高中物理带电粒子在磁场中的运动解析版汇编
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高考物理带电粒子在磁场中的运动题20套(带答案)含解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图所示,xOy 平面处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B ,方向垂直纸面向外.点3,0P L ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭处有一粒子源,可向各个方向发射速率不同、电荷量为q 、质量为m 的带负电粒子.不考虑粒子的重力.(1)若粒子1经过第一、二、三象限后,恰好沿x 轴正向通过点Q (0,-L ),求其速率v 1;(2)若撤去第一象限的磁场,在其中加沿y 轴正向的匀强电场,粒子2经过第一、二、三象限后,也以速率v 1沿x 轴正向通过点Q ,求匀强电场的电场强度E 以及粒子2的发射速率v 2;(3)若在xOy 平面内加沿y 轴正向的匀强电场E o ,粒子3以速率v 3沿y 轴正向发射,求在运动过程中其最小速率v.某同学查阅资料后,得到一种处理相关问题的思路:带电粒子在正交的匀强磁场和匀强电场中运动,若所受洛伦兹力与电场力不平衡而做复杂的曲线运动时,可将带电粒子的初速度进行分解,将带电粒子的运动等效为沿某一方向的匀速直线运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动. 请尝试用该思路求解. 【答案】(1)23BLq m (2221BLq32230B E E v B +⎛⎫ ⎪⎝⎭【解析】 【详解】(1)粒子1在一、二、三做匀速圆周运动,则2111v qv B m r =由几何憨可知:()2221133r L r L ⎛⎫=-+ ⎪ ⎪⎝⎭得到:123BLqv m=(2)粒子2在第一象限中类斜劈运动,有:133L v t=,212qE h t m = 在第二、三象限中原圆周运动,由几何关系:12L h r +=,得到289qLB E m=又22212v v Eh =+,得到:2221BLqv =(3)如图所示,将3v 分解成水平向右和v '和斜向的v '',则0qv B qE '=,即0E v B'= 而'223v v v ''=+ 所以,运动过程中粒子的最小速率为v v v =''-'即:22003E E v v B B ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭2.欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,其原理可简化如下:两束横截面积极小,长度为l -0质子束以初速度v 0同时从左、右两侧入口射入加速电场,出来后经过相同的一段距离射入垂直纸面的圆形匀强磁场区域并被偏转,最后两质子束发生相碰。
带电粒子在磁场中运动的临界极值多解问题分类汇编一、基础题(圆周运动基本规律)1.四川卷如图所示,长方形abcd 长ad=0.6m,宽ab=0.3m,O、e分别是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(边界上无磁场),磁感应强度B=0.25T。
一群不计重力、质量m=3×10-7kg、电荷量q=+2×10-3C的带电粒子以速度v=5×102m/s沿垂直ad方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Od边射入的粒子,出射点分布在Oa边和ab边D.从aO边射入的粒子,出射点分布在ab边和be边2.在光滑绝缘水平面上,一轻绳拉着一个带电小球绕竖直方向的轴O在匀强磁场中做逆时针方向的匀速圆周运动,磁场方向竖直向下,且范围足够大,其俯视图如图所示,若小球运动到某点时,绳子突然断开,则关于绳子断开后,对小球可能的运动情况的判断错误的是()A.小球仍做逆时针方向的匀速圆周运动,但半径减小B.小球仍做逆时针方向的匀速圆周运动,半径不变C.小球做顺时针方向的匀速圆周运动,半径不变D.小球做顺时针方向的匀速圆周运动,半径减小3金属小球质量m带电-q,由长L的绝缘细线悬挂于图示匀强磁场中的O点,然后将小球拉到θ=600处由静止释放,小球沿圆弧运动到最低点时悬线上的张力恰好为0;求①磁场的磁感应强度B=?②小球住复摆动中悬线上的最大张力多少?二、临界、极值1、刚好穿出磁场边界的临界条件------轨迹与边界相切条形、矩形、三角形磁场临界4. (2010年宿州模拟)一质量为m、电荷量为q的带负电的粒子,从A点射入宽度为d、磁感应强度为B的匀强磁场中,MN、PQ为该磁场的边界线,磁感线垂直于纸面向里,如图所示.带电粒子射入时的初速度与PQ成45°角,且粒子恰好没有从MN射出.(不计粒子所受重力)(1)求该带电粒子的初速度大小;(2)求该带电粒子从PQ边界射出的出射点到A点的距离.6、长为L 的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁场,如图所示,磁场强度为B ,板间距离也为L ,板不带电,现有质量为m ,电量为q 的带正电粒子(不计重力),从左边极板间中点处垂直磁场以速度v 平行极板射入磁场,欲使粒子不打在极板上,则粒子入射速度v 应满足什么条件?7.如图所示,一足够长的矩形区域abcd 内充满磁感应强度为B ,方向垂直纸面向里的匀强磁场.现从矩形区域ad 边的中点O 处,垂直磁场射入一速度方向与ad 边夹角为30°,大小为v 0的带正电的粒子.已知粒子质量为m ,电荷量为q ,ad 边长为l ,重力影响不计.(1)试求粒子能从ab 边射出磁场的v 0的范围; (2)在满足粒子从ab 边射出磁场的条件下,粒子在磁场中运动的最长时间是多少?8、在边长为a 2的ABC ∆内存在垂直纸面向里的磁感强度为B 的匀强磁场,有一带正电q ,质量为m 的粒子从距A点a 3的D点垂直AB方向进入磁场,如图5所示,若粒子能从AC间离开磁场,求粒子速率应满足什么条件及粒子从AC间什么范围内射出.9、核聚变反应需要几百万度以上的高温,为把高温条件下高速运动的离子约束在小范围内(否则不可能发生核反应),通常采用磁约束的方法(托卡马克装置)。
难点之九:带电粒子在磁场中的运动一、难点突破策略(一)明确带电粒子在磁场中的受力特点1. 产生洛伦兹力的条件:①电荷对磁场有相对运动.磁场对与其相对静止的电荷不会产生洛伦兹力作用.②电荷的运动速度方向与磁场方向不平行. 2. 洛伦兹力大小:当电荷运动方向与磁场方向平行时,洛伦兹力f=0;当电荷运动方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力最大,f=qυB ;当电荷运动方向与磁场方向有夹角θ时,洛伦兹力f= qυB ·sin θ3. 洛伦兹力的方向:洛伦兹力方向用左手定则判断 4. 洛伦兹力不做功.(二)明确带电粒子在匀强磁场中的运动规律带电粒子在只受洛伦兹力作用的条件下:1. 若带电粒子沿磁场方向射入磁场,即粒子速度方向与磁场方向平行,θ=0°或180°时,带电粒子粒子在磁场中以速度υ做匀速直线运动.2. 若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直,即θ=90°时,带电粒子在匀强磁场中以入射速度υ做匀速圆周运动.①向心力由洛伦兹力提供:R v mqvB 2=②轨道半径公式:qBmvR =③周期:qB m 2v R 2T π=π=,可见T 只与q m有关,与v 、R 无关。
(三)充分运用数学知识(尤其是几何中的圆知识,切线、弦、相交、相切、磁场的圆、轨迹的圆)构建粒子运动的物理学模型,归纳带电粒子在磁场中的题目类型,总结得出求解此类问题的一般方法与规律。
1. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的基本型问题(1)定圆心、定半径、定转过的圆心角是解决这类问题的前提。
确定半径和给定的几何量之间的关系是解题的基础,有时需要建立运动时间t 和转过的圆心角α之间的关系(T 2t T 360t πα=α=或)作为辅助。
圆心的确定,通常有以下两种方法。
① 已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图9-1中P 为入射点,M 为出射点)。
2024高考物理真题分项解析专题16带电粒子在电磁场中运动1.(2024高考新课程卷·26).(20分)一质量为m 、电荷量为()0q q >的带电粒子始终在同一水平面内运动,其速度可用图示的直角坐标系内,一个点(),x y P v v 表示,x v 、y v 分别为粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量。
粒子出发时P 位于图中()00,a v 点,粒子在水平方向的匀强电场作用下运动,P 点沿线段ab 移动到()00,b v v 点;随后粒子离开电场,进入方向竖直、磁感应强度大小为B 的匀强磁场,P 点沿以O 为圆心的圆弧移动至()00,c v v -点;然后粒子离开磁场返回电场,P 点沿线段ca 回到a 点。
已知任何相等的时间内P 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等。
不计重力。
求(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期;(2)电场强度的大小;(3)P 点沿图中闭合曲线移动1周回到a 点时,粒子位移的大小。
试题分析题图给出的是粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量关系图像,不要理解成轨迹图像。
在a 点,粒子速度沿y 方向,做类平抛运动,运动到b 点,粒子做匀速圆周运动到c 点,逆方向类平抛运动,轨迹如图。
解题思路本题考查的考点:带电粒子在匀强电场中的类平抛运动和在匀强磁场中的匀速圆周运动。
(1)根据题述,粒子出发时P 位于图中()00,a v 点,粒子在水平方向的匀强电场作用下运动,P 点沿线段ab 移动到()00,b v v 点;可知带电粒子在磁场中做匀速圆周运动时的速度2200v v +2v 0,由qvB=m2v r解得r=02mv qB周期T=2πr/v=2mqBπ(2)根据题述,已知任何相等的时间内P 点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等,由于曲线表示的为速度相应的曲线,所以P 点沿图中闭合曲线的加速度相等,故可得02qB v m=qEm 解得2Bv (3)根据题意分析,可知,P 点从b 到c,转过270°。
第03讲带电粒子在匀强磁场中的运动【学习目标】(1)知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会在磁场中做匀速圆周运动,能推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式,能解释有关的现象,解决有关实际问题。
(2)经历实验验证带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动以及其运动半径与磁感应强度的大小和入射速度的大小有关的过程,体会物理理论必须经过实验检验。
(3)知道洛伦兹力作用下带电粒子做匀速圆周运动的周期与速度无关,能够联想其可能的应用。
能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。
了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。
【基础知识】【考点剖析】一.带电粒子在匀强磁场中的运动已知带电粒子质量为m,电荷量为q,速度大小为v,磁感应强度为B,以下列不同方式进入磁场将做什么运动?(不计重力)1.不加磁场时,观察带电粒子的运动轨迹为电子束沿直线运动。
2.施加垂直于纸面的磁场后,观察电子束的径迹为电子束沿圆轨迹运动。
3.保持入射电子的速度不变,增加磁感应强度,电子束圆周运动的半径减小。
4.保持磁感应强度不变,增加出射电子的速度,电子束圆周运动的半径变大总结:带电粒子的速度方向与磁场方向平行时,不受洛伦兹力,粒子做匀速直线运动;带电粒子垂直进入磁场时,粒子所受洛伦兹力总与速度方向垂直,所以洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小,粒子做匀速圆周运动。
二.半径和周期的理论推导带电粒子以垂直磁感应强度方向的速度进入磁场时,带电粒子做匀速圆周运动.向心力由洛伦兹力提供,,根据向心力公式,,可得轨迹半径。
轨迹半径与带电粒子的质量和速度成正比,与带电粒子的电荷量和磁感应强度成反比。
由可知,磁感应强度增大,半径减小;速度增大,半径增大。
圆周运动的周期,把代入,可得:。
带电粒子的周期跟轨迹半径和运动速度无关。
总结:带电粒子的周期跟轨迹半径和运动速度无关,即同一带电粒子以不同的速度进入同一磁场,半径不同,但周期相同。
典题分析例1.质量和电荷量都相等的带电粒子M 和N ,以不同的速率经小孔S 垂直进入匀强磁场,运行的半圆轨迹如图中虚线所示,下列表述正确的是( )A .M 带负电,N 带正电B .M 的速率小于N 的速率C .洛伦兹力对M 、N 做正功D .M 的运行时间大于N 的运行时间解析:根据左手定则可知N 带正电,M 带负电,选项A 正确;由qvB =m v 2r 得r =mv Bq,由题知m 、q 、B 相同,且r N <r M ,所以v M >v N ,选项B 错误;由于洛伦兹力的方向始终与带电粒子的运动方向垂直,故洛伦兹力不会对M 、N 做功,选项C 错误;又周期T =2πr v =2πmBq,两个带电粒子在磁场中运动的周期相等,由图可知两个粒子在磁场中均偏转了半个周期,故在磁场中运动的时间相等,选项D 错误. 答案:A三.带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动分析 1.轨迹圆心的两种确定方法(1)已知粒子运动轨迹上两点的速度方向时,如何确定圆心的位置?(提示:圆心一定在垂直于速度的直线上)作这两速度方向的垂线,交点即为圆心,如图所示。
2021年高考物理二轮复习提分技巧专题8磁场及带电粒子在在磁场中的运动(1)方法技巧①对称思想;②等效思想;③极限思想;④放缩法;⑤平移法;⑥旋转法.(2)易错归纳①判断洛伦兹力方向时要注意粒子的电性,粒子电性不同,洛伦兹力的方向不同,运动轨迹也不同;②注意圆周运动的多解问题.考向1导体在磁场中受安培力问题1.安培力大小的计算公式:F=BIL sinθ(其中θ为B与I之间的夹角).(1)若磁场方向和电流方向垂直:F=BIL.(2)若磁场方向和电流方向平行:F=0.2.(1)左手定则判定安培力的方向.(2)特点:由左手定则知通电导线所受安培力的方向既跟磁场方向垂直,又跟电流方向垂直,所以安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所确定的平面.分析通电导体棒受力时的基本思路[例1](2020·辉南县第一中学高三月考)在倾角为30的固定光滑绝缘斜面上垂直纸面放置一金属棒,现给金属棒通以恒定电流,欲使金属棒处于静止状态,可加一方向平行于纸面的与斜面成60角的匀强磁场,如图所示,已知金属棒重为G,则下列说法正确的是()A.金属棒中的电流方向垂直纸面向外,受到的安培力大小为3 2GB.金属棒中的电流方向垂直纸面向外,受到的安培力大小为3 3GC.金属棒中的电流方向垂直纸面向里,受到的安培力大小为3 2GD3【答案】D【解析】对导体棒受力分析,有重力、垂直于斜面向上支持力和斜向右上方的安培力。
根据导体棒的平衡状态,可得安培力方向与斜面成30角斜向右上方。
根据左手定则,可得导体棒中的电流方向垂直纸面向里。
根据几何关系可知,支持力和安培力与水平方向夹角相同,都是60。
则由共点力的平衡条件可得N2cos3033GF FG===安故选D 。
[例2](2020·大连市普兰店区第三十八中学高二月考)如图所示,边长为l ,质量为m 的等边三角形导线框用绝缘细线悬挂于天花板,导线框中通一逆时针方向的电流,图中虚线过ab 边中点和ac 边中点,在虚线的下方有一垂直于导线框向里的匀强磁场,其磁感应强度大小为B ,此时导线框处于静止状态,细线中的拉力为F 1,保持其他条件不变,现将虚线下方的磁场移至虚线上方,此时细线中拉力为F 2。
高中物理3.6带电粒子在磁场中的运动详解带电粒子在磁场中的运动特点带电粒子在磁场中的运动往往比较复杂,我们只考虑其中几种特殊情况:不考虑粒子本身的重力(一般如:电子、质子、粒子、离子等不考虑它们的重力);磁场为匀强磁场。
①初速度v0与磁场平行:此时洛伦兹力F=0,粒子将沿初速度方向做匀速直线运动。
②初速度与磁场垂直:由于洛伦兹力总与粒子运动方向垂直,粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其向心力由洛伦兹力提供,所以其轨道半径为,运动周期为。
由此可见:荷质比相同的粒子以相同的速度进入同一磁场,其轨道半径相同;带电量相同的粒子以相同的动量进入同一磁场,其轨道半径相同。
它们运动的周期T与粒子的速度大小无关,与粒子的轨道半径R 无关,只要是荷质比相同的粒子,进入同一磁场,其周期相同。
规律方法“一点、两画、三定、四写”求解粒子在磁场中的圆周运动问题(1)一点:在特殊位置或要求粒子到达的位置(如初位置、要求经过的某一位置等);(2)两画:画出速度v和洛伦兹力F两个矢量的方向;(3)三定:定圆心、定半径、定圆心角;(4)四写:写出基本方程01带电粒子在匀强磁场中的运算1圆心的确定①因为洛伦兹力指向圆心,根据F洛⊥v,画出粒子运动轨迹中任意两点(一般是射入和射出磁场的两点,如下图甲的P、M两点)的F洛的方向,其延长线的交点即为圆心.(也可以说是任意两点的切线方向的垂直线交点)②做粒子入射点速度方向的垂直线,做出入射点、出射点连线的中垂线,两线的交点即是圆心O.2半径的确定和计算利用平面几何关系,求出该圆的可能半径(或圆心角)。
并注意以下两个重要的几何特点:①粒子速度的偏向角(φ)等于回旋角(α),并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍,φ=α=2θ=ω。
②相对的弦切角(θ)相等,与相邻的弦切角(θ')互补,即θ+θ'=180°。
3粒子在磁场中运动时间的确定利用圆心角与弦切角的关系,或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角ɑ的大小.由公式,可求出运动时间.如果ɑ为弧度制,则在磁场中运动时间的确定.利用圆心角与弦切角的关系,或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角ɑ的大小.由公式,可求出运动时间.如果ɑ为弧度制,则注意圆周运动中有关对称规律如从同一边界射入的粒子,从同一边界射出时,速度与边界的夹角相等;在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射出。
高中物理带电粒子在匀强磁场中的运动讲解_下面是学习信息网整理的有关高中物理带电粒子在匀强磁场中的运动知识点总结讲解,方便大家的学习浏览1、理解洛伦兹力对粒子不做功。
2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时,粒子在匀磁场中做匀速圆周运动.3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式,并会用它们解答有关问题,知道质谱仪的工作原理。
4、知道回旋加速器的基本构造、工作原理、及用途。
[问题1]什么是洛伦兹力?[磁场对运动电荷的作用力][问题2]带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力?[不一定,洛伦兹力的计算公式为F=qvBsin ,为电荷运动方向与磁场方向的夹角,当 =90 时,F=qvB;当 =0 时,F=0。
] [问题3]带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢?今天我们来学习带电粒子在匀强磁场中的运动。
带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析一是要明确所研究的物理现象的条件----在匀强磁场中垂直于磁场方向运动的带电粒子。
二是分析带电粒子的受力情况,用左手定则明确带电粒子初速度与所受到的洛伦兹力在同一平面内,所以只可能做平面运动。
三是洛伦兹力不对运动的带电粒子做功,它的速率不变,同时洛伦兹力的大小也不变。
四是根据牛顿第二定律,洛伦兹力使运动的带电粒子产生加速度(向心加速度)①电子受到怎样的力的作用?这个力和电子的速度的关系是怎样的?(电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.)②洛伦兹力对电子的运动有什么作用?(洛伦兹力只改变速度的方向,不改变速度的大小)③有没有其他力作用使电子离开磁场方向垂直的平面?(没有力作用使电子离开磁场方向垂直的平面)④洛伦兹力做功吗?(洛伦兹力对运动电荷不做功)1.带电粒子在匀强磁场中的运动(1)运动轨迹:沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动,此洛伦兹力不做功。
【说明】:(1)轨道半径和粒子的运动速率成正比.(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关。
高考物理带电粒子在磁场中的运动解析版汇编含解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图所示,MN为绝缘板,CD为板上两个小孔,AO为CD的中垂线,在MN的下方有匀强磁场,方向垂直纸面向外(图中未画出),质量为m电荷量为q的粒子(不计重力)以某一速度从A点平行于MN的方向进入静电分析器,静电分析器内有均匀辐向分布的电场(电场方向指向O点),已知图中虚线圆弧的半径为R,其所在处场强大小为E,若离子恰好沿图中虚线做圆周运动后从小孔C垂直于MN进入下方磁场.()1求粒子运动的速度大小;()2粒子在磁场中运动,与MN板碰撞,碰后以原速率反弹,且碰撞时无电荷的转移,之后恰好从小孔D进入MN上方的一个三角形匀强磁场,从A点射出磁场,则三角形磁场区域最小面积为多少?MN上下两区域磁场的磁感应强度大小之比为多少?()3粒子从A点出发后,第一次回到A点所经过的总时间为多少?【答案】(1EqRm(2)212R;11n+;(3)2πmREq【解析】【分析】【详解】(1)由题可知,粒子进入静电分析器做圆周运动,则有:2mvEqR=解得:EqR vm =(2)粒子从D到A匀速圆周运动,轨迹如图所示:由图示三角形区域面积最小值为:22R S= 在磁场中洛伦兹力提供向心力,则有:2mv Bqv R= 得:mv R Bq=设MN 下方的磁感应强度为B 1,上方的磁感应强度为B 2,如图所示:若只碰撞一次,则有:112R mv R B q== 22mvR R B q==故2112B B = 若碰撞n 次,则有:111R mv R n B q==+ 22mvR R B q==故2111B B n =+(3)粒子在电场中运动时间:1242R mRt v Eqππ== 在MN 下方的磁场中运动时间:211122n m mRt R R v EqR Eqπππ+=⨯⨯== 在MN 上方的磁场中运动时间:232142R mRt v Eq ππ=⨯=总时间:1232mRt t t t Eqπ=++=2.如图,圆心为O 、半径为r 的圆形区域外存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外,磁感应强度大小为B 。
2023届高三物理一轮复习多维度导学与分层专练专题57 带电粒子在磁场中的运动导练目标 导练内容目标1 洛伦兹力的大小方向 目标2 带电粒子在有界磁场中的运动 目标3带电粒子在磁场中运动的多解问题一、洛伦兹力的大小方向 1.洛伦兹力的大小和周期(1)大小:qvB F =(v B ⊥);(2)向心力公式:rmv qvB 2=;(3)周期:22r m T v qB ππ== 2.洛伦兹力的特点(1)利用左手定则判断洛伦兹力的方向,注意区分正、负电荷。
(2)当电荷运动方向发生变化时,洛伦兹力的方向也随之变化。
(3)运动电荷在磁场中不一定受洛伦兹力作用。
(4)洛伦兹力永不做功。
3.洛伦兹力的方向 (1)判断方法:左手定则(2)方向特点:洛伦兹力的方向一定与粒子速度方向和磁感应强度方向所决定的平面垂直(B 与v 可以有任意夹角)。
注意:由左手定则判断洛伦兹力方向时,四指指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。
【例1】如图所示,光滑的水平桌面处于匀强磁场中,磁场方向竖直向下,磁感应强度大小为B ;在桌面上放有内壁光滑、长为L 的试管,底部有质量为m 、带电量为q 的小球,试管在水平向右的拉力作用下以速度v 向右做匀速直线运动(拉力与试管壁始终垂直),带电小球能从试管口处飞出,关于带电小球及其在离开试管前的运动,下列说法中正确的是( )A .小球带负电,且轨迹为抛物线B .小球运动到试管中点时,水平拉力的大小应增大至qvBLqBmC .洛伦兹力对小球做正功D .对小球在管中运动全过程,拉力对试管做正功,大小为qvBL 【答案】BD【详解】A .小球能从试管口处飞出,说明小球受到指向试管口的洛伦兹力,根据左手定则判断,小球带正电;小球沿试管方向受到洛伦兹力的分力y F qvB =恒定,小球运动的轨迹是一条抛物线,故A 错误;B .由于小球相对试管做匀加速直线运动,会受到与试管垂直且向左的洛,则拉力应增大伦兹力的分力x y F qv B =小球运动到中点时沿管速度为22y qvB L v m =⨯qvBL F m=持匀速运动,故B 正确;C .沿管与垂直于管洛伦兹力的分力合成得到的实际洛伦兹力总是与速度方向垂直,不做功,故C 错误;D .对试管、小球组成的系统,拉力做功的效果就是增加小球的动能,由功能关系F k W E qvBL =∆=故D 正确;故选BD 。
带电粒子在磁场中的运动知识点总结带电粒子在磁场中的运动知识点总结磁场是由具有磁性的物质产生的一种特殊的物理现象。
带电粒子在磁场中的运动是一种经典力学问题,也是研究电磁力学的重要内容之一。
本文将从洛伦兹力和运动方程的角度,总结带电粒子在磁场中的运动知识点。
一、洛伦兹力的定义和表达式当带电粒子运动时,其受到磁场的作用力称为洛伦兹力。
洛伦兹力的大小和方向与带电粒子的电荷量、速度以及磁场的强度和方向有关。
洛伦兹力的表达式为:F = q(v × B),其中F表示洛伦兹力,q表示带电粒子的电荷量,v表示带电粒子的速度,B表示磁场的磁感应强度。
从表达式可以看出,当带电粒子的速度与磁场的方向相垂直时,洛伦兹力最大,其大小为F = qvB。
当带电粒子的速度与磁场的方向平行时,洛伦兹力为零。
二、带电粒子在均匀磁场中的运动1. 带电粒子在均匀磁场中做圆周运动。
当带电粒子的速度与磁场的方向垂直时,洛伦兹力的方向垂直于速度和磁场,使得带电粒子呈圆周运动。
带电粒子沿着圆周运动的半径越小,则速度越大。
2. 带电粒子在均匀磁场中做螺旋线运动。
当带电粒子的速度既有向心分量又有切向分量时,带电粒子在均匀磁场中做螺旋线运动。
螺旋线的轴线平行于磁场方向,而螺旋线的半径和螺旋线的间距则与带电粒子的质荷比有关。
三、带电粒子在非均匀磁场中的运动在非均匀磁场中,带电粒子的运动受到洛伦兹力和离心力的共同作用。
1. 带电粒子在平行磁场中的运动。
当带电粒子的速度与非均匀磁场的方向平行时,洛伦兹力和离心力共同作用,使得带电粒子的运动轨迹偏离直线,呈现偏转或弯曲的状态。
2. 带电粒子在非均匀磁场中的稳定运动。
在某些特殊的非均匀磁场中,带电粒子可以实现稳定的运动。
例如,带电粒子在磁偶极场中做稳定的进动运动。
四、在磁场中运动的带电粒子与其他力的作用在实际情况中,带电粒子在磁场中的运动常常受到其他力的作用,如重力和电场的作用。
1. 在重力作用下的带电粒子运动。
带电粒子在匀强磁场中的运动例1.如图所示,在MN右侧有一个磁感应强度为B的匀强磁场。
在磁场中的A点有一静止镭核(Ra),A点距MN的距离OA=d.D为放置在MN边缘的粒子接收器,接收器位置距OA直线的距离也为d。
发生衰变时,放出某粒子x后变为一氡核(Rn),接收器D恰好接收到了沿垂直于MN方向射来的粒子x。
(取原子质量单位用m0表示,电子电量用e表示)。
(1)写出上述过程中的核衰变方程(要求写出x的具体符号),并确定粒子x的轨迹圆半径;(2)求出射出的粒子x的速度大小(3)若衰变时释放的核能全部转化成生成物的动能,求该衰变过程的质量亏损。
同类型练习1.在xOy的纸面内存在如图所示的匀强磁场区域,在O点到P点区域的x轴上方,磁感应强度为B,方向垂直纸面向外,在x轴下方,磁感应强度大小也为B,方向垂直纸面向里,OP两点距离为x0.现在原点O 处以恒定速度v0不断地向第一象限内发射氘核粒子。
(1)设粒子以与x轴成45°角从O点射出,第一次与x轴相交于A点,第n次与x轴交于P点,求氘核粒子的比荷(用已知量B、x0、v0、n表示),并求OA段粒子运动轨迹的弧长(用已知量x0、v0、n表示)。
(2)求粒子从O点到A点所经历时间t1和从O点到P点所经历时间t(用已知量x0、v0、n表示)。
同类型练习2.如图所示,坐标系xoy在竖直平面内,y轴的正方向竖直向上,y轴的右侧广大空间存在水平向左的匀强电场E1=2N/C,y轴的左侧广大空间存在匀强磁场和电场,磁场方向垂直纸面向外,B=1T,电场方向竖直向上,E2=2N/C.t=0时刻,一个带正电的质点在O点以v=2m/s的初速度沿着与x轴负方向成450角射入y轴的左侧空间,质点的电量为q=10﹣6C,质量为m=2×10﹣7kg,重力加速度g=10m/s2.求:(1)质点从O点射入后第一次通过y轴的位置;(2)质点从O点射入到第二次通过y轴所需时间;例2.如图,空间存在方向垂直于xOy平面向里的匀强磁场。
带电粒子在磁场中的运动【学习目标】1.掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的特点和解决此类运动的方法2.理解质谱仪和回旋加速器的工作原理和作用【要点梳理】要点一:带电粒子在匀强磁场中的运动要点诠释:1.运动轨迹带电粒子(不计重力)以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场中:(1)当v∥B时,带电粒子将做匀速直线运动;(2)当v⊥B时,带电粒子将做匀速圆周运动;(3)当v与B的夹角为θ(θ≠0°,90°,180°)时,带电粒子将做等螺距的螺旋线运动.说明:电场和磁场都能对带电粒子施加影响,带电粒子在匀强电场中只在电场力作用下,可能做匀变速直线运动,也可能做匀变速曲线运动,但不可能做匀速直线运动;在匀强磁场中,只在磁场力作用下可以做曲线运动.但不可能做变速直线运动.2.带电粒子在匀强磁场中的圆周运动如图所示,带电粒子以速度v垂直磁场方向入射,在磁场中做匀速圆周运动,设带电粒子的质量为m,所带的电荷量为q.(1)轨道半径:由于洛伦兹力提供向心力,则有2vqvB mr=,得到轨道半径mvrqB=.(2)周期:由轨道半径与周期之间的关系2rTvπ=可得周期2mTqBπ=.说明:(1)由公式mvrqB=知,在匀强磁场中,做匀速圆周运动的带电粒子,其轨道半径跟运动速率成正比.(2)由公式2mTqBπ=知,在匀强磁场中,做匀速圆周运动的带电粒子,周期跟轨道半径和运动速率均无关,而与比荷qm成反比.注意:mvrqB=与2mTqBπ=是两个重要的表达式,每年的高考都会考查.但应用时应注意在计算说明题中,两公式不能直接当原理式使用.要点二:带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的问题分析要点诠释:1.分析方法/Bq 或时间”的基本方法和规律,具体分析为: (1)圆心的确定带电粒子进入一个有界磁场后的轨道是一段圆弧,如何确定圆心是解决问题的前提,也是解题的关键.首先,应有一个最基本的思路:即圆心一定在与速度方向垂直的直线上.通常有两种确定方法:①已知入射方向和出射方向时,可以通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲所示,图中P 为入射点,M 为出射点,O 为轨道圆心).②已知入射方向和出射点的位置时,可以通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图乙所示,P 为入射点,M 为出射点,O 为轨道圆心).(2)运动半径的确定:作入射点、出射点对应的半径,并作出相应的辅助三角形,利用三角形的解析方法或其他几何方法,求解出半径的大小,并与半径公式mvr Bq=联立求解. (3)运动时间的确定粒子在磁场中运动一周的时间为T ,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时,其运动时间可由下式表示:360t T α=︒(或2t T απ=).可见粒子转过的圆心角越大,所用时间越长. 2.有界磁场(1)磁场边界的类型如图所示(2)与磁场边界的关系①刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切.②当速度v 一定时,弧长(或弦长)越长,圆周角越大,则带电粒子在有界磁场中运动的时间越长. ③当速率v 变化时,圆周角越大的,运动的时间越长. (3)有界磁场中运动的对称性①从某一直线边界射入的粒子,从同一边界射出时,速度与边界的夹角相等; ②在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射出. 3.解题步骤带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的解题方法——三步法: (1)画轨迹:即确定圆心,几何方法求半径并画出轨迹.(2)找联系:轨道半径与磁感应强度、运动速度相联系,偏转角度与圆心角运动时间相联系,在磁场中运动的时间与周期相联系.(3)用规律:即牛顿第二定律和圆周运动的规律,特别是周期公式、半径公式.注意:道PM 对应的圆心角α,即αϕ=,如图所示.(2)圆弧轨道PM 所对圆心角α等于PM 弦与切线的夹角(弦切角)θ的2倍,即2αθ=,如图所示. 要点三:质谱仪要点诠释: (1)构造质谱仪由粒子注入器、加速电场、速度选择器、偏转电场和照相底片组成,如图所示.(2)工作原理 ①加速:212qU mv =, ②偏转:2v qvB m r=,由以上两式得:粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径12mur B q=。
高中物理带电粒子在磁场中的运动解析版汇编含解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图所示,在一直角坐标系xoy 平面内有圆形区域,圆心在x 轴负半轴上,P 、Q 是圆上的两点,坐标分别为P (-8L ,0),Q (-3L ,0)。
y 轴的左侧空间,在圆形区域外,有一匀强磁场,磁场方向垂直于xoy 平面向外,磁感应强度的大小为B ,y 轴的右侧空间有一磁感应强度大小为2B 的匀强磁场,方向垂直于xoy 平面向外。
现从P 点沿与x 轴正方向成37°角射出一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子,带电粒子沿水平方向进入第一象限,不计粒子的重力。
求: (1)带电粒子的初速度;(2)粒子从P 点射出到再次回到P 点所用的时间。
【答案】(1)8qBLv m=;(2)41(1)45m t qB π=+ 【解析】 【详解】(1)带电粒子以初速度v 沿与x 轴正向成37o 角方向射出,经过圆周C 点进入磁场,做匀速圆周运动,经过y 轴左侧磁场后,从y 轴上D 点垂直于y 轴射入右侧磁场,如图所示,由几何关系得:5sin37o QC L =15sin37OOQO Q L ==在y 轴左侧磁场中做匀速圆周运动,半径为1R ,11R O Q QC =+21v qvB m R=解得:8qBLv m=; (2)由公式22v qvB m R =得:2mv R qB =,解得:24R L =由24R L =可知带电粒子经过y 轴右侧磁场后从图中1O 占垂直于y 轴射放左侧磁场,由对称性,在y 圆周点左侧磁场中做匀速圆周运动,经过圆周上的E 点,沿直线打到P 点,设带电粒子从P 点运动到C 点的时间为1t5cos37o PC L =1PCt v=带电粒子从C 点到D 点做匀速圆周运动,周期为1T ,时间为2t12mT qBπ=2137360oo t T = 带电粒子从D 做匀速圆周运动到1O 点的周期为2T ,所用时间为3t22·2m mT q B qBππ== 3212t T =从P 点到再次回到P 点所用的时间为t12222t t t t =++联立解得:41145mt qB π⎛⎫=+⎪⎝⎭。
高考物理带电粒子在磁场中的运动解析版汇编及解析一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图所示,在xOy 坐标系中,第Ⅰ、Ⅱ象限内无电场和磁场。
第Ⅳ象限内(含坐标轴)有垂直坐标平面向里的匀强磁场,第Ⅲ象限内有沿x 轴正向、电场强度大小为E 的匀强磁场。
一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子,从x 轴上的P 点以大小为v 0的速度垂直射入电场,不计粒子重力和空气阻力,P 、O两点间的距离为202mv qE。
(1)求粒子进入磁场时的速度大小v 以及进入磁场时到原点的距离x ;(2)若粒子由第Ⅳ象限的磁场直接回到第Ⅲ象限的电场中,求磁场磁感应强度的大小需要满足的条件。
【答案】(102v ;20mv qE (2)0(21)EB v ≥【解析】 【详解】(1)由动能定理有:2220011222mv qE mv mv qE ⋅=- 解得:v 2v 0设此时粒子的速度方向与y 轴负方向夹角为θ,则有cosθ=022v v =解得:θ=45° 根据tan 21xyθ=⋅=,所以粒子进入磁场时位置到坐标原点的距离为PO 两点距离的两倍,故20mv x qE=(2)要使粒子由第Ⅳ象限的磁场直接回到第Ⅲ象限的电场中,其临界条件是粒子的轨迹与x 轴相切,如图所示,由几何关系有:s=R+R sinθ又:2v qvB mR=解得:(21)EBv+=故(21)EBv+≥2.如图甲所示,在直角坐标系中的0≤x≤L区域内有沿y轴正方向的匀强电场,右侧有以点(2L,0)为圆心、半径为L的圆形区域,与x轴的交点分别为M、N,在xOy平面内,从电离室产生的质量为m、带电荷量为e的电子以几乎为零的初速度从P点飘入电势差为U 的加速电场中,加速后经过右侧极板上的小孔Q点沿x轴正方向进入匀强电场,已知O、Q两点之间的距离为2L,飞出电场后从M点进入圆形区域,不考虑电子所受的重力。
(1)求0≤x≤L区域内电场强度E的大小和电子从M点进入圆形区域时的速度v M;(2)若圆形区域内加一个垂直于纸面向外的匀强磁场,使电子穿出圆形区域时速度方向垂直于x轴,求所加磁场磁感应强度B的大小和电子在圆形区域内运动的时间t;(3)若在电子从M点进入磁场区域时,取t=0,在圆形区域内加如图乙所示变化的磁场(以垂直于纸面向外为正方向),最后电子从N点飞出,速度方向与进入圆形磁场时方向相同,请写出磁场变化周期T满足的关系表达式。
个性化教学辅导教案学科:物理任课教师:授课时间:2015 年12 月113 日( 星期) 姓名年级高三性别女总课时____第_ 课教学课题带电粒子在匀强磁场中的运动教学目标1.用用左手定则判断力的方向进而确定运动轨迹2.根据运动轨迹判断圆心和半径教学重难点根据向心力和洛伦兹力解决相应的问题、根据图像解决问题教学过程一、洛伦兹力1.洛伦兹力:磁场对的作用力叫洛伦兹力.2.洛伦兹力的方向(1)判定方法左手定则:掌心——磁感线垂直穿入掌心;四指——指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向;大拇指——指向洛伦兹力的方向.(2)方向特点:F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v决定的平面(注意:洛伦兹力不做功).3.洛伦兹力的大小(1)v∥B时,洛伦兹力F=.(θ=0°或180°)(2)v⊥B时,洛伦兹力F= .(θ=90°)(3)v=0时,洛伦兹力F=.二、带电粒子在匀强磁场中的运动1.若v∥B,带电粒子不受洛伦兹力,在匀强磁场中做匀速直线运动.2.若v⊥B,带电粒子仅受洛伦兹力作用,在垂直于磁感线的平面内以入射速度v做匀速圆周运动.(自己推导一遍)三、带电粒子在有界磁场中运动的几种常见情形1.直线边界(进出磁场具有对称性,如图4所示) 原因?图42.平行边界(存在临界条件,如图5所示)图53.圆形边界(沿径向射入必沿径向射出,如图6所示)4.分析带电粒子在匀强磁场中运动的关键是:(1)画出运动轨迹;(2)确定圆心和半径;(3)利用洛伦兹力提供向心力列式.练习:1.带电荷量为+q的粒子在匀强磁场中运动,下列说法中正确的是()A.只要速度大小相同,所受洛伦兹力就相同B.如果把+q改为-q,且速度反向,大小不变,则洛伦兹力的大小、方向均不变C.洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直,磁场方向一定与电荷运动方向垂直D.粒子在只受到洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变2.如图1所示,匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,带电荷量均为q.试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向.图13.试画出图2中几种情况下带电粒子的运动轨迹.考点一 洛伦兹力和电场力性质比较1.在如图7所示宽度范围内,用场强为E 的匀强电场可使初速度为v 0的某种正粒子偏转θ角.在同样宽度范围内,若改用方向垂直于纸面向外的匀强磁场(图中未画出),使该粒子穿过该区域,并使偏转角也为θ(不计粒子的重力),问:(1)匀强磁场的磁感应强度是多大? (2)粒子穿过电场和磁场的时间之比是多大?练习1、带电粒子以初速度v 0从a 点垂直y 轴进入匀强磁场,如图8所示.运动中经过b 点,Oa =Ob ,若撤去磁场加一个与y 轴平行的匀强电场,仍以v 0从a 点垂直y 轴进入电场,粒子仍能通过b 点,那么电场强度E 与磁感应强度B 之比为( ) A .v 0 B .1 C .2v 0 D.v 02考点二 带电粒子在匀强磁场中的运动 1.圆心的确定(1)已知入射点、出射点、入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图9甲所示,P 为入射点,M 为出射点).(2)已知入射方向、入射点和出射点的位置时,可以通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨迹的圆心(如图乙所示,P 为入射点,M 为出射点).2.半径的确定:可利用物理学公式或几何知识(勾股定理、三角函数等)求出半径大小. 3.运动时间的确定:粒子在磁场中运动一周的时间为T ,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为θ时,其运动时间表示为:t =θ2πT (或t =θR v ). 例2 如图10,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)、质量为m 的粒子沿平行于直径ab 的方向射入磁场区域,射入点与ab 的距离为R2,已知粒子射出磁场与射入磁场时运动方向间的夹角为60°,则粒子的速率为(不计重力)( ) A.qBR 2m B.qBR m C.3qBR 2m D.2qBR m例3 如图12所示,在一个圆形区域内,两个方向相反且都垂直于纸面的匀强磁场分布在以直径A 2A 4为边界的两个半圆形区域Ⅰ、Ⅱ中,A 2A 4与A 1A 3的夹角为60°.一质量为m 、带电荷量为+q 的粒子以某一速度从Ⅰ区的边缘点A 1处沿与A 1A 3成30°角的方向射入磁场,随后该粒子沿垂直于A 2A 4的方向经过圆心O 进入Ⅱ区,最后再从A 4处射出磁场.已知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t ,求: (1)画出粒子在磁场Ⅰ和Ⅱ中的运动轨迹;(2)粒子在磁场Ⅰ和Ⅱ中的轨道半径R 1和R 2的比值; (3)Ⅰ区和Ⅱ区中磁感应强度的大小(忽略粒子重力).练习2、如图11,两个初速度大小相同的同种离子a 和b ,从O 点沿垂直磁场方向进入匀强磁场,最后打到屏P 上,不计重力,下列说法正确的有( )A .a 、b 均带正电B .a 在磁场中飞行的时间比b 的短C .a 在磁场中飞行的路程比b 的短D .a 在P 上的落点与O 点的距离比b 的近练习3、如图13所示,在某空间实验室中,有两个靠在一起的等大的圆柱形区域,分别存在着等大反向的匀强磁场,磁感应强度B =0.10 T ,磁场区域半径r =23 3 m ,左侧区域圆心为O 1,磁场方向垂直纸面向里,右侧区域圆心为O 2,磁场方向垂直纸面向外,两区域切点为C .今有一质量为m =3.2×10-26kg 、带电荷量为q =1.6×10-19C 的某种离子,从左侧区域边缘的A 点以速度v =1×106 m/s 正对O 1的方向垂直射入磁场,它将穿越C 点后再从右侧区域穿出.求: (1)该离子通过两磁场区域所用的时间;(2)离子离开右侧区域的出射点偏离最初入射方向的侧移距离为多大?(侧移距离指在垂直初速度方向上移动的距离)考点三 带电粒子在匀强磁场中运动的临界问题带电体进入有界磁场区域,一般存在临界问题,处理的方法是寻找临界状态,画出临界轨迹: (1)带电体在磁场中,离开一个面的临界状态是对这个面的压力为零. (2)射出或不射出磁场的临界状态是带电体运动的轨迹与磁场边界相切. 例4 如图14所示,有一个磁感应强度为B 、方向垂直纸面向里的范围足够大的匀强磁场,在磁场中的O 点有一个粒子源,能向纸面内各个方向连续不断地均匀发射速率为v 、比荷为k 的带正电粒子,PQ 是垂直纸面放置且厚度不计的挡板,挡板的P端与O点的连线跟挡板垂直.带电粒子的重力以及粒子间的相互作用力忽略不计.(1)为了使带电粒子不打在挡板上,粒子源到挡板的距离d应满足什么条件?(2)若粒子源到挡板的距离d=vkB,且已知沿某一方向射出的粒子恰好经过挡板的P点后最终又打在挡板上,求这个粒子从O点射出时的速度方向;(3)若粒子源到挡板的距离d=vkB,粒子打到挡板左、右表面上的长度之比是多少?练习4、一圆筒的横截面如图15所示,其圆心为O.筒内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B.圆筒下面有相距为d的平行金属板M、N,其中M板带正电荷,N板带等量负电荷.质量为m、电荷量为q的带正电粒子自M板边缘的P处由静止释放,经N板的小孔S以速度v沿半径SO方向射入磁场中.粒子与圆筒发生两次碰撞后仍从S孔射出,设粒子与圆筒碰撞后速度反向且没有动能损失,电荷量保持不变,在不计重力的情况下,求:(1)M、N间电场强度E的大小;(2)圆筒的半径R;(3)保持M 、N 间电场强度E 不变,仅将M 板向上平移23d ,粒子仍从M 板边缘的P 处由静止释放,粒子自进入圆筒至从S 孔射出期间,与圆筒的碰撞次数n .练习5、用绝缘细线悬挂一个质量为m 、带电荷量为+q 的小球,让它处于如图3所示的磁感应强度为B 的匀强磁场中.由于磁场的运动,小球静止在如图所示位置,这时悬线与竖直方向的夹角为α,并被拉紧,则磁场的运动速度和方向可能是( )A .v =mg Bq ,水平向左B .v =mg tan αBq ,竖直向下C .v =mg tan αBq ,竖直向上D .v =mgBq ,水平向右练习6、在真空中,半径r =3×10-2 m 的圆形区域内有匀强磁场,方向如图6所示,磁感应强度B =0.2 T ,一个带正电的粒子以初速度v 0=1×106 m/s 从磁场边界上直径ab 的一端a 点射入磁场, 已知该粒子的比荷qm=1×108 C/kg ,不计粒子重力.(1)求粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径;(2)若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角,求入射时v 0与ab 的夹角θ及粒子的最大偏转角.课后巩固签字教学主任:学生:课后记。
高中物理带电粒子在磁场中的运动解析版汇编一、带电粒子在磁场中的运动专项训练1.如图所示,在长度足够长、宽度d=5cm 的区域MNPQ 内,有垂直纸面向里的水平匀强磁场,磁感应强度B=0.33T .水平边界MN 上方存在范围足够大的竖直向上的匀强电场,电场强度E=200N/C .现有大量质量m=6.6×10﹣27kg 、电荷量q=3.2×10﹣19C 的带负电的粒子,同时从边界PQ 上的O 点沿纸面向各个方向射入磁场,射入时的速度大小均为V=1.6×106m/s ,不计粒子的重力和粒子间的相互作用.求:(1)求带电粒子在磁场中运动的半径r ;(2)求与x 轴负方向成60°角射入的粒子在电场中运动的时间t ;(3)当从MN 边界上最左边射出的粒子离开磁场时,求仍在磁场中的粒子的初速度方向与x 轴正方向的夹角范围,并写出此时这些粒子所在位置构成的图形的曲线方程. 【答案】(1)r=0.1m (2)43.310t s -=⨯ (3)3060~o o 曲线方程为222x y R +=(30.1,0.1R m m x m =≤≤) 【解析】 【分析】 【详解】(1)洛伦兹力充当向心力,根据牛顿第二定律可得2v qvB m r=,解得0.1r m =(2)粒子的运动轨迹如图甲所示,由几何关系可知,在磁场中运动的圆心角为30°,粒子平行于场强方向进入电场,粒子在电场中运动的加速度qE a m=粒子在电场中运动的时间2v t a= 解得43.310t s -=⨯(3)如图乙所示,由几何关系可知,从MN 边界上最左边射出的粒子在磁场中运动的圆心角为60°,圆心角小于60°的粒子已经从磁场中射出,此时刻仍在磁场中的粒子运动轨迹的圆心角均为60°,则仍在磁场中的粒子的初速度方向与x 轴正方向的夹角范围为30°~60° 所有粒子此时分别在以O 点为圆心,弦长0.1m 为半径的圆周上,曲线方程为22x y R += 30.1,0.1R m m x m ⎛⎫=≤≤ ⎪ ⎪⎝⎭【点睛】带电粒子在组合场中的运动问题,首先要运用动力学方法分析清楚粒子的运动情况,再选择合适方法处理.对于匀变速曲线运动,常常运用运动的分解法,将其分解为两个直线的合成,由牛顿第二定律和运动学公式结合求解;对于磁场中圆周运动,要正确画出轨迹,由几何知识求解半径2.在水平桌面上有一个边长为L 的正方形框架,内嵌一个表面光滑的绝缘圆盘,圆盘所在区域存在垂直圆盘向上的匀强磁场.一带电小球从圆盘上的P 点(P 为正方形框架对角线AC 与圆盘的交点)以初速度v 0水平射入磁场区,小球刚好以平行于BC 边的速度从圆盘上的Q 点离开该磁场区(图中Q 点未画出),如图甲所示.现撤去磁场,小球仍从P 点以相同的初速度v 0水平入射,为使其仍从Q 点离开,可将整个装置以CD 边为轴向上抬起一定高度,如图乙所示,忽略小球运动过程中的空气阻力,已知重力加速度为g .求:(1)小球两次在圆盘上运动的时间之比;(2)框架以CD为轴抬起后,AB边距桌面的高度.【答案】(1)小球两次在圆盘上运动的时间之比为:π:2;(2)框架以CD为轴抬起后,AB边距桌面的高度为222vg.【解析】【分析】【详解】(1)小球在磁场中做匀速圆周运动,由几何知识得:r2+r2=L2,解得:r=22L,小球在磁场中做圆周运的周期:T=2rvπ,小球在磁场中的运动时间:t1=14T=2Lπ,小球在斜面上做类平抛运动,水平方向:x=r=v0t2,运动时间:t22L则:t1:t2=π:2;(2)小球在斜面上做类平抛运动,沿斜面方向做初速度为零的匀加速直线运动,位移:r=2212at,解得,加速度:a=222vL,对小球,由牛顿第二定律得:a =mgsin mθ=g sinθ, AB 边距离桌面的高度:h =L sinθ=222v g;3.如图所示,坐标原点O 左侧2m 处有一粒子源,粒子源中,有带正电的粒子(比荷为qm=1.0×1010C/kg)由静止进人电压U= 800V 的加速电场,经加速后沿x 轴正方向运动,O 点右侧有以O 1点为圆心、r=0.20m 为半径的圆形区域,内部存在方向垂直纸面向里,磁感应强度大小为B=1.0×10-3T 的匀强磁场(图中未画出)圆的左端跟y 轴相切于直角坐标系原点O ,右端与一个足够大的荧光屏MN 相切于x 轴上的A 点,粒子重力不计。
(1)求粒子打到荧光屏上的位置到A 点的距离;(2)若撤去磁场在荧光屏左侧某区域加竖直向上匀强电场,电场左右宽度为2r ,场强大小E=1.0×103V/m ,粒子仍打在荧光屏的同一位置,求电场右边界到屏幕MN 的距离。
【答案】(1)0.267m (2)0.867m 【解析】 【详解】(1)粒子射入O 点时的速度v ,由动能定理得到:212qU m v =进入磁场后做匀速圆周运动,2qvB m Rv =设圆周运动的速度偏向角为α,则联立以上方程可以得到:1tan22r R α==,故4tan 3α=由几何关系可知纵坐标为y ,则tan y rα= 解得:40.26715y m m ==;(2)粒子在电场中做类平抛运动,Eq ma =,2r vt =,2112y at =,y v at = 射出电场时的偏向角为β,tan y v vβ=磁场右边界到荧光屏的距离为x ,由几何关系1tan y y xβ-=,解得:0.867x m =。
4.电子扩束装置由电子加速器、偏转电场和偏转磁场组成.偏转电场的极板由相距为d 的两块水平平行放置的导体板组成,如图甲所示.大量电子由静止开始,经加速电场加速后,连续不断地沿平行板的方向从两板正中间OO ’射入偏转电场.当两板不带电时,这些电子通过两板之间的时间为2t 0;:当在两板间加最大值为U 0、周期为2t 0的电压(如图乙所示)时,所有电子均能从两板间通过,然后进入竖直宽度足够大的匀强酸场中,最后打在竖直放置的荧光屏上.已知磁场的水平宽度为L ,电子的质量为m 、电荷量为e ,其重力不计.(1)求电子离开偏转电场时的位置到OO ’的最远位置和最近位置之间的距离 (2)要使所有电子都能垂直打在荧光屏上, ①求匀强磁场的磁感应强度B②求垂直打在荧光屏上的电子束的宽度△y 【答案】(1)2010U e y t dm ∆= (2)①00U t B dL =②2010U e y y t dm∆=∆= 【解析】 【详解】(1)由题意可知,从0、2t 0、4t 0、……等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO ′的距离最大,在这种情况下,电子的最大距离为:2222000max 00000311222y U e U e U e y at v t t t t dm dm dm=+=+= 从t 0、3t 0、……等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO ′的距离最小,在这种情况下,电子的最小距离为:220min 001122U e y at t dm== 最远位置和最近位置之间的距离:1max min y y y ∆=-,2010U e y t dm∆=(2)①设电子从偏转电场中射出时的偏向角为θ,由于电子要垂直打在荧光屏上,所以电子在磁场中运动半径应为:sin L R θ=设电子离开偏转电场时的速度为v 1,垂直偏转极板的速度为v y ,则电子离开偏转电场时的偏向角为θ,1sin y v v θ=,式中00y U ev t dm = 又:1mv R Be=解得:00U t B dL=②由于各个时刻从偏转电场中射出的电子的速度大小相等,方向相同,因此电子进入磁场后做圆周运动的半径也相同,都能垂直打在荧光屏上.由第(1)问知电子离开偏转电场时的位置到OO ′的最大距离和最小距离的差值为△y 1, 所以垂直打在荧光屏上的电子束的宽度为:2010U e y y t dm∆=∆=5.如图所示,虚线MN 为匀强电场和匀强磁场的分界线,匀强电场场强大小为E 方向竖直向下且与边界MN 成θ=45°角,匀强磁场的磁感应强度为B ,方向垂直纸面向外,在电场中有一点P ,P 点到边界MN 的竖直距离为d 。
现将一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子从P 处由静止释放(不计粒子所受重力,电场和磁场范围足够大)。
求:(1)粒子第一次进入磁场时的速度大小;(2)粒子第一次出磁场处到第二次进磁场处的距离;(3)若粒子第一次进入磁场后的某时刻,磁感应强度大小突然变为'B ,但方向不变,此后粒子恰好被束缚在该磁场中,则'B 的最小值为多少?【答案】(1)2qEdm=v 2)42CA x d =(3)('222B B = 【解析】 【详解】(1)设粒子第一次进入磁场时的速度大小为v ,由动能定理可得212qEd mv =, 解得2qEdv m=(2)粒子在电场和磁场中的运动轨迹如图所示,粒子第一次出磁场到第二次进磁场,两点间距为CA x由类平抛规律x vt =,212Eq y t m=由几何知识可得x=y ,解得2mdt Eq=两点间的距离为2CA x vt ,代入数据可得42CA x d =(3)由2mv qvB R=可得mv R qB =,即12mEd R B q =由题意可知,当粒子运动到F 点处改变磁感应强度的大小时,粒子运动的半径又最大值,即'B 最小,粒子的运动轨迹如图中的虚线圆所示。
设此后粒子做圆周运动的轨迹半径为r ,则有几何关系可知22r R += 又因为'mv r qB =,所以'mvB qr=,代入数据可得()'222B B =-6.如图,第一象限内存在沿y 轴负方向的匀强电场,电场强度大小为E ,第二、三、四象限存在方向垂直xOy 平面向外的匀强磁场,其中第二象限的磁感应强度大小为B ,第三、四象限磁感应强度大小相等,一带正电的粒子,从P (-d ,0)点沿与x 轴正方向成α=60°角平行xOy 平面入射,经第二象限后恰好由y 轴上的Q 点(图中未画出)垂直y 轴进入第一象限,之后经第四、三象限重新回到P 点,回到P 点时速度方向与入射方时相同,不计粒子重力,求:(1)粒子从P 点入射时的速度v 0; (2)第三、四象限磁感应强度的大小B /;【答案】(1)3EB(2)2.4B 【解析】试题分析:(1)粒子从P 点射入磁场中做匀速圆周运动,画出轨迹如图,设粒子在第二象限圆周运动的半径为r ,由几何知识得: 2360d d dr sin sin α===︒ 根据200mv qv B r =得0233qBdv m=粒子在第一象限中做类平抛运动,则有21602qE r cos t m -︒=(); 00y v qEt tan v mv α==联立解得03Ev B=(2)设粒子在第一象限类平抛运动的水平位移和竖直位移分别为x 和y ,根据粒子在第三、四象限圆周运动的对称性可知粒子刚进入第四象限时速度与x 轴正方向的夹角等于α.则有:x=v 0t , 2y v y t =得03222y v y tan x v α===由几何知识可得 y=r-rcosα= 132r = 则得23x d =所以粒子在第三、四象限圆周运动的半径为125323d d R sin α⎛⎫+ ⎪⎝⎭==粒子进入第三、四象限运动的速度00432v qBdv v cos α===根据2'v qvB m R=得:B′=2.4B考点:带电粒子在电场及磁场中的运动7.如图所示,三块挡板围成截面边长L =1.2m 的等边三角形区域,C 、P 、Q 分别是MN 、AM 和AN 中点处的小孔,三个小孔处于同一竖直面内,MN 水平,MN 上方是竖直向下的匀强电场,场强E =4×10-4N /C .三角形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B 1;AMN 以外区域有垂直纸面向外, 磁感应强度大小为B 2=3B 1的匀强磁场.现将一比荷q/m =105C/kg 的帯正电的粒子,从O 点由静止释放,粒子从MN 小孔C 进入内部匀强磁场,经内部磁场偏转后直接垂直AN 经过Q 点进入外部磁场.已知粒子最终回到了O 点,OC 相距2m .设粒子与挡板碰撞过程中没有动能损失,且电荷量不变,不计粒子重力,不计挡板厚度,取π=3.求:(1) 磁感应强度B 1的大小;(2) 粒子从O 点出发,到再次回到O 点经历的时间;(3) 若仅改变B 2的大小,当B 2满足什么条件时,粒子可以垂直于MA 经孔P 回到O 点(若粒子经过A 点立即被吸收). 【答案】(1)51210T 3B -=⨯;(2)-22.8510s t =⨯;(3)524210T 3k B -+=⨯' 【解析】 【详解】(1) 粒子从O 到C 即为在电场中加速,则由动能定理得:212Eqx mv = 解得v =400 m/s带电粒子在磁场中运动轨迹如图所示.由几何关系可知 10.6m 2LR == 由211v qvB m R =代入数据得 51210T 3B -=⨯ (2)由题可知 B 2=3B 1=2×10-5 T211v qvB m R =则 120.2m 3R R == 由运动轨迹可知:进入电场阶段做匀加速运动,则112x vt = 得到 t 1=0.01 s粒子在磁场B 1中的周期为 112mT qB π=则在磁场B 1中的运动时间为 3211310s 3t T -==⨯ 在磁场B 2中的运动周期为 222mT qB π= 在磁场B 2中的运动时间为3-3321803001801110s 5.510s 3606t T π-︒+︒+︒==⨯=⨯︒则粒子在复合场中总时间为:3-21231722010s 2.8510s 6t t t t π-⎛⎫=++=+⨯=⨯ ⎪⎝⎭(3)设挡板外磁场变为'2B ,粒子在磁场中的轨迹半径为r ,则有 2'2v qvB m r=根据已知条件分析知,粒子可以垂直于MA 经孔P 回到O 点,需满足条件()212Lk r =+其中 k =0、1、2、3…… 解得524210T 3k B -+=⨯'8.如图所示,真空中有一个半径r=0.5m 的圆柱形匀强磁场区域,磁场的磁感应强度大小B=2×10-3T ,方向垂直于纸面向外,x 轴与圆形磁场相切于坐标系原点O ,在x=0.5m 和x=1.5m 之间的区域内有一个方向沿y 轴正方向的匀强电场区域,电场强E=1.5×103N/C ,在x=1.5m 处竖有一个与x 轴垂直的足够长的荧光屏,一粒子源在O 点沿纸平面向各个方向发射速率相同、比荷9110qm=⨯C/kg 的带正电的粒子,若沿y 轴正方向射入磁场的粒子恰能从磁场最右侧的A 点沿x 轴正方向垂直进入电场,不计粒子的重力及粒子间的相互作用和其他阻力.求:(1)粒子源发射的粒子进入磁场时的速度大小;(2)沿y 轴正方向射入磁场的粒子从射出到打到荧光屏上的时间(计算结果保留两位有效数字);(3)从O 点处射出的粒子打在荧光屏上的纵坐标区域范围.【答案】(1)61.010/v m s =⨯;(2)61.810t s -=⨯;(3)0.75 1.75m y m ≤≤ 【解析】 【分析】(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,由几何关系确定半径,根据2v qvB m R=求解速度;(2)粒子在磁场中运动T/4,根据周期求解在磁场中的运动时间;在电场中做类平抛运动,根据平抛运动的规律求解在电场值的时间;(3)根据牛顿第二定律结合运动公式求解在电场中的侧移量,从而求解从O 点处射出的粒子打在荧光屏上的纵坐标区域范围. 【详解】(1)由题意可知,粒子在磁场中的轨道半径为R=r=0.5m ,由2v qvB mR= 进入电场时qBR v m = 带入数据解得v=1.0×106m/s(2)粒子在磁场中运动的时间61121044R t s v ππ-=⨯=⨯ 粒子从A 点进入电场做类平抛运动,水平方向的速度为v ,所以在电场中运动的时间62 1.010xt s v-==⨯ 总时间6612110 1.8104t t t s s π--⎛⎫=+=+⨯=⨯⎪⎝⎭(3)沿x 轴正方向射入电场的粒子,在电场中的加速度大小121.510/qEa m s m==⨯ 在电场中侧移:2121261111.5100.7522110y at m m ⎛⎫==⨯⨯⨯= ⎪⨯⎝⎭打在屏上的纵坐标为0.75;经磁场偏转后从坐标为(0,1)的点平行于x 轴方向射入电场的粒子打在屏上的纵坐标为1.75;其他粒子也是沿x 轴正方向平行的方向进入电场,进入电场后的轨迹都平行,故带电粒子打在荧光屏上 的纵坐标区域为0.75≤y ≤1.75.9.如图所示,在矩形区域abcd 内充满垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B 。