带电粒子在匀强磁场中的运动(含各种情况)

带电粒子在匀强磁场中的运动复习：1、洛伦兹力产生的条件？2、洛伦兹力的大小和方向如何确定？3、洛伦兹力有什么特点？射入匀强磁场中的带电粒子将做怎样的运动呢？3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定磁场中的带电粒子一般可分为两类：1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。一、带电粒子在匀强磁场中的运动问题1：带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？问题2：带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？匀速直线运动1、理论推导（带电粒子重力不计）-Bv+v×××××××××××××××××××××××××B（1）时，洛伦兹力的方向与速度方向的关系v⊥B（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化吗？能量呢？（3）洛伦兹力的方向如何变化？（4）从上面的分析，你认为垂直于匀强磁场方向射入的带电粒子，在匀强磁场中的运动状态如何？——垂直•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的匀强磁场时：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．推导:粒子做匀速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供的,所以qBmvrqBmT2rvmqvB2vrT2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和运动速率无关。rvmF21)圆半径r2)周期T运动规律：洛伦兹力提供向心力---匀速圆周运动2vqvBmr半径r跟速率v成正比.周期T跟圆半径r和速率v均无关.qBmvrqBmT22rTv+VqvB××××××××××××例1、如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有a、b两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，a的初速度为v，b的初速度为2v．则A．a先回到出发点B．b先回到出发点C．a、b的轨迹是一对内切圆，且b的半径大D．a、b的轨迹是一对外切圆，且b的半径大××××××××××××××××××××××××××××××ab例2、一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一个匀强磁场，粒子后段轨迹如图所示，轨迹上的每一小段都可近似看成是圆弧.由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减少(带电量不变).从图中情况可以确定A.粒子从a到b，带正电B.粒子从b到a，带正电C.粒子从a到b，带负电D.粒子从b到a，带负电例3、一带电粒子在磁感强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为2B的匀强磁场中仍做匀速圆周运动，则A、粒子的速率加倍，周期减半B、粒子的速率不变，轨道半径减半C、粒子的速率减半，轨道半径变为原来的1/4D、粒子速率不变，周期减半洛伦兹力演示仪电子枪玻璃泡励磁线圈（1）洛伦兹力演示仪③励磁线圈（亥姆霍兹线圈）：作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场②加速电场：作用是改变电子束出射的速度①电子枪：射出电子洛伦兹力演示仪•工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管的低压水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹。两个平行的通电环形线圈可产生沿轴线方向的匀强磁场2、实验验证•1．下图是洛伦兹力演示仪，由图(a)、(b)可知：无磁场有磁场实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的轨迹是直线；在管外加上垂直初速度方向的匀强磁场，电子的轨迹变弯曲成圆形。结论：带电粒子垂直进入磁场中，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。实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场，电子的径迹变弯曲成圆形。只有当带电粒子以垂直于磁场的方向射入匀强磁场中时，带电粒子才能做匀速圆周运动，两个条件缺一不可．•(2)轨道半径和周期由上式可知：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与粒子运动速率无关．•由上式可知：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与粒子运动速率无关．粒子运动方向与磁场有一夹角（大于0度小于90度）轨迹如何？•当υ与B夹一般角度时，由于可以将υ正交分解为υ∥和υ⊥（分别平行于和垂直于）B，因此电荷一方向以υ∥的速度在平行于B的方向上做匀速直线运动，另一方向以υ⊥的速度在垂直于B的平面内做匀速圆周运动。B电荷的匀强磁场中的三种运动形式qBmvrqBmT2(2)当υ⊥B时，所受洛仑兹力提供向心力，做匀速圆周运动；如运动电荷在匀强磁场中除洛仑兹力外其他力均忽略不计（或均被平衡）(3)当υ与B夹一般角度时，由于可以将υ正交分解为υ∥和υ⊥（分别平行于和垂直于）B，因此电荷一方向以υ∥的速度在平行于B的方向上做匀速直线运动，另一方向以υ⊥的速度在垂直于B的平面内做匀速圆周运动。(1)当υ∥B时，所受洛仑兹力为零，做匀速直线运动；在同一磁场中，不同速度的运动粒子，其周期与速度无关，只与其荷质比有关．等距螺旋带电粒子在磁场中运动情况研究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⑴粒子在磁场中运动的角度关系──弦切角──偏向角──圆心角2角度关系：⑵粒子进入有界磁场的特点①粒子进出单一直边界磁场，入射角等于出射角。②粒子进出圆边界磁场沿径向入，沿径向出。ABvvO1、如图所示，一束电子（电量为e）以速度v垂直从A点射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，且与磁场的边界垂直，通过磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是30°，则：电子的质量是，通过磁场的时间是。300vBABvd一、磁场作用下粒子的偏转2、如图所示，在半径为R的圆的范围内，有匀强磁场，方向垂直圆所在平面向里．一带负电的质量为m电量为q粒子，从A点沿半径AO的方向射入，并从C点射出磁场．∠AOC＝120o．则此粒子在磁场中运行的时间t＝__________．(不计重力)．ABRvvOC3.图中MN表示真空室中垂直于纸面的平板，它的一侧有匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B。一带电粒子从平板上的狭缝O处以垂直于平板的初速v射入磁场区域，最后到达平板上的P点。已知B、v以及P到O的距离l．不计重力,求此粒子的电荷q与质量m之比。POMNBvl4、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？+qmvLLB1.如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正电的粒子质量m、电量q、若它以速度v沿与虚线成300、600、900、1200、1500、1800角分别射入，请你作出上述几种情况下粒子的轨迹、并求其在磁场中运动的时间。二、有界磁场问题：粒子在磁场中做圆周运动的对称规律：从同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。1、两个对称规律：入射角300时qBmqBmt3261入射角1500时qBmqBmt352654、如图所示，在第一象限有磁感应强度为B的匀强磁场，一个质量为m，带电量为+q的粒子以速度v从O点射入磁场，θ角已知，求粒子在磁场中飞行的时间和飞离磁场的位置（粒子重力不计）2、如图所示，在y0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度为B。一个正电子以速度v从O点射入磁场，入射方向在xy平面内，与x轴正向的夹角为θ。若正电子射出磁场的位置与O点的距离为L，求正电子的电量和质量之比？思考：如果是负电子,那么，两种情况下的时间之比为多少？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=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）圆形磁场区。画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）vrArvAvROθθ偏角：Rr2θtan经历时间：qBmθt注意：对称性，在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出。4、电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O，半径为r。当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感应强度B应为多少？5、如图所示，比荷为e/m的电子垂直射入宽为d，磁感应强度为B的匀强磁场区域，则电子能穿过这个区域至少应具有的初速度v0大小为多少？总结：临界条件的寻找是关键。2、临界问题：例2：如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。一电子从CD边界外侧以速率V0垂直射入匀强磁场,入射方向与CD边界间夹角为θ。已知电子的质量为m，电量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率V0至少多大？×××××××××××××××CDEFmeθVd（1）速度方向一定，大小不定。关键：先画圆心轨迹，再画圆轨迹，寻找临界情形。V0θθo×××××××××××××××CDEF分析：当入射速率很小时，电子在磁场中转动一段圆弧后又从一侧射出，速率越大，轨道半径越大，当轨道与边界相切时，电子恰好不能从射出，如图所示。电子恰好射出时，由几何知识可得：r+rcosθ=d①r=mv0Be②又解得V0=Bed（1+cosθ）m例3、一个质量为m，带电量为q的带正电粒子（不计重力）从O点沿＋y方向以初速度v0射入一个边界为矩形的匀强磁场中，磁场方向垂直于xy平面向内。它的边界分别是y＝0，y＝a，x＝－1.5a，x＝1.5a，如图7所示，改变磁感应强度B的大小，粒子可从磁场的不同边界面射出，并且射出磁场后偏离原来速度方向的角度会随之改变。试讨论粒子可以从哪几个边界射出，从这几个边界面射出时磁感应强度B的大小及偏转角度各在什么范围内？例4、如图所示，电子源S能在图示纸面上360°度范围内发射速率相同的电子（质量为m、电量为e），MN是足够大的竖直挡板，与S的水平距离OS=L，挡板左侧是垂直纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场。（1）要使放射的电子可能到达挡板，电子的速度至少为多大？（2）若S发射的电子速率为eBL/m时，挡板被电子击中的范围有多大？（2）速度大小一定，方向不定。例5、一匀强磁场宽度d=16cm,磁感应强度B=0.5T，电子源在A点以速度大小v=1.0×1010m/发射电子，在纸面内不同方向，从A点射入磁场（足够大）中，且在右侧边界处放一荧光屏（足够大），电子的比荷e/m=2×1011c/kg,求电子打中荧光屏的区域的长度？A变化：如果在A点左侧无磁场，问题同上。dBvABCRmvBev2解：由牛顿第二定律得R=10cm·····················②由题意得电子打到荧光屏上的区域为图中BC之间的区域：由几何关系BC=2AB·················③AB=·············④22)(RdR代入数据得：BC=16cm···········⑤oo1·····················①例6、一匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面，在xy平面上，磁场分布在以O为中心的一个圆形区域内。一个质量为m、电荷为q的带电粒子，由原点O开始运动，初速为v，方向沿x正方向。后来，粒子经过y轴上的P点，此时速度方向与y轴的夹角为30º，P到O的距离为L，如图所示。不计重力的影响。求磁场的磁感强度B的大小和xy平面上磁场区域的半径R。求磁场区域关键在于定圆轨迹。二、质谱仪例题：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打