带电粒子在有界磁场中运动的时间

带电粒子在有界磁场运动的临界问题

课题：带电粒子在有界磁场运动的临界问题

物理课组

上课时间：2016年3月29日周二下午第一节地点：图书馆一楼班级：高三21班

教学目的：学会处理带电粒子在有界磁场运动的临界问题

重点难点：重点讲解带电粒子在方形、圆形有界磁场运动。难点为临界点寻找。 授课过程：

旧课复习：带电粒子在磁场中运动，讨论了圆心的确定、半径的确定、周期的确定。R=mv/qBT=2πm/qB（板书）

新课引入：磁场变化可以以矩形（或单边）磁场、圆形磁场存在；根据R=mv/qB对同一个粒子，可以以不同速度（速度大小跟防线）讨论临界问题。因此考试题目中有不同已知条件，导致题目千变万化。 新课讲解：

一、解题方法

画图→动态分析→找临界轨迹。（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算。）

二、常见题型（B为磁场的磁感应强度，v0为粒子进入磁场的初速度） 探究问题一：“放缩法”求解临界问题

例1.真空中宽为d的区域内有强度为B的匀强磁场，方向垂直纸面向里，质量为m、带电量为-q的粒子以与CD成θ角的速度v0垂直射入磁场中。要使粒子必能从EF射出，则

(1)初速度v0？至少为多大？(2)EF上有粒子射出的区域？

教师处理方式：学生讲解、教师总结

带电粒子在有界磁场中的运动及其临界问题

1、如图所示，一束质子沿同方向从正方形的顶点a射入匀强磁场，分成两部分，分别从bc边和cd边的中点e、f点射出磁场，求两部分质子的速度之比。

2、如图所示一电子（电荷量为e）以速度v垂直射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，穿透磁场时速度方向与电子原来入射方向夹角为300，则电子做圆周运动的半径为 ，电子的质量为 ，运动时间为 。

3、如图所示，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，?MON?1200时，求：带电粒子在磁场区域的偏转

半径R及在磁场区域中的运动时间。 4、

4、如图直线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？

5、如图所示，正方形区域abcd中充满匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一个氢核从ad边的中点m沿着既垂直于ad边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从ab边中点n

射出磁场。若将磁场的磁感应强度变为原来的2倍，其他条件不变，则这个氢

专 题 带电粒子在有界磁场中的运动

【教学目标】

1．掌握带电粒子在匀强磁场中运动问题的一般解题思路 2．学会分析带电粒子在有界磁场中的临界、极值问题 3．掌握解决带电粒子在有界磁场中做圆周运动的两种模型 【教学重点、难点】

重 点：带电粒子在磁场中运动问题的一般解题思路 难 点：电粒子在各种有界磁场中的临界、极值问题 【知识清单】

1．向心力由 提供： = ，洛仑兹力只改变 ， 不改变 ，洛伦兹力 功。

2．半径公式：r= （速度v越大，半径r )。 3．周期公式：T= （周期与粒子的 和运动 均无关)。 4．如图所示,偏转角、圆心角、弦切角的关系： 。 5．求运动时间：t= 。

6．带电粒子在匀强磁场中运动的解题思路：找 ，画 ，求 。 【例题讲解】

例1.如图,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），则

圆形磁场

1. 一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中,磁场方向与筒的轴平行,筒的横截面如图所示.图中直

径MN的两端分别开有小孔,筒绕其中心轴以角速度ω顺时针转动.在该截面内,一带电粒子从小孔M射入筒内,射入时的运动方向与MN成30°角.当筒转过90°时,该粒子恰好从小孔N飞出圆筒.不计重力.若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞,则带电粒子的比荷为( )

A .

?3B B .

? 2BC .

? BD .

2? B2. 如图所示,直径分别为D和2D的同心圆处于同一竖直面内,O为圆心,GH为大圆的水平直径.两圆之间的环形区域(Ⅰ区)和小圆内部(Ⅱ区)均存在垂直圆面向里的匀强磁场,间距为d的两平行金属极板间有一匀强电场,上极板开有一小孔.一质量为m,电量为+q的粒子由小孔下方

d 处静止释放,加速后粒子2以竖直向上的速度v射出电场,由H点紧靠大圆内侧射入磁场.不计粒子的重力. (1)求极板间电场强度的大小;

(2)若粒子运动轨迹与小圆相切,求Ⅰ区磁感应强度的大小; (3)若Ⅰ区、Ⅱ区磁感应轻度的大小分别为粒子运动的路程.

2mv4mv、,粒子运动一段时间后再次经过H点,求这段时间qDqD

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单边界磁场

1. 平面OM和平面ON之间

解决带电粒子在有界磁场中运动的临界问题的两种方法

此类问题的解题关键是寻找临界点，寻找临界点的有效方法是： ① 轨迹圆的缩放：

当入射粒子的入射方向不变而速度大小可变时，粒子做圆周运动的圆心一定在入射点所受洛伦兹力所表示的射线上，但位置（半径R）不确定，用圆规作出一系列大小不同的轨迹图，从圆的动态变化中即可发现“临界点”.

例1 一个质量为m，带电量为+q的粒子（不计重力），从O点处沿+y方向以初速度射入一个边界为矩形的匀强磁场中，磁场方向垂直于xy平面向里，它的边界分别是y=0,y=a,x=-1.5a,如图所示，那么当B满足条件_________时，粒子将从上边界射出：当B满足条件_________时，粒子将从左边界射出：当B满足条件_________时，粒子将从下边界射出：

例2 如图9-8所示真空中宽为d的区域内有强度为B的匀强磁场方向如图，质量m带电-q的粒子以与CD成θ角的速度V0垂直射入磁场中。要使粒子必能从EF射出，则初速度V0应满足什么条件？EF上有粒子射出的区域？

【审题】如图9-9所示，当入射速度很小时电子会在磁场中转动一段圆弧后又从同一侧射出，速率越大，轨道半径越大，当轨道与边界相切时，电子恰好不能从另一

Wwc高考：带电粒子在电场、磁场中的运动

高频考点：带电粒子在电场中的加速、带电粒子在电场中的偏转、带电粒子受到约束在电场中的圆周运动、带电粒子受到约束在电场中的一般运动 命题分析

考查方式一 反射式速调管

【命题分析】带电粒子在电场中的加速一般应用动能定理，qU=

1122

mv2—mv1；带电粒子在匀强电场中的偏转做类平抛运动，应22用类似于平抛运动的处理方法分析处理。注意：不管何种静止带电粒子,经相同电场加速后进入同一偏转电场运动,其轨迹是重合的。带电粒子在电场中的运动，综合了静电场和力学的知识，分析方法是：首先选择研究对象，分析受力情况和运动过程（是平衡还是加速运动、减速运动，是直线运动还是曲线运动），然后选择适当规律列方程解答。

例1（2011福建理综卷第20题）反射式速调管是常用的微波器械之一，它利用电子团在电场中的振荡来产生微波，其振荡原理与下述过程类似。如图所示，在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场，一带电微粒从A点由静止开始，在电场力作用下沿直线在A、B两点间往返运动。已知电场强度的大小分别是E1?2.0?103N/C和E2?4.0?103N/C，方向如图所示，带电微粒质量

m?1.0?10?20kg，带电量q??1.

Wwc高考：带电粒子在电场、磁场中的运动

高频考点：带电粒子在电场中的加速、带电粒子在电场中的偏转、带电粒子受到约束在电场中的圆周运动、带电粒子受到约束在电场中的一般运动 命题分析

考查方式一 反射式速调管

【命题分析】带电粒子在电场中的加速一般应用动能定理，qU=

1122

mv2—mv1；带电粒子在匀强电场中的偏转做类平抛运动，应22用类似于平抛运动的处理方法分析处理。注意：不管何种静止带电粒子,经相同电场加速后进入同一偏转电场运动,其轨迹是重合的。带电粒子在电场中的运动，综合了静电场和力学的知识，分析方法是：首先选择研究对象，分析受力情况和运动过程（是平衡还是加速运动、减速运动，是直线运动还是曲线运动），然后选择适当规律列方程解答。

例1（2011福建理综卷第20题）反射式速调管是常用的微波器械之一，它利用电子团在电场中的振荡来产生微波，其振荡原理与下述过程类似。如图所示，在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场，一带电微粒从A点由静止开始，在电场力作用下沿直线在A、B两点间往返运动。已知电场强度的大小分别是E1?2.0?103N/C和E2?4.0?103N/C，方向如图所示，带电微粒质量

m?1.0?10?20kg，带电量q??1.

带电粒子在磁场中运动--最小面积

1、如图所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域.为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径.重力忽略不计。

2、一质量为

、带电量为的粒子以速度

从O点沿

轴正方向射入磁感强度为

的一圆形匀强磁场区

域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区后，从处穿过轴，速度方向与轴正向夹角为30°，如图所示（粒子重力忽略不计）。 试求：（1）圆形磁场区的最小面积；

（2）粒子从O点进入磁场区到达b点所经历的时间； （3）b点的坐标。 3、在

平面内有许多电子（质量为

、电量为），从坐标O不断以相同速率平面向内、磁感强度为

沿不同方向射入第一

象限，如图所示。现加一个垂直于的匀强磁场，要求这些电子穿过磁场后都

能平行于轴向x正方向运动，求符合该条件磁场的最小面积。

4、如图，ABCD是边长为a的正方形。质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域。在正方形内适当区域中有匀强磁场。电子从

带电粒子在磁场中的运动补充练习

1.在只受洛伦兹力的条件下，关于带电粒子在匀强磁场中运动，下列说法正确的有_______

A.只要粒子的速度大小相同，带电量相同，粒子所受洛伦兹力大小就相同 B.洛伦兹力只改变带电粒子的运动轨迹

C.洛伦兹力始终与速度垂直，所以洛伦兹力不做功

D.洛伦兹力始终与速度垂直，所以粒子在运动过程中的动能、动量保持不变

2.如图所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏，则_______

A.导线中的电流从A流向B B.导线中的电流从B流向A

C.若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现 D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关

3.如图，在真空中匀强电场的方向竖直向下，匀强磁场方向垂直于纸面向里，3个油滴a、b、c带有等量同种电荷，其中a静止，b向右匀速运动，c向左匀速运动，比较它们重力的关系，正确的是______

A.Ga最大 B.Gb最小 C.Gc最大 D.Gb最大

4.如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电流方向向下，由于磁场的作用，则_______

A.板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点 B.板左侧

电场和磁场 带电粒子的运动

【知识交汇】

一、静电场

1．库仑定律：真空中两个点电荷之间相互作用的静电力，跟它们的电荷量的乘积成___________，跟它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在_______________．即：F?其中k为静电力常量，大小为9?109Nm2/C2．

成立条件：①__________（空气中也近似成立）；②_________——即带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计．对带电导体球，距离近了以后，电荷会重新分布，不能再用球心间距代替r．

2．电场的最基本的性质是对放入其中的电荷____________．电场强度E是描述电场的力的性质的物理量．

3．对电场强度的三个公式的理解 （1）E?kQ1Q2，r2F是电场强度的__________式，适用于____________电场．电场中某点的场强是确q定值，其大小和方向与试探电荷q无关．试探电荷q充当“测量工具”的作用．

（2）E?kQ是真空点电荷所形成的电场的决定式．E由场源电荷Q和场源电荷到某点r2的距离r决定．

（3）E?U是场强与电势差的关系式，只适用于______________，注意式中d为两点间沿d电场方向的距离．

4．电场强度的叠加

电场