巧用动态圆处理带电粒子在磁场中的运动问题

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  动态圆是指当带电粒子在足够大的匀强磁场中以速度v向某一方向射出时,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动(不考虑重力)其运动轨迹都是一个圆;若射出粒子的初速度方向转过θ角时,其运动轨迹相当于以入射点A为轴,直径转动θ得到的圆的轨迹,若粒子的速率或磁感应强度B变化,相当于圆的半径改变,也可用这种方法可以解决.从实际问题出发可分为以下几类.
  1“转动圆法(半径不变)”
  解析粒子在二磁场中的运动半径分别为
  R1=mv0qB1,R2=mv0qB2=2R1.
  由粒子在磁场中所受的洛伦兹力的方向可以作出粒子的运动轨迹如图所示.粒子从点O出发第6次穿过直线ab时的位置必为点P;故粒子运动经历的时间为t=3(T12 T22),
  T1=2πmqB1,T2=2πmqB2,
  而粒子的运动周期代入前式有t=9πm2qB2,
  粒子经过的路程s=3(πR1 πR2)=9πmv0qB2,
  点O与P的距离为OP=3×2R1=6mv0qB1.
  (3)粒子可能从上方磁场出来后经过M点,也可能从下方磁场出来后经过M点,不妨假设粒子共n次经过了磁场区域到达了M点,此时在磁场中运动的轨道半径为rn,速度为vn,根据牛顿第二定律和洛伦兹力大小公式有
  由于粒子经过上方的磁场区域一次,恰好到达P点,因此粒子不可能只经过上方一次射出后直接到达M点,因此有n≥2.
  又因为,粒子必须能够经过磁场改变其运动速度的方向才能到达M点,因此满足n
  综上所述,带电粒子垂直进入有界的匀强磁场,若仅受洛伦兹力作用时,它一定做匀速圆周运动,这类问题虽然比较复杂,但只要准确地画出轨迹图,并灵活运用几何知识和物理规律,找到已知量与轨道半径R、周期T的关系,求出粒子在磁场中运动距离以及运动时间不太难.
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