ω<0,参量方程x不变,而参量方程y的符号相反,带负电粒子的运动轨迹跟带正电粒子运动轨迹关于x轴对称.图1带电粒子(以下只讨论带正电)由坐标原点,沿x方向,以不同速度射入电磁场.它们的入射初速度只有x方向分量v0x.它们的幅(A/ω)和初相φ的值如下表中所示.初速度vox/veb-1 0 0.5 1 1.5 2 3幅Aω-1/vebω-12 1 0.5 0 0.5 1 2 初相φ0 0 0 0 πππ带电粒子入射初速度分量v0x的大小以选择速度veb对称(如0.5vev跟1.5veb对称)时,它们的幅相等,初相差为.它们的运动轨迹都在xOy平面,依次如图1中“-1”、“0”、“0.5”、“1”、“1.5”、“2”、“3”曲线所示.带电粒子由坐标原点射入,初速度既有x方向分量,又有y方向分量.设y方向分量等于1倍选择速度,v0y=veb.它在电磁场中运动轨迹的参量方程x和y如⒂、⒃两式,z=0.轨迹在xOy平面内,如图2所示,图中“0”、“1”、“2”分别表示v0x=0、v0x=veb、v0x=2veb时粒子的运动轨迹.带电粒子由坐标原点射入,初速度有三个方向的分量.它在电磁场中运动轨迹的参量方程由⒂、⒃、⒄三式确定.运动轨迹在同一平面内,轨迹跟如图1和/v如图2所示轨迹相似,只是轨迹平面绕y轴向纸外或纸内转过tg-1(v0z)角度.0x图2三、带电粒子在正交匀强电磁场中运动轨迹的分析⑩、⑾、⑿三式和⒂、⒃、⒄三式表明带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中的运动是以速度做匀速直线运动和以(A/ω)为半径、ω为角速度的匀速圆周运动的合成.我们知道,一轮子在水平地面匀速滚动时,轮子上各点的运动是轮心的匀速直线运动和绕轮心的匀速圆周运动的合成.轮子上各点的运动轨迹是摆线,带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中的运动轨迹也应是摆线.现有像火车轮那样的塔轮,大轮半径是小轮半径的两倍,如图3所示.小轮的匀速直线运动,塔轮的在水平轨道Ox上匀速滚动.塔轮轮心O′做速度为veb/r).角速度ω=(veb图3图4初时刻大轮跟轨道接触点A点的初速度为零,小轮最高点B点的初速度为2veb.这两点的运动轨迹如图4所示.如果将B点运动轨迹向下平移2r,这两点运动轨迹就是图1中的“0”和“2”两条带电粒子在电磁场中运动轨迹.初始时刻小轮最高点C点有3veb水平向前的初速度,大轮最低点D点有veb水平向后的初速度.小轮上E点和F点在同一条竖直直径上,到轮心O′的距离都为(r/2),E点有1.5veb水平向前的初速度,F点有0.5veb水平向前的初速度.这四点的运动轨迹如图5所示.如果C点轨迹向下平移3r,D点轨迹向上平移r,E点轨迹向下平移1.5r,F点轨迹向下平移0.5r,其运动轨迹就是图1中“3”、“-1”、“1.5”和“0.5”四条带电粒子在电磁场中的运动轨迹.图5图6中,初时刻塔轮轮心在O′.塔轮上的P点到轮心的距离PO′=r,P到水平轨道的距离PO=2r,圆心角φ=(3/4)π.A是塔轮瞬时转轴.图6可以求得P点的初速度v0=veb,它的x方向分量v0x=2veb,y方向的分量v0y=veb,P点的运动轨迹如图6中曲线所示.将P点的运动轨迹向下平移2r,就是图2中曲线“2”所示的带电粒子在电磁场中的运动轨迹.塔轮上Q点(跟坐标原点O重合)、S点的运动轨迹分别跟图2中“1”、“0”两条曲线所示的带电粒子在电磁场中的运动轨迹相对应.如果塔轮在水平轨道上匀速滚动,轨道又在xOz平面内沿z轴匀速移动,移动过程中保持轨道跟x轴平行,塔轮上的点的运动轨迹跟初速度有z方向分量的带电粒子在电磁场中运动轨迹相应.带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中运动跟匀速滚动的塔轮上的点的运动相似,运动的轨迹为摆线.。
带电粒子在电磁场中运动的应用1、电视机电视机的显像管中,电子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。
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 点而打到屏幕的中心M 点。
为了让电子束射到屏幕边缘P ,需要加磁场,使电子束转一已知角度θ,此时磁场的磁感应强度B 应为多少?解析: 电子在磁场中沿圆弧运动,如图所示,圆心为O ′,半径为R 。
以v 表示电子进入磁场时的速度,m 、e 分别表示电子的质量和电量,则221mv eU = R mv evB 2= Rr tg =2θ 由以上各式解得 221θtg e mU r B = 2、电磁流量计电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间内通过管内横截面的流体的体积)。
为了简化,假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道,其中空部分的长、宽、高分别为图中的a 、b 、c ,流量计的两端与输送液体的管道相连接(图中虚线)。
图中流量计的上下两面是金属材料,前后两面是绝缘材料,现于流量计所在处加磁感强度为B 的匀强磁场,磁场方向垂直于前后两面。
当导电液体稳定地流经流量计时,在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R 的电流表的两端连接,I 表示测得的电流值。
已知流体的电阻率为ρ,不计电流表的内阻,则可求得流量为 A. )(ac bR B I ρ+ B. )(c b aR B I ρ+ C. )(b a cR B I ρ+ D. )(abc R B I ρ+ 答案: A3、质谱仪下图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。
设法是某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A 中,使它受到电子束轰击,失去一个电子变成正一价的分子离子。
分子离子从狭缝s 1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区(初速不计),加速后,再通过狭缝s 2、s 3射入磁感强度为B 的匀强磁场,方向垂直于磁场区的界面PQ 。
带电粒子在电磁场中的运动重点内容解读孝感三中陈继芳带电粒子在电磁场中运动是高中物理中研究的重点之一,也是高考命题重点之一。
近几年高考题中的压轴题都是这类题型;高考对带电粒子在电磁场中运动的考查每年每份试卷都有2个以上的题,分值占总分的12~20%。
高考对带电粒子在电磁场中运动的考查涉及的知识点主要是:电场力、电势差、洛伦兹力、带电粒子在电场中的加速和类平抛运动、带电粒子在磁场中的匀速圆周运动等。
核心考点一、带电粒子在电场中加速、在匀强电场中的类平抛运动与磁场中的圆周运动【核心考点解读】带电粒子在电场中的类平抛运动可按照运动分解把带电粒子的运动分解为垂直电场方向的匀速直线运动和沿电场方向的匀变速直线运动。
带电粒子在电场中加速利用动能定理列方程解答,在磁场中的匀速圆周运动可依据洛仑兹力提供向心力列方程解答。
题1如图所示,一带电微粒质量为m=2.0×10-11kg、电荷量q=+1.0×10-5C,从静止开始经电压为U1=100V的电场加速后,水平进入两平行金属板间的偏转电场中,微粒射出电场时的偏转角θ=60°,并接着沿半径方向进入一个垂直纸面向外的圆形匀强磁场区域,微粒射出磁场时的偏转角也为θ=60°。
已知偏转电场中金属板长L=23cm,圆形匀强磁场的半径R=103cm,重力忽略不计。
求:(1)带电微粒经U1=100V的电场加速后的速率;(2)两金属板间偏转电场的电场强度E;(3)匀强磁场的磁感应强度的大小。
解析:略【名师点评】此题通过带电粒子在电场中加速、在匀强电场中的类平抛运动与磁场中的圆周运动,综合考查对动能定理、平抛运动规律迁移、电场力、速度分解与合成,洛伦兹力、牛顿第二定律、圆周运动等知识的掌握情况。
题2.如图所示,MN 是相距为d 的两平行金属板,O 、O '为两金属板中心处正对的两个小孔,N 板的右侧空间有磁感应强度大小均为B 且方向相反的两匀强磁场区,图中虚线CD 为两磁场的分界线,CD 线与N 板的距离也为d.在磁场区内适当位置放置一平行磁场方向的薄挡板PQ ,并使之与O 、O '连线处于同一平面内.现将电动势为E 的直流电源的正负极按图示接法接到两金属板上,有O 点静止释放的带电粒子(重力不计)经MN 板间的电场加速后进入磁场区,最后恰好垂直撞上挡板PQ 而停止运动。
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O以与MN成30°角的同样速度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。
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∠MON=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,如图6所示。
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。
带电粒子在电磁场中的运动图形总结一.“扇面“图形例1 如图所示,在半径为R的圆范围内有匀强磁场,一个电子从M点沿半径方向以v射入,从N点射出,速度方向偏转了600则电子从M到N运动的时间是()Av R2πBv3R2πCv3RπDv3R3π二“心脏”图形例2如图所示,以ab为分界面的两个匀强磁场,方向均垂直于纸面向里,其磁感应强度B1=2B2,现有一质量为m,带电量为+q的粒子,从O点沿图示方向以速度v进入B1中,经过时间t= 粒子重新回到O点(重力不计)三.“螺旋线”图形例3如图所示,水平放置的厚度均匀的铝箔,置于匀强磁场中,磁场方向垂直于纸面向里,一带电粒子进入磁场后在磁场中做匀速圆周运动,粒子每次穿过铝箔时损失的能量都相同,如图中两圆弧半径R=20cm, R=19cm,则该粒子总共能穿过铝箔的次数是多少?四“拱桥”图形例4如图所示,在x轴上方有垂直于xy平面的匀强磁场, 磁感应强度为B,在x轴下方有沿y轴负方向的匀强电场,场强为E,一质量为m,电量为—q的粒子从坐标原点O沿着y轴正方向射出,射出之后,第三次到达x轴时,它与O点的距离为L,求此时粒子射出时的速度和运动的总路程(重力不记)五“葡萄串”图形例5 如图(甲)所示,两块水平放置的平行金属板,板长L=1.4m,板距d=30cm 。
两板间有B=1.25T,垂直于纸面向里的匀强磁场。
在两板上加如图(乙)所示的脉冲电压。
在t=0时,质量m=2×10-15kg ,电量为q=1×10-10C 的正离子,以速度为4×103m/s 从两板中间水平射入。
试求:粒子在板间做什么运动?画出其轨迹。
六 “字母S ”图形例6 如图所示,一个初速为0的带正电的粒子经过M ,N 两平行板间电场加速后,从N 板上的孔射出,当带电粒子到达P 点时,长方形abcd 区域中出现大小不变,方向垂直于纸面且交替变化的匀强磁场,磁感应强度B=0.4T,每经过t=4 ×10-3s ,磁场方向变化一次,粒子到达P 点时出现的磁场方向指向纸外,在Q 处有一静止的中性粒子,PQ 距离s=3.0m ,带电粒子的比荷是1.0×104C/kg,不计重力。
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。
电子在电磁场中的运动规律电子是构成物质的基本粒子之一,其运动规律对于理解物质的性质和电磁场的相互作用至关重要。
本文将探讨电子在电磁场中的运动规律,并分析其在不同条件下的行为。
电子在电磁场中的受力是由洛仑兹力所引起的。
洛仑兹力是指电子在电磁场中受到的力,由于电子带有电荷,当其运动时会受到电磁场的作用。
根据洛仑兹力的表达式可以得知,力的方向垂直于电子的速度和磁场的方向,并且其大小与速度和磁场强度、电子电荷量之间的关系密切相关。
当电子在恒定磁场中运动时,其受力方向与速度方向垂直,从而导致电子在磁场中做圆周运动。
这种运动被称为磁场中的螺旋运动。
由于电子的受力方向始终垂直于速度方向,它们的角动量保持恒定,从而保证了电子在磁场中作圆周运动的稳定性。
然而,当电子在非恒定磁场中运动时,其运动轨迹将变得更加复杂。
在非恒定磁场中,电子将受到类似惯性力的作用,这种力被称为感应电场力。
感应电场力与电子在磁场中受到的洛仑兹力方向相反,其大小与磁场的变化率相关。
当磁场随时间变化时,感应电场力将导致电子偏离原来的运动轨道,使其产生辐射和能量损失。
除了在磁场中的运动之外,电子还可以在电场中受到力的作用。
电子在电场中受到的力与其电荷量以及电场的强度和方向有关。
当电场的方向与电子的运动方向相同时,电子将受到加速;当电场的方向与电子的运动方向相反时,电子将受到减速。
因此,电场可以用来控制电子的运动速度和方向。
综上所述,电子在电磁场中的运动规律受到洛仑兹力的影响。
在恒定磁场中,电子将做圆周运动;而在非恒定磁场中,电子的运动轨迹将更为复杂,可能发生偏离和辐射。
此外,电子在电场中受到的力也会影响其运动速度和方向。
这些运动规律对于理解电子在物质中的行为以及在电磁场中的相互作用都具有重要意义。
研究电子在电磁场中的运动规律不仅对物理学有着重要意义,对于应用领域也具有广泛的影响。
例如,理解电子在磁场中的运动规律,可帮助设计和制造粒子加速器和磁共振成像设备等高科技设备。