导学案:1.3 带电粒子在匀强磁场中的运动(解析版).docxVIP

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1.3带电粒子在匀强磁场中的运动

1.3带电粒子在匀强磁场中的运动

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知识精讲

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考点1:带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动

1.轨迹圆心的两种确定方法

(1)已知粒子运动轨迹上两点的速度方向时,作这两速度方向的垂线,交点即为圆心,如图所示。

(2)已知粒子轨迹上的两点和其中一点的速度方向时,画出粒子轨迹上的两点连线(即过这两点的圆的弦),作它的中垂线,并画出已知点的速度方向的垂线,则弦的中垂线与速度方向的垂线的交点即为圆心,如图所示。

2.三种求半径的方法

(1)根据半径公式r=eq\f(mv,qB)求解。

(2)根据勾股定理求解,如图所示,若已知出射点相对于入射点侧移了x,则满足r2=d2+(r-x)2。

(3)根据三角函数求解,如图所示,若已知出射速度方向与入射方向的夹角为θ,磁场的宽度为d,则有关系式r=eq\f(d,sinθ)。

3.四种角度关系

(1)如图所示,速度的偏向角(φ)等于圆心角(α)。

(2)圆心角α等于AB弦与速度方向的夹角(弦切角θ)的2倍(φ=α=2θ=ωt)。

(3)相对的弦切角(θ)相等,与相邻的弦切角(θ′)互补,即θ+θ′=180°。

(4)进出同一直线边界时速度方向与该直线边界的夹角相等。

4.两种求时间的方法

(1)利用圆心角求解,若求出这部分圆弧对应的圆心角,则t=eq\f(θ,2π)T。

(2)利用弧长s和速度v求解,t=eq\f(s,v)。

【例1】如图所示,质量为m,电荷量为q的负离子,以速度v垂直于荧光屏S经过小孔O射入匀强磁场中,磁场方向与离子的运动方向垂直,磁感应强度的大小为B,处于真空中。求:

(1)离子打在荧光屏上的位置离O点的距离是多少?

(2)若离子进入磁场后经过一段时间到达P点,已知OP连线与入射方向的夹角为θ,求离子从O到P所经历的时间?

【解答】(1)离子的初速度与匀强磁场的方向垂直,在洛伦兹力作用下,做匀速圆周运动。设圆半径为r,作出其运动轨迹,如图

由牛顿第二定律可得:Bqv=meq\f(v2,r)

解得:r=eq\f(mv,qB)

如图所示,离子回到屏S上的位置与O点的距离为:d=2r=eq\f(2mv,qB)。

(2)当离子到位置P时,圆心角:α=2θ

离子运动的时间为t=eq\f(α,2π)T,而周期T=eq\f(2πm,qB)

所以联立以上三式得:离子运动时间t=eq\f(2θm,qB)

方法技巧

方法技巧

分析带电粒子在磁场中做圆周运动问题的要点

确定粒子的运动轨迹、半径、圆心角等是解决此类问题的关键。

掌握粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨迹半径公式和周期公式是分析此类问题的依据。

针对训练

针对训练

1.如图所示,一束电子(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,穿出磁场时速度方向与原来入射方向的夹角是30°,则电子的质量是___________,在磁场中的运动时间是________。

【解答】电子在磁场中运动只受洛伦兹力作用,故其轨迹是圆弧的一部分,又因为F⊥v,故圆心在电子穿入和穿出磁场时受到洛伦兹力方向的交点,如题图所示的O点。

由几何知识可知,CD间圆心角θ=30°,OD为半径。

r=eq\f(d,sin30°)=2d,又由r=eq\f(mv,Be)得m=eq\f(2dBe,v)

电子在磁场中的运动时间t=eq\f(θ,360°)T

解得t=eq\f(1,12)×eq\f(2πm,eB)=eq\f(πd,3v)。

考点2:磁场与科技

现代科技中的应用

装置

原理图

规律

速度选择器

若qv0B=Eq,即v0=eq\f(E,B),粒子做匀速直线运动

磁流体发电机

等离子体射入,受洛伦兹力偏转,使两极板带正、负电,两极间电压为U时稳定,qeq\f(U,d)=qv0B,U=Bdv0

电磁流量计

eq\f(U,D)q=qvB,所以v=eq\f(U,DB),所以Q=vS=eq\f(πDU,4B)

霍尔元件

当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差

【例2】如图所示为一速度选择器,也称为滤速器的原理图。K为电子枪,由枪中沿KA方向射出的电子,速率大小不一。当电子通过方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场后,只有一定速率的电子能沿直线前进,并通过小孔S。设产生匀强电场的平行板间的电压为300V,间距为5cm,垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06T,问:

(1)磁场的指向应该向里还是向外?

(2)速率为多大的电子才能通过小孔S?

【解答】(1)由题图可知,平行板间的电场强度E的方向向下,电子受到的静电力FE=eE,方

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