谈带电粒子在磁场中运动问题的化归.doc

谈带电粒子在磁场中运动问题的化归 ? 　　一、明确“φ=α=2β” ? 　　带电粒子沿垂直于磁场的方向进入有界磁场，其运动轨迹为一圆弧（优弧或劣弧），连接圆弧的两端点（入射点、出射点）即得弦，而粒子在入射点或出射点的速度方向即为该圆弧的切线，可见 ? 表一：粒子运动与轨迹参量的对应关系 对象 粒子的运动 轨迹圆 对应 参量 入射、出射速度 切线 入射点、出射点 弦 ? 　　为了更准确的反映它们的关系，定义： ? 　　φ──偏向角，即粒子沿偏转方向转过的角度，反映在入射点与出射点的速度方向上； ? 　　α──回旋角，即粒子经过圆弧所对的圆心角； ? 　　β──弦切角，即粒子的速度与“弦”所成的角。 ? ? 　　如图1所示，易证：φ=α=2β。 ? 　　二、化归统一“圆运动” ? 　　（一）空间问题 ? 　　由表一可知，解决“圆运动”问题，应充分关注“速度”的方向和入射点与出射点，以明确“切线、弦”，从而确定“轨迹圆”。 ? 　　1．典型的“切线、弦”类型 ? 　　例1? 如图2所示，在y0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外，磁感强度为B，一带正电的粒子以速度v0从O点射入磁场，入射方向在xy平面内，与x轴正方向的夹角为θ，若粒子射出磁场的位置与O点的距离为L，求该粒子的电量和质量之比q/m。 ? ? 　　分析与解答 ?带正的电粒子射入磁场后，由于受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动，由左手定则可知，粒子沿顺时针方向运动从x轴负半轴射出磁场。令出射点为M，则OM = L。由“切线、弦”可得圆心O’，如图3所示。 ? ? 　　由几何关系易知 ?，???? ?① ? 　　又因为洛伦兹力提供向心力，即 ?，所以，?? ② ? 　　由①、②解得?? 。 ? 　　点评? 利用圆的切线、弦的性质找准圆心，确定“轨迹圆”是该题得以解决的关键所在。 ? 　　2．已知入射方向及偏向角“φ”，可用“φ=2β”来补弦，从而将问题化归为“切线、弦”类型 ? 　　例2? 如图4所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于x轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域。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xy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，试求这圆形磁场区域的最小半径（重力忽略不计）。 ? ? 　　分析与解答 ??由于已知初速度与末速度的方向，可得偏向角φ=π/2。设粒子由M点进入磁场，则由φ=2β可沿粒子偏转方向β=π/4来补弦MN，如图5所示。 ? 　　由“切线、弦”可得圆心O1，从而画轨迹弧MN。 ? 　　显然M、N为磁场边界上两点，而磁场又仅分布在一圆形区域内。欲使磁场面积最小，则弦MN应为磁场边界所在圆的直径（图5中虚线圆），即得 ? ? 　　 ，??? ??????? ? 　　由几何知识，在中可知? ?， ? 　　又因为? ??， ? 　　所以，这圆形磁场区域的最小半径。 ? 　　点评 ?运用“φ=2β”来补弦，将此题化归于“切线、弦”类型，顺利得到粒子的运动轨迹，为观察发现磁场区域之半径与粒子运动轨迹的半径的关系，使问题得以解决创造了条件。 ? 　　例3 ??如图6所示，在边界为CD、EF的狭长区域内，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸而向里，磁场区域宽度为d，电子以不同的速率v 从边界CD的S处沿垂直磁场方向射入磁场，入射方向与CD的夹角为θ．已知电子的质量为m，带电量为e。为使电子能从另一边界EF射出，电子的速率应满足什么条件？（不计重力） ? ? ? 　　分析与解答?? 由，可知当m、e、B一定时，速率v大则轨迹半径R亦大。 ? 　　设当电子以速率v0射入磁场时，其运动轨迹恰好与边界EF相切，则有? ?????????① ? 　　且∠vSD即为偏向角φ，依据“φ=2β”做∠vSD的角平分线SM即得弦。 ? 　　运用“切线、弦”可得圆心O，从而画出电子的轨迹（如图7所示）。 ? ? 　　由图7，运用几何知识不难发现??? ?????② ? 　　由①、②解得??? ? 　　所以，为使电子能从EF边界射出，电子的速率应。 ? 　　点评 ??有“切线、弦”的意识，发现隐含条件，抓住临界专态，迅速而准确的做出轨迹、图形，是求解该题的关键。 ? 　　㈡ 时间问题 ? 　　因为带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，由，，可得。可见要解带电粒子在磁场中运动的时间问题关键是抓住回旋角α。 ? 　　1．抓住回旋角“α”，求解时间 ? 　　例4 ?在真空中半径的圆形区域内有匀强磁场，其边界跟y轴在坐标原点O处相切，磁场B＝0．3T垂直于纸面向里，在O处有一放射源S可沿纸面向各个方向射出速率均为的带正电的粒子，已知粒子荷质比为，则粒子在磁场中运动的最长时间