巧解《带电粒子在匀强磁场中运动》的问题

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xincuntianxia
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  要处理好《带电粒子在匀强磁场中的运动》的问题,首先要找到带电粒子在匀强磁场中运动的轨迹.找轨迹的技巧在于掌握带电粒子在匀强磁场中运动的两种基本类型:(一)已知带电粒子在磁场中运动的方向,但不知速度大小,(二)已知带电粒子在磁场中运动的速度大小,但不知运动方向.
  1已知带电粒子在匀强磁场中的运动方向,但不知速度大小
  这一类问题的处理技巧:先过入射点作速度方向的垂线,该垂线是轨道圆半径所在的直线,然后以不同半径,沿该垂线做圆,直至找到边界.
  例1如图1所示,一足够长的矩形区域ABCD内充满磁感强度为B、方向垂直纸面向内的匀强磁场,现从矩形区域AD边的中点O处,垂直磁场射入一速度为v(大小未知)、方向与AD边夹角为30°的带正电粒子.已知粒子质量为m,电量为q,AD边长为L,AB边足够长,不计重力,求:粒子能从AB边射出的速度范围.
  分析由Bqv=mv2R,所以v=BqRm.要想求速度,必先作圆再求半径.作圆的方法:过O点作速度方向的垂线OP,如图2.在OP上,以不同的半径作过O点的圆,直至找到边界.如图2中的圆2与上边界AB相切,由几何关系得R Rcos60°=L2,所以R=L3,由v=BqRm,所以v=BqL3m.比圆2大的圆才能与边界AB相交,如图2中的圆3,故v>BqL3m.图2中的圆4与下边界CD相切,由几何关系得:R=L,v=BqRm.比圆4大的圆能从CD边射出,如图2中的圆5,故v≤BqLm.综合得BqL3m  2已知带电粒子速度大小,但不知运动方向
  由Bqv=mv2R,所以R=mvBq,即当速度大小一定时,则轨迹半径也就唯一确定,因此只需确定圆心.确定圆心的技巧:以粒子射入点为圆心,以R=mvBq为半径作圆,该圆为所有粒子轨迹圆的圆心轨迹;然后再作轨迹圆,直至找到边界.
  例2如图3所示,粒子源S能在图示纸面上360°的范围内发射速率均为v=BqLm、质量为m、电量为q的正粒子,MN是足够大的挡板,其左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场,磁感强度为B.粒子源S到挡板的距离为L.求:被粒子击中的挡板长为多大(粒子重力不计)?
  分析由Bqv=mv2R,所以R=mvBq.即所有射出粒子的轨道半径均为R=mvBq=L,且过点S.故以点S为圆心,以L为半径作圆,如图4中的虚线圆,该圆为所有轨道圆的圆心轨迹.然后在虚线圆上任意取一点为圆心作圆,如图4中速度方向为v1的圆1.这样不断地作圆,直至找到与挡板相交的所有圆,如图5.其中速度方向为v2的圆2,打在挡板MN上的点P,此点为所有打在挡板上点的最低点(SP为圆的直径);速度方向为v3的圆3,打在挡板MN上的点Q,此点为所有打在挡板上点的最高点.故PQ为被粒子击中的挡板长度,如图6.由几何关系,则PD=3R=3L,DQ=R=L.所以被粒子击中的挡板长为(3 1)L.
  掌握了上述两种技巧,处理带电粒子在匀强磁场中运动的问题,就能如鱼得水.
  例3如图7所示,A处能向各个方向射出不同速率的电子.金属板P的左侧有垂直纸面向里的匀强磁场,其大小为B,面积足够大,在A点上方L处有一涂荧光粉的金属条Q,并与AD垂直.金属条Q受到电子的冲击发出荧光的部分集中CD之间,测得CD=L,电子质量为m、电荷量为e.(不计电子间的相互作用)求:能从D点飞出的电子在磁场中的飞行时间.
  分析本题中电子的速度大小、方向均未知,是一道难题.仔细分析可知,不同速率的电子从A点到达D的时间不同,因此先求速率的最大值和最小值.能到达荧光屏的电子距A点最远的是C点,最近的是D点,故圆的最大直径是AC,最小直径是AD.由几何关系得Rmax=AC2=2L2,Rmin=AD2=L2.以A点为圆心,以AC2为半径作圆,如图8中的虚线圆,则该圆是半径为AC2的所有轨道圆的圆心轨迹.
  然后在虚线圆上任意取一点为圆心作圆,如图8中的圆2.这样不断地作圆,直至找到从D点飞出的圆3.由几何关系得∠AO3D=θ=90°,由ω=2πT=θt,tmin=T4=πm2Be.同理:以AD2为半径且能从D点飞出的电子轨迹如图9中的圆2.故tmax=T2=πmBe.综合得:能从D点飞出的电子在磁场中的飞行时间t:πm2Be≤t≤ πmBe.电阻功率还可以用两U-I图线结合方法求解,在表1中再添上电阻3 Ω的U-I图线,如图10所示,两线的交点U=0.9 V、I=0.3 A,所以P=UI=0.27 W.
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