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14-10-20高二物理家庭作业(带电粒子在匀强磁场中运动研究一)(教师版)
带电粒子在匀强磁场中运动研究(一)
--带电粒子在有界匀强磁场中运动的问题
一、带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的分析方法
1.圆心的确定如图甲、乙所示,试确定两种情况下圆弧轨道的圆心,并总结此类问题的分析方法.
图2图3图4
总结:两种情况下圆心的确定分别采用以下方法:
(1)已知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3所示,图中P为入射点,M为出射点).
(2)已知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道的圆心(如图4所示,P为入射点,M为出射点).
.半径的确定
用几何知识(勾股定理、三角函数等)求出半径的大小.
粒子速度的偏向角φ等于转过的圆心角α,
并等于AB弦与切线的夹角(弦切角)θ的2倍,
如图2所示,即φ=α=2θ。
?②相对的弦切角θ相等,与相邻的弦切角θ′互补,
即θ+θ′=180°。
3.运动动时间的确定
粒子在磁场中运动一周的时间为T,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时,其运动时间表示为:t=T(或t=T).
这类问题中一般设计为:带电粒子在磁场外以垂直磁场方向的速度进入磁场,在磁场内经历一段匀速圆周运动后离开磁场。粒子进入磁场时速度方向与磁场边界夹角不同,使粒子运动轨迹不同,导致粒子轨迹与磁场边界的关系不同,由此带来很多临界问题。
1、单直线边界磁场(进出磁场具有对称性,如图所示)
带电粒子垂直磁场进入磁场时。
①如果垂直磁场边界进入,粒子作半圆运动后垂直原边界飞出;
②如果与磁场边界成夹角θ进入,仍以与磁场边界夹角θ飞出(有两种轨迹,图1中若两轨迹共弦,则θ1=θ2)
〖例1〗如图所示,在真空中坐标xoy平面的x0区域内,有磁感应强度B = 1.0×10-2 T的匀强磁场,方向与xoy平面垂直,在轴上的P(10,0)点,有一放射源,在xoy平面内向各个方向发射速率0 = 1.0×105m/s的带正电粒子,粒子质量m = 1.0×10-2,粒子的带正电量为 1.0×10-,带电粒子能打到y轴上的范围(不计重力的影响。)x轴正向成θ的粒子研究,设其运动轨迹对应圆心的坐标为(x,y),由图可知:
x=10-Rsinθ, y=Rcosθ
由数学知识得:(x-10)2+y2=R2
得
所以有:(x-10)2+y2=2.
由于放射源在P点是在xoy平面内向各个方向发射速率相同的粒子,而前面所选的粒子又具有任意性,故这些粒子运动轨迹所对的圆心的集合是以P(10,0)点为圆心,半径为10cm的一个圆,如图所示。
因带电粒子在磁场中做圆周运动的半径已求出,故可用圆规画出带电粒子打到y轴上的上界M点和下界N点。显然OM=,ON=R=10cm.即带电粒子能打到y轴上的范围是:
2、平行直线边界磁场(存在临界条件,
带电粒子垂直磁场边界并垂直磁场进入磁场时,
①速度较小时,作半圆运动后从原边界飞出;
②速度增加为某临界值时,粒子作部分圆周运动其轨迹与另一边界相切;
③速度较大时粒子作部分圆周运动后从另一边界飞出。
〖例2〗 1.0×10-2 TL1、L2之间的距离d = 8cm.在P点有一放射源,它可以在平行纸面的方向向各个方向发射速率v = 1.0×105 m/s的带正电粒子,粒子质量m = 1.0×10-21.0×10-得粒子在磁场中运动时的轨道半径为
作出部分粒子在磁场中的运动轨迹如图所示。图中,轨迹与L1相切,轨迹与L2相切。显然,在L1上,只有在a、b之间的线段上才会有粒子射出磁场。
过P向L1引垂线于O点,由图示的几何关系可知:
故在L1上a、b两点间有粒子射出,且a、b之间的距离为:
3、矩形边界磁场(如图3所示)。
带电粒子垂直磁场边界并垂直磁场进入磁场时,
①速度较小时粒子作半圆运动后从原边界飞出;
②速度在某一范围内时从侧面边界飞出;
③速度为某临界值时,粒子作部分圆周运动其轨迹与对面边界相切;
④速度较大时粒子作部分圆周运动从对面边界飞出。
〖例3〗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,矩形区域的左边界ad宽为L,现从ad中点O垂直于磁场射入一带电粒子,速度大小为v0,方向与ad边夹角为α=30°,如图10所示。已知粒子的电荷量为q,质量为m(重力不计)。
(1)若粒子带负电,且恰能从d点射出磁场,求v0的大小;
(2)若粒子带正电,且粒子能从ab边射出磁场,求v0的取值范围以及此范围内粒子在磁场中运动的时间t的范围。
解析:(1)若粒子带负电,则进入磁场后沿顺时针方向偏转,如图所示O1为轨迹圆心,由对称性可知,速度的偏转角θ1=2α=60°,故轨迹半径r1=Od=(2
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