磁场几何规律
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高三_______班第______小组姓名:___________
的区域内存在匀强磁场,
练习3如图4所示,在边界为CD、EF的狭长区域内,匀强磁场
的磁感应强度为B,方向垂直纸而向里,磁场区域宽度为d,电子
以不同的速率v从边界CD的S处沿垂直磁场方向射入磁场,入射
方向与CD的夹角为θ.已知电子的质量为m,带电量为e。
为使电
子能从另一边界EF射出,电子的速率应满足什么条件?(不计重
力)
归纳总结:
练习4 在真空中半径的圆形区域内有匀强磁场,其边界跟y轴在坐标原点O处相切,磁场B=0.3T垂直于纸面向里,在O处有一放射源S可沿纸面向各个方向射出速率均为
的带正电的粒子,已知粒子荷质比为,则粒子在磁场中运动的最长时间t有多大?归纳总结:
练习5 如图10所示,在第Ⅰ象限内有垂直纸面向里的匀强磁场。
一对正、负电子分别以相同速率,沿与x轴成30°角的方向从原点射入磁场,则正、负电子在磁场中运动的时间之比为()
归纳总结:
练习6如图9所示,一束电子(质量为m,电量为e)以速度v0沿水平方
向由S点射入垂直于纸面向里,磁感应强度为B,而宽度为d的匀强磁场。
射出磁场时的速度方向与竖直边界成30°,则穿过磁场所用的时间是
________________。
归纳总结:。
有界磁场几何关系是物理学中磁场的一个重要概念,对于高中生学习磁场理论是一个非常重要的知识点。
本文将从高二物理课程的角度出发,帮助学生理解有界磁场几何关系的实例,并探讨其物理意义及应用。
一、有界磁场的基本概念有界磁场是指一个磁场被某种形状的物体所限制,使得磁场只存在于该物体所限制的区域内。
在高二物理课程中,通常会通过实验和图形来展示有界磁场的基本概念,学生可以利用右手定则和磁力线的性质来理解有界磁场的形状和分布。
1. 实验示例:学生可以利用螺线管和铁屑进行实验,观察铁屑在螺线管周围的排列情况,从而理解磁场线的分布规律和磁力线在有界磁场中的性质。
2. 图形展示:通过绘制磁力线图,帮助学生直观地理解有界磁场的形状和分布特点,同时能够培养学生对于磁场几何关系的直观感受和理解能力。
二、有界磁场的几何关系有界磁场的几何关系是指磁场在受到物体限制时,其形状和分布的特点。
在高二物理课程中,教师可以通过实例和问题引导学生深入理解有界磁场几何关系,并探讨有界磁场与电流、电磁感应等现象的通联。
1. 有界磁场的几何形状:学生可以通过观察实验装置或者图形展示,认识不同形状物体对磁场的限制作用,从而理解磁场的几何形状与物体形状的关系。
2. 磁场通量的计算:通过举例分析,教师可以引导学生计算不同形状的物体内的磁场通量,从而理解有界磁场几何关系与磁场通量的物理意义和计算方法。
三、实例理解有界磁场几何关系以下将通过实例分析,帮助学生深入理解有界磁场几何关系的具体应用和物理意义。
1. 圆柱形状的有界磁场实例分析:以圆柱形状的有界磁场为例,引导学生分析磁场在圆柱表面和内部的分布特点,同时讨论磁场通量与圆柱表面积的关系。
2. 磁芯在变压器中的应用:通过介绍变压器中磁芯的设计原理和作用,帮助学生理解有界磁场几何关系在电磁感应中的应用,同时引导学生关注磁场在变压器中的分布规律和能量转换过程。
3. 磁场在电子设备中的应用:通过介绍电子设备中磁场控制技术的应用实例,引导学生认识有界磁场几何关系在实际生活和工程中的重要性,激发学生对物理学知识的兴趣和探索欲望。
带电粒子在匀强磁场中运动的规律总结、画图分析技巧本文适用于高三学生复习参考、或者高二(已学习带电粒子在匀强磁场中的运动相关章节内容)的学生。
文中系统总结了带电粒子在匀强磁场中运动的相关知识点,列举了这类问题常用的方法技巧,比如,找半径的方法,粒子轨迹圆心的确定方法,周期的算法,粒子运动时间的算法;超出书本之外的方法技巧:如常用的画圆弧技巧,需要用到的几何知识,粒子运动最长时间最短时间的确定方法,磁聚焦类问题规律方法,并附有相关例题,以及详细的画图(附手绘画图步骤)、解析过程。
详见如下具体内容,谨供有需要的学生参考。
一些用红色字迹显示的结论,可以在理解的基础上记忆。
目录一、带电粒子在匀强磁场中运动的基本知识点:半径公式、周期公式、运动时间公式、圆心的确定方法 (2)二、基本画图技巧 (2)三、常用画图相关几何知识、规律1.对称性的应用(1)直线边界磁场(附证明过程) (3)(2)圆形边界磁场(附证明过程) (4)2.缩放圆法 (5)3.旋转圆法 (5)四、粒子在有界磁场中运动过程的最长、最短时间的确定方法 (5)五、磁聚焦类问题原理(附详细证明过程)、规律与分析方法 (6)六、带电粒子在磁场中运动的多解情形举例 (8)七、精选带电粒子在匀强磁场中运动例题,附手绘画图步骤、分析过程、解答过程……………………………………………………9—23一、带电粒子在匀强磁场中运动的基本知识点:半径公式、周期公式、运动时间公式(并附有推理过程)、圆心的确定方法1.基本知识点:物理情景模型:以下内容只讨论匀强磁场。
当带电粒子以一定的初速度v 沿垂直磁场方向进入匀强磁场时,带电粒子只受洛伦兹力,洛伦兹力与粒子运动的速度方向总是垂直的,因此,洛伦兹力只改变粒子的速度方向,不改变粒子运动的速度大小,由F 洛=qvB ,可知,v 大小不变,F 洛大小也不变,如右图,这一特征符合物体做匀速圆周运动的动力学特征——向心力总与物体运动的速度方向垂直,只改变速度方向,不改变速度大小。
高中物理磁场中的毕奥-萨伐尔定律高中物理磁场中的毕奥萨伐尔定律在高中物理的学习中,磁场是一个十分重要的概念,而毕奥萨伐尔定律则是描述磁场产生的基本规律之一。
理解并掌握毕奥萨伐尔定律,对于我们深入认识磁场的本质和特性具有至关重要的意义。
那么,什么是毕奥萨伐尔定律呢?简单来说,毕奥萨伐尔定律是用来计算电流元在空间中产生的磁场的大小和方向的。
我们先来看一下这个定律的数学表达式。
毕奥萨伐尔定律表述为:电流元 Idl 在空间某点 P 处产生的磁感应强度 dB 的大小与电流元的大小 Idl、电流元到 P 点的距离 r 的平方成反比,与电流元 Idl 和矢径 r 之间的夹角的正弦成正比,其方向垂直于 Idl 和 r 所组成的平面,并且遵循右手螺旋定则。
为了更直观地理解这个定律,我们来举一个简单的例子。
假设有一根直导线,通有电流 I。
我们想要知道这根导线在周围空间某一点产生的磁场强度。
我们可以把这根导线分割成无数个小段,每一小段都可以看作是一个电流元。
对于每一个电流元,我们都可以根据毕奥萨伐尔定律计算出它在该点产生的磁场强度。
然后,把所有电流元在该点产生的磁场强度进行矢量叠加,就可以得到这根导线在该点产生的总的磁场强度。
在实际计算中,我们常常会用到一些常见的几何关系和三角函数来简化计算。
比如说,如果电流元与矢径的夹角为 90 度,那么sinθ = 1,计算就会相对简单一些。
毕奥萨伐尔定律的应用非常广泛。
比如说,在计算环形电流在中心轴线上产生的磁场时,我们就可以利用这个定律。
对于一个环形电流,我们同样可以把它分成无数个小段电流元。
通过毕奥萨伐尔定律计算每个电流元在中心轴线上一点产生的磁场强度,然后进行矢量叠加,就可以得到环形电流在中心轴线上产生的磁场强度的表达式。
再比如,在分析螺线管内部的磁场时,也离不开毕奥萨伐尔定律。
螺线管是由很多圈环形电流组成的。
通过对每一圈环形电流应用毕奥萨伐尔定律,并考虑它们的叠加效果,我们可以得出螺线管内部磁场的分布规律。
磁聚焦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。
1、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qBRvm,沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上2、如图所示,长方形abed的长ad=0.6m,宽ab=0.3m,O、e分别是ad、bc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Od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=3×10-7kg、电荷量q=+2×10-3C的带正电粒子以速度v=5×102m/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ab边D.从ad边射人的粒子,出射点全部通过b点3、在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域,圆心坐标为O1(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,一质量为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O1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θ=300射入第一象限,求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总时间t。
高中物理磁场条形边界中相切临界的几何关系1.在一个磁场条形边界中,相切临界的几何关系涉及到磁场的方向和强度的变化。
In a magnetic field with a square boundary, the geometric relationship of critical touch involves changes in thedirection and strength of the magnetic field.2.相切临界是指磁场的边界上磁感应强度的大小和方向相等的点。
Critical touch refers to points where the magnitude and direction of magnetic induction on the boundary of the magnetic field are equal.3.磁场条形边界中发生相切临界时,磁场的变化形状呈现出特定的几何关系。
When critical touch occurs in a square boundary of a magnetic field, the changing shape of the magnetic field exhibits a specific geometric relationship.4.临界的磁场形状通常是由磁力线和等磁感应强度的等势线共同决定的。
The shape of the critical magnetic field is usually determined by the magnetic lines of force and equipotential lines with equal magnetic induction.5.这种几何关系在磁场条形边界的转折点处尤为显著。
This geometric relationship is particularly significantat the inflection points of the square boundary of the magnetic field.6.相切临界的现象使我们能够更好地理解磁场的分布规律和特性。
磁场中的环路定理公式《磁场中的环路定理公式》磁场是物理学中重要的概念之一,它在许多领域中都扮演着关键的角色。
要理解磁场的性质和行为,我们需要掌握一些基本的物理定律。
其中之一就是环路定理,它是描述磁场中电流环路的性质的重要公式。
环路定理是由法国物理学家奥斯丁-安培提出的,他在19世纪中叶研究电磁现象时发现了这个重要的定理。
环路定理也被称为安培环路定理,它关注的是沿着闭合电流环路的磁场积分的性质。
根据环路定理,闭合电流环路中的磁场积分等于该环路内的电流总和乘以真空中的磁导率。
更具体地说,如果我们将一个平面闭合电流环路的周长记为C,电流记为I,磁场记为B,则根据环路定理公式可得:∮B·ds = μ₀I其中,∮表示对经过整个闭合环路上的磁场进行积分,B·ds表示磁场在每一个微小长度元素ds上的法向量与该长度元素之间的点积,μ₀是真空中的磁导率,约等于4π×10⁻⁷T·m/A。
这个公式非常有用,因为它描述了磁场对电流的作用。
它告诉我们,当电流通过一个闭合环路时,这个环路内的磁场的总和与通过该环路的电流成正比。
这意味着磁场的强度取决于电流的大小和环路的几何形状。
环路定理的另一个重要推论是安培定律,它描述了磁场弧积分的性质。
根据安培定律,如果我们在磁场中取一段路径l,并将该路径的弧长元素记为dl,那么沿路径l的磁场弧积分等于该路径上的电流元素I·dl的代数和。
也就是说,磁场弧积分等于电流元素的总和。
磁场中的环路定理公式是研究磁场行为的重要工具。
它揭示了磁场与电流之间的紧密联系,有助于我们理解和掌握磁场的性质和规律。
通过应用环路定理公式,我们可以计算磁场的强度、方向和分布,进而解决各种与磁场有关的问题和应用。
总之,《磁场中的环路定理公式》是描述磁场中电流环路特性的重要工具,它告诉我们闭合电流环路中的磁场积分等于该环路内的电流总和乘以真空中的磁导率。
通过理解和应用这个公式,我们可以深入研究磁场的性质,推导出其他重要的磁场定律,并应用于各种实际问题当中。
永久磁铁缝隙处磁场分布规律
永久磁铁是一种具有永久磁性的物体,其在缝隙处的磁场分布规律是由其磁化强度和几何形状决定的。
首先,永久磁铁的磁化强度是指其单位面积内的磁通量密度。
在缝隙处,由于永久磁铁两侧的南北极之间存在一定距离,因此缝隙处的磁场并不均匀。
通常情况下,缝隙处的磁场最强点位于永久磁铁两侧中心线上,而逐渐减弱直至消失。
其次,永久磁铁的几何形状也会影响缝隙处的磁场分布规律。
例如,若永久磁铁为圆柱形,则其缝隙处的磁场分布规律为中心线上最强、逐渐减弱直至消失;若为方形,则在四个角上会出现较大的局部最大值。
需要注意的是,在实际应用中,由于制造工艺和材料等因素影响,永久磁铁在不同位置处可能存在微小差异,因此需要进行精确的测试和计算。
综上所述,永久磁铁缝隙处的磁场分布规律是由其磁化强度和几何形状决定的,通常为中心线上最强、逐渐减弱直至消失,并受到制造工艺和材料等因素的影响。
几何磁阻效应的原理和应用什么是几何磁阻效应?几何磁阻效应是指当磁场通过由导体构成的几何形状时,磁场会在导体中产生阻力,从而使磁场的分布发生改变的现象。
这种效应是由导体形状对磁场的导向和分布产生影响所引起的。
几何磁阻效应的原理几何磁阻效应的原理可以通过以下几个方面来解释:1.磁感线的聚束效应:当磁场线通过由导体构成的几何形状时,磁感线会被几何形状的边缘聚束,从而导致磁感线的磁场分布发生变化。
这种聚束效应会产生一种阻力,在导体中形成分布不均匀的磁场。
2.磁场的改变引起电流的变化:根据法拉第电磁感应定律,当导体中的磁通量发生变化时,会在导体中产生感应电动势,从而引起电流的产生。
几何磁阻效应中磁场的改变会导致磁通量的变化,从而产生感应电动势和电流。
3.磁场的切线作用力:根据安培力定律,当导体中有电流通过时,电流会受到磁场的作用力。
在几何磁阻效应中,由于磁场的分布不均匀,导致电流受到不同方向和大小的磁场作用力,从而在导体中产生阻力。
几何磁阻效应的应用由于几何磁阻效应的特殊性质,它在许多领域中得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用:1.电流传感器:几何磁阻效应可以用于电流传感器中,通过测量导体中产生的感应电动势来检测电流的大小。
这种传感器可以用于电力系统中的电流测量和保护,能够实现非接触、高精度和快速响应的电流检测。
2.磁力计:由于几何磁阻效应中磁场的改变引起的电流变化,可以将几何形状内的磁场变化转化为电流变化。
通过测量导体中感应电流的大小,可以得到磁场的强度和方向信息,从而实现磁力测量和磁场成像。
3.磁电阻传感器:几何磁阻效应可用于磁电阻传感器中,通过测量材料中感应电阻的变化来检测磁场的强度和方向。
磁电阻传感器具有体积小、响应速度快和精度高的特点,广泛应用于磁记录、汽车电子和医疗设备等领域。
4.磁存储器件:几何磁阻效应可用于磁存储器件中,通过改变导体几何形状或磁场的方向和强度来改变磁存储单元中的磁态。
这种技术可以实现高密度、低功耗和快速读写的磁存储器件,被广泛应用于计算机和移动设备中。
载流圆线圈轴线上磁场分布载流圆线圈是电磁学中常见的元件,它在物理学、电子工程、机械制造等领域都有广泛的应用。
在使用过程中,掌握其轴线上的磁场分布规律对于设计和优化电路至关重要,下面我们来详细了解一下。
一、载流圆线圈轴线上的磁场分布规律在不考虑通电电流瞬间的变化和电流密度分布均匀的情况下,载流圆线圈轴线上的磁场分布规律可以简化为以下形式:1. 轴线垂直线圈的平面上,磁场呈旋转对称的环形分布,方向垂直于圆线圈的平面。
2. 环形磁场的大小与圆线圈电流大小成正比,与线圈半径成反比。
3. 环形磁场大小沿轴线方向变化不大,但是随着垂直轴线的距离增加而迅速消失。
二、磁场分布规律的解释对于第一点,环状对称分布的磁场是由于圆线圈中的每一段导线产生的磁场都是环形的,而这些磁场在轴线上的叠加形成了旋转对称的环形磁场。
对于第二点,磁场大小与电流大小成正比是由于根据比奥-萨伐尔定律,电流越大产生的磁场也越大;而与线圈半径成反比是因为如果圆线圈的半径太大,那么磁场就会分散而变小。
对于第三点,沿轴线方向变化不大是因为在轴线上,向心的磁场相互抵消导致磁场接近于0,而随着垂直轴线的距离增加磁场迅速消失是因为远离导线磁场的影响变得微弱。
为了进一步了解载流圆线圈轴线上的磁场分布规律,我们可以使用几何光学的方法来推导。
三、几何光学法解释载流圆线圈轴线上的磁场分布规律我们可以将载流圆线圈看作是由无数个短导线组成的,每个导线所产生的磁场中心位于圆线圈平面内,以导线为轴线在平面外扩展形成一个环形磁场。
当所有的导线产生的磁场叠加在一起时,它们就在轴线上形成了一个环状的磁场。
假设每根导线所产生的环形磁场有同样大小,将圆线圈轴向分成若干段,每一段的长度为dl,圆线圈中所有导线的电流大小为I,则每根导线所产生的磁场大小dB可以表示为:$$dB=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\cdot dl}{r^2}$$其中,$\mu_0$是真空磁导率,r是导线到轴线的距离。
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 。
物理经典模型(五:磁场偏转)[概述]:带电粒子在垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动。
但从近年的高考来看,带电粒子垂直进入有界磁场中发生偏转更多,其中运动的空间还可以是组合形式的,如匀强磁场与真空组合、匀强磁场、匀强电场组合等,这样就引发出临界问题、数学等诸多综合性问题。
[要点]:从圆的完整性来看:完整的圆周运动和一段圆弧运动,即不完整的圆周运动。
无论何种问题,其重点均在圆心、半径的确定上,而绝大多数的问题不是一个循环就能够得出结果的,需要有一个从定性到定量的过程。
回旋模型三步解题法:①画轨迹:已知轨迹上的两点位置及其中一点的速度方向;已知轨迹上的一点位置及其速度方向和另外一条速度方向线。
②定圆心:(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(如图甲所示,图中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).③找联系:③利用带电粒子只受洛伦兹力时遵循的半径及周期公式联系速度与轨道半径相联系:往往构成一个直角三角形,可用几何知识(勾股定理或用三角函数)已知角度与圆心角相联系:常用的结论是“一个角两边分别与另一个角的两个边垂直,两角相等”;圆心角与速度偏向角的关系;时间与周期相联系:(或)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,如图所示) (2)平行边界(存在临界条件,如图所示)(3)圆形边界(沿径向射入必沿径向射出,如图所示)[误区]:洛伦兹力永远与速度垂直、不做功;重力、电场力做功与路径无关,只由初末位置决定,当重力、电场力做功不为零时,粒子动能变化。
因而洛伦兹力也随速率的变化而变化,洛伦兹力的变化导致了所受合外力变化,从而引起加速度变化,使粒子做变加速运动。
带电粒子在磁场中运动的“圆心”及几何关系的确定一、运动性质带电粒子以不同方向进入磁场,运动性质将会不一样,有三种情况.1.平行磁场进入(v∥B)平行进入,不受洛伦兹力作用,粒子做匀速直线运动.2.垂直磁场进入(v⊥B)洛伦兹力与速度始终垂直,充当向心力,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.由qvB=mv²/r(洛伦兹力提供向心力)得到r=mv/qB=P/mv(P为动量)由qvB=m(2π/T)²r得到T=2πm/qB或者T=2πr/v不完整的部分圆周运动时间为t=θm/qm或者t=θr/v(θ为圆心角或者速度偏转角,运动时间只取决于圆心角或者偏转角,与速度无关)角度关系:圆心角=速度偏转角=2×弦切角3.既不垂直也不平行进入磁场把速度分解为沿磁场方向和垂直磁场方向.平行磁场方向速度分量为v∥=v·sinθ,垂直磁场方向速度分量为v⊥=v·cosθ.平行磁场方向将做匀速直线运动,垂直磁场方向将做匀速圆周运动,旋转半径为r=mv⊥/qB=mv·sinθ/qB.合运动为等距螺旋式运动,轨迹类似弹簧状.二、基本公式由qvB=mv²/r得到:半径公式:r=mv/qB周期公式:T=2πr/v=2πm/qB时间公式:t=θm/qB速度偏转角φ(偏向角)=圆心角α=2×弦切角θ(位移偏角)三、临界条件轨迹圆与边界相切或者刚好过边界端点.四、多解性五、处理步骤1.定圆心:3线法确定圆心,速度垂线、弦中垂线、角平分线.2.找半径:利用几何知识找到半径.3.画轨迹:实质就是轨迹圆与磁场边界相切、相交问题.4.建关系:利用勾股定理,三角函数等知识求出几何半径,几何半径等于物理半径,即r=mv/qB.5.算时间:t=θm/qB六、处理方法1.放缩圆法2.旋转圆法3.平移圆法。
带电粒子在复合场运动的几何技巧
一、对称法
由直线边界射入又射出——则其轨迹对称,且入射方向与出射方向与边界的夹角相等(如图1);
由圆形边界的射入——径向射入则径向射出(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?
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 子以速度v
=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。
二、旋转圆法
向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。
例3.如图8所示,S为电子源,它在纸面360°度范围内发射速度大小为v0,质量为m,电量为q的电子(q<0),MN是一块足够大的竖直挡板,与S的水平距离为L,挡板左侧充满垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为
mv
/qL,求挡板被电子击中的范围为多大?
例4.如图10所示,一电子源在匀强磁场B中,以速度
沿各个方向发射电子。
所有电子均在磁场中运动且并未射
v
出磁场。
已知电子电荷为e,质量为m。
求:匀强磁场面积
的最小值。
三、缩放圆法
带电粒子以大小不同,方向相同的速度垂直射入匀强磁场
中,作圆周运动的半径随着速度的变化而变化,因此其轨迹为
半径缩放的动态圆(如图12),利用缩放的动态圆,可以探索
出临界点的轨迹,使问题得到解决。
例5.如图13所示,匀强磁场中磁感应强度为B,宽度为d,一电子从左边界垂直匀强磁场射入,入射方向与边界的夹角为θ,已知电子的质量为m,电量为e,要使电子能从轨道的另一侧射出,求电子速度大小的范围。
例6.(2010全国II卷)如图15所示,左边有一对平行金属板,两板的距离为d,电压为U,两板间有匀强磁场,磁感应强度为B0,方面平行于板面并垂直纸面朝里。
图中右边有一边长为a的正三角形区域EFG(EF边与金属板垂直),在此区域内及其边界上也有匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里。
假设一系列电荷量为q的正离子沿平行于金属板面、垂直于磁场的方向射入金属板之间,沿同一方向射出金属板间的区域,并经EF边中点H射入磁场区域。
不计重力。
(1)已知这些离子中的离子甲到达边界EG后,从边界EF穿出磁场,求离子甲的质量;
(2)已知这些离子中的离子乙从EG边上的I点(图中未画出)穿出磁场,且GI长为3a/4,求离子乙的质量;
(3)若这些离子中的最轻离子的质量等于离子甲质量的一半,而离子乙的质量是最大的,问磁场边界上什么区域内可能有离子到达?
四、临界法
以题目中的“恰好”“最大”“最高”“至少”等词语为突破口,借助半径r和速度v以及磁场B之间的约束关系进行动态轨迹分析,确定轨迹圆和边界的关系,找出临界点,然后利用数学方法求解极值,画出临界点的轨迹是解题的关键。
例7.长为L的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁场,如图19所示,磁感应强度为B,板间距离也为L,两极板不带电,现有质量为m电量为q的带负电粒子(不计重力)从左边极板间中点处垂直磁感线以水平速度v射入磁场,欲使粒子打到极板上,求初速度的范围。
例8.如图22,一足够长的矩形区域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边中点O射出与Od边夹角为30°,大小为v
的带电粒子,已知粒子质量为m,电量为q,ad边长为L,ab边足够长,
粒子重力忽略不计。
求:
的大小范围;
(1)试求粒子能从ab边上射出磁场的v
(2)粒子在磁场中运动的最长时间和在这种情况下粒子从磁场中射出所在边上位置的范围。
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