帶電粒子在有界磁場中運動是高考必考的題型,難度一般中等或較難,高考壓軸題一般就是帶電粒子在有界磁場或復合場中的運動。
帶電粒子在有界磁場中運動一般分為兩種類型。
1、帶電粒子在有界勻強磁場中(只受洛倫茲力)做圓弧運動,求半徑R、周期T,磁感應強度B、運動時間t。
2、帶電粒子在有界磁場中運動時的臨界問題(或多解問題)的討論,如求速度極值、時間極值、角度極值等。
帶電粒子在有界勻強磁場中(只受洛倫茲力)做圓弧運動
1、單邊界磁場
結論:帶電粒子以多少角度射入單邊界磁場,就以多少角度射出單邊界磁場。從上圖很容易看出。
2、雙邊界磁場
如下圖所示,一電荷電量為q ,質量為m,垂直邊界射入磁感應強度為B和寬度為d 的勻強磁場中,穿出磁場邊界時速度與水平方向夾角為30°,求運動的半徑R和時間t。
分析:做磁場類型的題目,第一步畫運動軌跡,定圓心求半徑。如下圖所示
由幾何關系可得:R=2d,t=T/12=πm/6qB
2、圓形邊界磁場
帶電粒子沿半徑方向射入圓形磁場
結論:帶電粒子沿圓形磁場半徑方向射入磁場,必定沿圓形磁場半徑方向射出。
同一粒子在圓形磁場中速度偏轉角越大,運動時間就越長。
帶電粒子在有界磁場中運動時的臨界問題(或多解問題)的討論
1、帶電粒子電性不確定引起的討論問題。
如下圖所示,如果不知道帶電粒子的電性,粒子會有兩種情況的偏轉。
2、帶電粒子出射點不確定引起的臨界問題
如下圖所示,兩平行板之間存在垂直向里的勻強磁場,磁感應強度大小為B,板長為L,板間距為L,現在一電荷量為q、質量為m的正電荷從兩板中間垂直磁場方向水平射入,要使電荷不打在板上,求電荷入射的速度大小。
分析:當電荷速度很小時,電荷將做半個圓周運動在磁場左邊射出,當電荷速度很大時,電荷將從磁場右邊射出磁場,兩個臨界位置如下。
根據幾何關系和向心力公式,求出這兩個位置的速度題即解。
3、速度方向確定,大小不確定引起的臨界問題。
如下圖所示,在PMN區域有磁感應強度為B的勻強磁場,∠PMN=45o,有一束正離子流從A點垂直于MN變射入磁場中,MA=d,離子電荷量為q,質量為m,要使離子不從PM變射出,求粒子的最大速度為多少。
分析:當離子速度較小時,離子將從MN變射出,如果速度較大,粒子將從PM邊射出,當粒子運動軌跡恰好與PM邊相切時,離子恰好不從PM射出,作圖如下。
根據幾何關系可以求出相切時離子運動的半徑,此時的速度即可解。
4、速度大小確定,方向不確定引起的臨界問題。
如下圖所示,PQ左邊為磁感應強度為B的勻強磁場,垂直紙面向里,距離PQ為r的O點有大量同一速率的相同的帶負電粒子向紙面內各個不同的方向射出,粒子運動的半徑為r,求粒子打在邊界PQ上的長度。
分析:雖然粒子運動的方向不同,但因為是相同的粒子并且速度大小相同,所粒子運動的圓半徑相同,此類問題可以用旋轉法求解,做出草圖如下。
MN即為打在邊界PQ上的長度,由幾何關系很容易求出。
帶電粒子在有界磁場中運動極值問題之最小磁場面積