3.6带电粒子在匀强磁场中运动习题课(原创精品)

带电粒子在匀强磁场中的运动习题课[问题]：判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向：-Bv+v×××××××××××××××××××××××××B1、匀速直线运动。f=qvBf=02、一、带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）理论探究猜想：匀速圆周运动。匀速圆周运动的特点：速度的大小，不变速度的方向；始终和速度方向垂直向心力的大小，不变向心力的方向。向心力只改变，向心力不改变。速度的大小速度的方向不断变化fv+洛伦兹力总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速度大小，所以洛伦兹力不对带电粒子做功。由于粒子速度的大小不变，所以洛伦兹力大小也不改变，加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。理论探究V-F洛洛仑兹力对电荷只起向心力的作用，故只在洛仑兹力的作用下，电荷将作匀速圆周运动。理论探究洛伦兹力总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速度大小，所以洛伦兹力不对带电粒子做功。由于粒子速度的大小不变，所以洛伦兹力大小也不改变，加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。+判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向：-Bv+v×××××××××××××××××××××××××B1、匀速直线运动。ff=0一、带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）理论探究2、实验验证二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径、速率和周期匀速圆周运动1、圆周运动的半径2、圆周运动的周期2mTqB思考：周期与速度、半径有什么关系？T=2π（mv/qB）/v3、磁场强度不变，粒子射入的速度增加，轨道半径将。r=mv/qB∝vrmvqvB2qBmvrvrT2增大4、粒子射入速度不变，磁场强度增大，轨道半径将。r=mv/qB∝1/B减少实验验证带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和运动速率无关。二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径、速率和周期：-e2v................BT=2πm/eB例1、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？veBmvr两个电子同时回到原来的出发点运动周期和电子的速率无关轨道半径与粒子射入的速度成正比v-e两个电子轨道半径如何？例2．一个带负电粒子（质量为m，带电量为q），以速率v在磁感应强度为B的匀强磁场中做逆时针圆周运动（沿着纸面），则该匀强磁场的方向为垂直于纸面向里还是向外？粒子运转所形成的环形电流的大小为多大？-m，qvf=qvB................B匀强磁场的方向为垂直于纸面向外I=q/tI=q/TT=2π（mv/qB）/vvrT2rmvqvB2qBmvr2mTqBI=q/T=q2B/2πm30°1.圆心在哪里?2.轨迹半径是多少?OBdv例3：r=d/sin30o=2dr=mv/qBt=（30o/360o）T=T/12T=2πm/qBT=2πr/v小结：rt/T=30o/360oA=30°vqvB=mv2/rt=T/12=πm/6qB3、偏转角=圆心角1、两洛伦兹力的交点即圆心2、偏转角：初末速度的夹角。4.穿透磁场的时间如何求？3、圆心角θ=?θt=T/12=πd/3vm=qBr/v=2qdB/vffvOPBθSO′C画轨迹——连接OP，作垂直平分线交OS于O′半圆R=mv/qB∴OS=2R=2mv/qB∠OO′P=2θT=2πm/qBt=2θT/2π=2mθ/qB∴θ=qBt/2m或∠OO′P=2θ=SOP/R解:（1）找圆心O′——定半径R——2θ例4．一个负离子，质量为m，电量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中，如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直，并垂直于图中纸面向里。（1）求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离。（2）如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P，证明：直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是θ=qBt/2m。qvB=mv2/Rt/T=2θ/2π•2θ=SOP/R=vt/R=qBt/m∴θ=qBt/2m(2)如何求tOP？t/T=θ/2π(3)、离子进入磁场后经过时间t到达位置P速度方向偏转了多少角?偏转角=圆心角=2θf三、带电粒子在磁场中运动问题的解题思路找圆心画轨迹1、已知两点速度方向2、已知一点速度方向和另一点位置两洛伦兹力方向的延长线交点为圆心弦的垂直平分线与一直径的交点为圆心v1Ov2ABv1ABO定半径R3.两条弦的中垂线：如图3－6－7所示，带电粒子在匀强磁场中分别经过O、A、B三点时，其圆心O′在OA、OB的中垂线的交点上．图3－6－74.已知入射点、入射方向和圆周的一条切线：如图3－6－8所示，过入射点A做v垂线AO，延长v线与切线CD交于C点，做∠ACD的角平分线交AO于O点，O点即为圆心，求解临界问题常用到此法．图3－6－8•一磁场宽度为L，磁感应强度为B，如图3－6－14所示，一电荷质量为m，带电荷量为－q，不计重力，以一速度v(方向如图所示)射入磁场．若要粒子不能从磁场右边界飞出，则电荷的速度应为多大？图3－6－14例3类型三带电粒子在有界磁场中运动的临界问题•【解析】若要粒子不从右边界飞出，当以最大速度运动时的轨迹如图3－6－15所示．•图3－6－15由几何知识可求得半径r，即r＋rcosθ＝L，r＝L1＋cosθ，又Bqv＝mv2/r，所以v＝Bqrm＝BqLm(1＋cosθ).即电荷的速度v≤BqLm(1＋cosθ).•【思维总结】这类问题往往是空间的约束决定着半径，从而控制其他的物理量，故求解物理量的范围，实际上需要求出圆周运动的半径范围，再求其他量．•1．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．•2．粒子速度的偏向角(φ)等于•圆心角(α)，并等于AB弦与切•线的夹角(弦切角θ)的2倍•(如图3－6－9)，•即φ＝α＝2θ＝ωt.图3－6－9特别提醒例5、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，∠AOB=120°，求粒子在磁场区的偏转半径R及在磁场区中的运动时间。（粒子重力不计）rR60°30°r/R=tan30°R=rtan60°o't=（60o/360o）T=T/6T=2πR/v030°rR30336vrTtr/R=sin30°R/r=tan60°四、课堂小结：（一）、带电粒子在匀强磁场中的运动规律垂直入射磁场的带电粒子做匀速圆周运动F洛=F向2mvqvBrmvrqB22rmTvqB2tT（二）、确定带电粒子在有界磁场中运动轨迹的方法定圆心，画圆弧，求半径。•1、找圆心：方法•2、定半径：•3、确定运动时间：Tt2qBmT2注意：θ用弧度表示几何法求半径向心力公式求半径利用v⊥R利用弦的中垂线t=（θo/360o）T（二）、确定带电粒子在有界磁场中运动轨迹的方法OAv0BOAv0B2次t2=T/3=2πm/3qB反馈练习1．磁感应强度为B的匀强磁场存在于半径为R的圆形面内，方向如图所示，现有质量为m，电量为+q的粒子从A点对准面内圆心O射入磁场，为使粒子能重返A点，其入射速度v0应满足什么条件？粒子返回A点的最短时间t为多少？（设粒子与界面碰撞无能量损失，且电量不变发生碰撞的最少次数？60°30°发生3次碰撞（1）碰2次tanθ/2=R/rr=Rt=3xT/6=T/2=πm/qB3θn=π-[2π/（n+1）]=（n-1）π/（n+1）tanθn/2=tan（n-1）π/2（n+1）=R/rnrn=R/[tan（n-1）π/2（n+1）]tn=（n+1）θnT/2π=（n-1）πm/qBθn2π/n+1（2）碰n次在磁场中偏转越大，其轨迹越短，运动时间越长的t1=θT/2πrnRθ/2vn=qBrn/m=qBR/m[tan（n-1）π/2（n+1）]BvqmLLvOr12rL/2rL/4rr1v=qBr/mvqBL/4mr12=L2+(r1-L/2)2r1=5L/4rvmqvB2v5qBL/4m反馈练习2、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的带负电粒子（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？如果欲使粒子直线飞出，怎么办呢？veBmvr反馈练习3．如图所示，M、N两板相距为d，板长为5d，两板不带电，板间有垂直纸面的匀强磁场，一大群电子沿平行于板的方向从各处位置以速率v0射入板间，为了使电子都不从板间穿出，磁感应强度B的大小范围如何？（设电子质量为m，电量为e，且N板接地）2rdrd/2mv0/qBd/2B2mv0q/dr1rr1r12=(5d)2+(r1-d)2r1=13dBqmv0/13dS反馈练习4、如图，真空室内存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度的大小B=0.60T，磁场内有一块平面感光板ab，板面与磁场方向平行，在距ab的距离，有一个点状的放射源S，它向各个方向发射粒子，粒子的速度都是，已知粒子的电荷与质量之比，现只考虑在图纸平面中运动的粒子，求ab上被粒子打中的区域的长度。16lcm63.010/vms75.010/qCkgm2RL=16cmRR=mv/qB=10cmvS2RLRR=mv/qB=10cmSN=L=16cmcmRlRNP8)(221NP1P2cmlRNP12)2(222P1P2=20cmvRRSR=10cmRL若LsN=4cmS•cmlRRNP8)(221NP2P1cmlRNP684)20()2(22222RR