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2025版高考物理一轮复习专题突破九磁场中的“动态问题”和“磁聚焦”问题学案.docx

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专题突破(九)磁场中的“动态问题”和“磁聚焦”问题

一、磁场中的动态圆

在本章中,常常会遇到这样两类问题,第一类是同样的粒子从磁场边界(如左边界)上某一点射入匀强磁场中时,磁场右边无限宽广,入射方向不变,但速度大小(或磁场磁感应强度大小)发生变更,依据qvB=eq\f(mv2,R)可知R=eq\f(mv,qB),在v或B发生变更时,半径会发生变更,但由于入射方向不变,依据半径跟速度垂直知粒子轨迹的圆心都落在过入射点与入射速度垂直的直线上,相当于圆心在同始终线上的圆的放缩,如图甲,它们从磁场左边界射出时,速度方向相互平行,在磁场中转过的角度相等.其次类是粒子入射速度大小不变,但方向发生变更,同时磁感应强度不变,可知这种状况下,粒子的轨迹半径不变,圆心位于以入射点为圆心,以轨迹半径为半径的半圆上,相当于一个固定大小的轨迹圆围着入射点在旋转,如图乙.

例1如图,边长ab=1.5L、bc=eq\r(3)L的矩形区域内存在着垂直于区域平面对里的匀强磁场,在ad边中点O处有一粒子源,可在区域平面内沿各方向放射速度大小相等的同种带电粒子.已知沿Od方向射入的粒子在磁场中运动的轨道半径为L,且经时间t0从边界cd离开磁场.不计粒子的重力和粒子间的相互作用,下列说法正确的是()

A.粒子带负电

B.粒子可能从c点射出

C.粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期为4t0

D.粒子在磁场中运动的最长时间为2t0

[解析]粒子运动轨迹如下图所示:

依据左手定则可知粒子带正电,故A不符合题意;当粒子轨迹与dc相切时,设切点与d点距离为x,由几何关系得x2+eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L-\f(\r(3),2)L))eq\s\up12(2)=L2,解得x=eq\r(\r(3)-\f(3,4))L1.5L,则粒子不会达到c点,故B不符合题意;设沿Od方向射入的粒子轨迹对应的圆心角为θ,sinθ=eq\f(\f(bc,2),L),解得θ=60°.依据题意得eq\f(60°,360°)T=t0,解得T=6t0,故C不符合题意;由几何关系可以得到,在磁场中运动的时间最长,如下图所示,Ob=eq\r(ab2+Oa2)=eq\r(3)L,设此时轨迹的圆心角为α,由几何关系得sineq\f(α,2)=eq\f(\f(Ob,2),L),解得α=120°,则运动时间为t=eq\f(120°,360°)T=2t0,故D符合题意.

[答案]D

例2(多选)如图所示,等腰直角三角形abc区域内(包含边界)有垂直纸面对外的匀强磁场,磁感应强度的大小为B,在bc的中点O处有一粒子源,可沿与ba平行的方向放射大量速率不同的同种粒子,这些粒子带负电,质量为m,电荷量为q,已知这些粒子都能从ab边离开abc区域,ab=2l,不考虑粒子的重力及粒子间的相互作用.关于这些粒子,下列说法正确的是()

A.速度的最大值为eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\r(2)+1))qBl,m)

B.速度的最小值为eq\f(qBl,m)

C.在磁场中运动的最短时间为eq\f(πm,4qB)

D.在磁场中运动的最长时间为eq\f(πm,qB)

[解析]粒子从ab边离开磁场时的临界运动轨迹如图所示:

由几何学问可知:r1=eq\f(l,2),以及eq\f(r2-L,cos45°)+[2L-(r2-L)]cos45°=r2,解得:r2=eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\r(2)))l,粒子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力供应向心力,由牛顿其次定律得:qvB=meq\f(v2,r),解得:v=eq\f(qBr,m),故粒子的最大速度为vmax=eq\f(qBr2,m)=eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\r(2)))qBl,m),最小速度vmin=eq\f(qBr1,m)=eq\f(qBl,2m),故A正确,B错误.由粒子从ab边离开磁场区域的临界运动轨迹可知,粒子转过的最大圆心角:θmax=180°,最小圆心角:θmin45°,粒子做圆周运动的周期:T=eq\f(2πm,qB),则粒子在磁场中运动的最短时间tmin=eq\f(θmin,360°)Teq\f(πm,4qB);最长时间tmax=eq\f(θmax,360°)T=eq\f(πm,qB);故C错误,D正确.

[答案]AD

二、磁聚焦、磁发散问题

一束带电粒子以平行相等的初速度垂直射入圆形匀强磁场,若粒子的轨迹半径等于磁场圆的半径,这些粒子会经过与初速度方向平行的磁场圆切线的一个切点,如图甲带负电的粒子“聚焦”于A点,若速度

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