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圆形磁场中的几个典型问题

许多同学对带电粒子在圆形有界磁场中的运动问题常常无从下手,一做就错.常见问题

分别是“最值问题、汇聚发散问题、边界交点问题、周期性问题”.对于这些问题,针对具

体类型,抓住关键要素,问题就能迎刃而解,下面举例说明.

一、最值问题的解题关键抓弦长

1.求最长时间的问题

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例1真空中半径为R=3×10m的圆形区域内,有一磁感应强

度为B=0.2T的匀强磁场,方向如图1所示一带正电的粒子以初速

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度v=10m/s从磁场边界上直径ab一端a点处射入磁场,已

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知该粒子比荷为q/m=10C/kg,不计粒子重力,若要使粒子飞离

磁场时偏转角最大,其入射时粒子初速度的方向应如何?(以v与

0

Oa的夹角表示)最长运动时间多长?

小结:本题涉及的是一个动态问题,即粒子虽然在磁场中均做同一半径的匀速圆周运动,

但因其初速度方向变化,使粒子运动轨迹的长短和位置均发生变化,并且弦长的变化一定对

应速度偏转角的变化,同时也一定对应粒子做圆周运动轨迹对应圆心角的变化,因而当弦长

为圆形磁场直径时,偏转角最大.

2.求最小面积的问题

例2一带电质点的质量为m,电量为q,以平行于Ox轴的

速度v从y轴上的a点射人如图3所示第一象限的区域.为了

使该质点能从x轴上的b点以垂直于x轴的速度v射出,可在

适当的地方加一个垂直于xoy平面、磁感应强度为B的匀强磁

场.若此磁场仅分布在一个圆形区域内,试求此圆形磁场区域

的最小面积,重力忽略不计.

小结:这是一个需要逆向思维的问题,而且同时考查了空间想象能力,即已知粒子运动

轨迹求所加圆形磁场的位置.解决此类问题时,要抓住粒子运动的特点即该粒子只在所加磁

场中做匀速圆周运动,所以粒子运动的1/4圆弧必须包含在磁场区域中且圆运动起点、

终点必须是磁场边界上的点,然后再考虑磁场的最小半径.

上述两类“最值”问题,解题的关键是要找出带电粒子做圆周运动所对应的弦长.

二、汇聚发散问题的解题关键抓半径

当圆形磁场的半径与圆轨迹半径相等时,存在两条特殊规律;

规律一:带电粒子从圆形有界磁场边界上某点射入磁场,如果圆形磁场的半径与圆轨迹

半径相等,则粒子的出射速度方向与圆形磁场上入

射点的切线方向平行,如甲图所示。

规律二:平行射入圆形有界磁场的相同带电粒

子,如果圆形磁场的半径与圆轨迹半径相等,则所

有粒子都从磁场边界上的同一点射出,并且出射点

的切线与入射速度方向平行,如乙图所示。

整理为word格式

例3如图5所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向

上.在半径为R的圆形区域内加一与xoy平面垂直的匀强磁场.在

坐标原点O处放置一带电微粒发射装置,它可以连续不断地发射具

有相同质量m、电荷量q(q0)且初速为v的带电粒子,不

0

计重力.调节坐标原点O处的带电微粒发射装置,使其在xoy平面

内不断地以相同速率v沿不同方向将这种带电微粒射入x轴上方,

0

现要求这些带电微粒最终都能平行于x轴正方向射出,则带电微粒

的速度必须满足什么条件?

小结:研究粒子在圆形磁场中的运动时,要抓住圆形磁场的半径和圆周运动的半径,建

立二者之间的关系,再根据动力学规律运动规律求解问题.

三、边界交点问题的解题关键―抓轨迹方程

例4如图7所示,在xoy平面内x>0区域中,有一半圆形

匀强磁场区域,圆心为O,半径为R=0.10m,磁感应强度大小为

B=0.5T,磁场方向垂直xoy平面向里.有一线状粒子源放在y轴

左侧(图中未画出),并不断沿平行于x轴正方向释放出电荷量为

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