圆形有界磁场中磁聚焦
圆形磁场的聚焦问题 精品课件
B
C.
M 2R
D.
M 2R
O
2R
N
O
R 2R N
M
O
N
……以速率 v 沿纸面各个方向由小孔O射入磁场
2R 2R
2R
2R
O
O
R R 2R
2R
O
2R
2R
O
R 2R
A.
B.
C.
D.
例、如图，半径为 r=3×10－2m的圆形区域内有一匀强磁场
B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁
0
解：（1） R1+R1sin30º = L/2 得R1 = L/3 R2－ R2cos60º = L/2 得：R2 = L。
qBL （1） m ≥v0≥
qBL 3m
a
b
R1
O
v 0
R2 B c
d
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向 垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad 边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad边 夹角θ＝30°、大小为v 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，粒子 重力不计，求：(2)如果带电粒子不受上述v 大小范 围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间．
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方 向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在 ad边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟 ad边夹角θ＝30°、大小为v 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，粒子重力不计，求：(1)粒子能从ab边上射出 磁场的v0大小范围．
分析：从O点向各个方向发射的粒子在磁场中做匀速圆周
2024年高考物理热点磁场中的旋转圆、放缩圆、平移圆、磁聚焦模型(解析版)
磁场中的旋转圆、放缩圆、平移圆、磁聚焦模型1.高考命题中，带电粒子在有界磁场中的运动问题，常常涉及到临界问题或多解问题，粒子运动轨迹和磁场边界相切经常是临界条件。
带电粒子的入射速度大小不变，方向变化，轨迹圆相交与一点形成旋转圆。
带电粒子的入射速度方向不变，大小变化，轨迹圆相切与一点形成放缩圆。
2.圆形边界的磁场，如果带电粒子做圆周运动的半径如果等于磁场圆的半径，经常创设磁聚焦和磁发散模型。
一、分析临界极值问题常用的四个结论(1)刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切.(2)当速率v 一定时，弧长越长，圆心角越大，则带电粒子在有界磁场中运动的时间越长,(3)当速率v 变化时，圆心角大的，运动时间长，解题时一般要根据受力情况和运动情况画出运动轨迹的草图，找出圆心，再根据几何关系求出半径及圆心角等(4)在圆形匀强磁场中，当运动轨远圆半径大于区域圆半径时，入射点和出射点为磁场直径的两个端点时轨迹对应的偏转角最大(所有的弦长中直径最长)。
二、“放缩圆”模型的应用适用条件速度方向一定，大小不同粒子源发射速度方向一定，大小不同的带电粒子进入匀强磁场时，这些带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径随速度的变化而变化轨迹圆圆心共线如图所示(图中只画出粒子带正电的情景)，速度v 越大，运动半径也越大。
可以发现这些带电粒子射入磁场后，它们运动轨迹的圆心在垂直初速度方向的直线PP ′上界定方法以入射点P 为定点，圆心位于PP ′直线上，将半径放缩作轨迹圆，从而探索出临界条件，这种方法称为“放缩圆”法三、“旋转圆”模型的应用适用条件速度大小一定，方向不同粒子源发射速度大小一定、方向不同的带电粒子进入匀强磁场时，它们在磁场中做匀速圆周运动的半径相同，若射入初速度为v 0，则圆周运动半径为R =mv 0qB。
如图所示轨迹圆圆心共圆带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在以入射点P 为圆心、半径R =mv 0qB的圆上界定方法将一半径为R =mv 0qB的圆以入射点为圆心进行旋转，从而探索粒子的临界条件，这种方法称为“旋转圆”法四、“平移圆”模型的应用适用条件速度大小一定，方向一定，但入射点在同一直线上粒子源发射速度大小、方向一定，入射点不同，但在同一直线的带电粒子进入匀强磁场时，它们做匀速圆周运动的半径相同，若入射速度大小为v 0，则半径R =mv 0qB，如图所示轨迹圆圆心共线带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在同一直线上，该直线与入射点的连线平行界定方法将半径为R =mv 0qB的圆进行平移，从而探索粒子的临界条件，这种方法叫“平移圆”法五、“磁聚焦”模型1．带电粒子的会聚如图甲所示，大量的同种带正电的粒子，速度大小相同，平行入射到圆形磁场区域，如果轨迹圆半径与磁场圆半径相等(R =r )，则所有的带电粒子将从磁场圆的最低点B 点射出．(会聚)证明：四边形OAO ′B 为菱形，必是平行四边形，对边平行，OB 必平行于AO ′(即竖直方向)，可知从A 点发出的带电粒子必然经过B 点．2．带电粒子的发散如图乙所示，有界圆形磁场的磁感应强度为B ，圆心为O ，从P 点有大量质量为m 、电荷量为q 的正粒子，以大小相等的速度v 沿不同方向射入有界磁场，不计粒子的重力，如果正粒子轨迹圆半径与有界圆形磁场半径相等，则所有粒子射出磁场的方向平行．(发散)证明：所有粒子运动轨迹的圆心与有界圆圆心O 、入射点、出射点的连线为菱形，也是平行四边形，O 1A (O 2B 、O 3C )均平行于PO ，即出射速度方向相同(即水平方向)．(建议用时：60分钟)一、单选题1地磁场能抵御宇宙射线的侵入，赤道剖面外地磁场可简化为包围地球一定厚度的匀强磁场，方向垂直该部面，如图所示，O为地球球心、R为地球半径，假设地磁场只分布在半径为R和2R的两边界之间的圆环区域内(边界上有磁场)，磷的应强度大小均为B，方向垂直纸面向外。
带电粒子在磁场中的运动(磁聚焦)
圆形磁场的聚焦问题
一点发散成平行
平行会聚于一点
带电粒子在直边界磁场中的运动
当带电粒子从同一边界入 射出射时速度与边界夹角相同
——对称性
例：如图所示，一带电粒子以任意角从圆周上一点 O沿垂直于磁场方向射入磁场，若粒子的轨道半径 与圆形磁场区域半径相同时，轨道圆弧与磁场区域 圆弧对应的两条半径线组成平行四边形。
【答案】
（1）E
mg q 方向竖直向上 mv B qR 方向垂直于纸面向外
（2）这束带电微粒都通过坐标原点。 (3）与x同相交的区域范围是x>0.
y y y R
A
v
C
O
/
R
P v θ R R O / Q O
x 图 (b)
O 图 (a)
射带 装点 置微 粒 发 x
P C
v
r Q
O/ 例3.今在某一平面内，有M、N两点，从M
点向平面内各个方向发射速率均为v的电子，
请设计一种匀强磁场的分布，使得由M点发 出的电子都能够汇聚到N点。
M
N
粒 子 收 集 器
练：如图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感 应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感 光．从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正 电，电荷量为q，质量为m，速度为v的粒子，不考 虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下 说法正确的是（ ） A．只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上 B．对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长 线不一定过圆心 C．对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过 的弧长越长，时间也越长
求（1）质子射入磁场时的速度大小。 （2）速度方向沿x轴正方向射入 磁场的质子，到达y轴所需的时 间。
磁聚焦问题 (2)
解：（1）如图所示，带电粒子在电场中加速，由动能定理得： qEL 1 mV 2
V2 带电粒子在磁场中偏转，由牛顿第二定律得： BqV m R
2
由以上两式，可得
R
1 2mEL B q
粒子在两磁场区运动半径相同，三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3是等
边三角形，其边长为2R。所以中间磁场区域的宽度为：
里的匀强磁场，磁感应强度为B，许多质量为m，带电 量为+q的粒子，以相同的速率 v 沿位于纸面内的各个方 向，由小孔O射入磁场区域，不计重力，不计粒子间的 相互影响。下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的 区域，其中R=mv/qB，哪个图是正确的？（ A ）
A.
2R
B.
2RR N M 2R R 2R N
解析 ：
1 mv 2 qU 2
a
v2 qBv m R
d
q S
O c
b
半径 R = r0
qr 02 B 2 U 2m
例、如图，环状匀强磁场围成的中空区域内有自由运动的带
电粒子，但由于环状磁场的束缚，只要速度不很大，都不
会穿出磁场的外边缘。设环状磁场的内半径为R1=0.5m， 外半径为 R2=1.0m，磁场的磁感应强度 B=1.0T，若被缚
的带电粒子的荷质比为 q/m=4×107C/kg，中空区域中带
电粒子具有各个方向的速度。试计算： （1）粒子沿环状的半径方向 射入磁场，不能穿越磁场的最 大速度。
5 5m t3 T 6 3qB
B2
2mL 7m qE 3qB
例、 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其
上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a、b、c和d，外筒 的半径为r0，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线 方向的均匀磁场B。在两极间加上电压。一质量为m、带 电量为+q的粒子初速为零，从紧靠内筒且正对狭缝a的S 点出发，经过一段时间的运动之后恰好又回到点S，则 两电极之间的电压U应是多少？ （不计重力，整个装置在真空中）
圆形有界磁场中“磁聚焦”
高三物理 圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习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。
【典型题目练习】1．如图所示，在半径为R 的圆形区域内充满磁感应强度为B 的匀强磁场，MN 是一竖直放置的感光板．从圆形磁场最高点P 垂直磁场射入大量的带正电，电荷量为q ，质量为m ，速度为v 的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是（）A ．只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN 上B ．对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C ．对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D ．只要速度满足，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN 上qBR v m 2．如图所示，长方形abed 的长ad =0.6m ，宽ab =0.3m ，O 、e 分别是ad 、bc 的中点，以e 为圆心eb 为半径的四分之一圆弧和以O 为圆心Od 为半径的四分之一圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场)磁感应强度B=0.25T 。
一群不计重力、质量m=3×10-7kg 、电荷量q=+2×10-3C 的带正电粒子以速度v =5×102m/s 沿垂直ad 方向且垂直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是（）A ．从Od 边射入的粒子，出射点全部分布在Oa 边B ．从aO 边射入的粒子，出射点全部分布在ab 边C ．从Od 边射入的粒子，出射点分布在ab 边D ．从ad 边射人的粒子，出射点全部通过b 点3．如图所示，在坐标系xOy 内有一半径为a 的圆形区域，圆心坐标为O 1（a ，0），圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线y =a 的上方和直线x =2a 的左侧区域内，有一沿x 轴负方向的匀强电场，场强大小为E ，一质量为m 、电荷量为+q （q >0）的粒子以速度v 从O 点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿x 轴方向时，粒子恰好从O 1点正上方的A 点射出磁场，不计粒子重力，求：（1）磁感应强度B 的大小；（2）粒子离开第一象限时速度方向与y 轴正方向的夹角；（3）若将电场方向变为沿y 轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度v 从O 点垂直于磁场方向、并与x 轴正方向夹角θ=300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总时间t 。
圆形有界磁场中“磁聚焦”规律(有答案)
mv 0.3m 知，在磁场中圆周运动的半径与圆形磁场磁场的半径相等，从 Oa 入射 qB
的粒子，出射点一定在 b 点；从 Od 入射的粒子，经过四分之一圆周后到达 be，由于边界无 磁场，将沿 be 做匀速直线运动到达 b 点；选项 D 正确。 3．解析： （1）当粒子速度沿 x 轴方向入射，从 A 点射出磁场时，几何关系知：r=a； 由 qvB m
2mE L ，区域Ⅲ的圆心坐标为（0， ） 、磁场方向垂直于 xOy 平面向外； qL 2 L ） 、磁场方向垂直于 xOy 平面向里。两个质量均为 m、电荷量 2
区域Ⅳ的圆心坐标为（0，
3 L 3 2 3 均为 q 的带正电粒子 M、N，在外力约束下静止在坐标为（ L ， ） 、 （ L， L） 2 2 2 4
qBR ，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在 MN 上 m
2．如图所示，长方形abed的长ad=0.6m，宽ab=0.3m，O、e分别是ad、bc的中点，以e为圆 心eb为半径的四分之一圆弧和以O为圆心Od为半径的四分之一 圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场) 磁感应强度B=0.25T。一群不计重力、质量m=3×10-7kg、电荷量 q=+2×10-3C的带正电粒子以速度v=5×102m/s沿垂直ad方向且垂 直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是（ A．从Od边射入的粒子，出射点全部分布在Oa边 B．从aO边射入的粒子，出射点全部分布在ab边 C．从Od边射入的粒子，出射点分布在ab边 D．从ad边射人的粒子，出射点全部通过b点 3．如图所示，在坐标系 xOy 内有一半径为 a 的圆形区域，圆心坐标为 O1（a，0） ，圆内分 布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线 y=a 的上方和直线 x=2a 的左侧区域内，有一沿 x 轴 负方向的匀强电场，场强大小为 E，一质量为 m、电荷量为+q（q>0）的粒子以速度 v 从 O 点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿 x 轴方向时，粒子恰好从 O1 点正上方的 A 点射 出磁场，不计粒子重力，求： （1）磁感应强度 B 的大小； （2）粒子离开第一象限时速度方向与 y 轴正方向的夹角； （3）若将电场方向变为沿 y 轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度 v 从 O 点垂直于磁 场方向、并与 x 轴正方向夹角θ=300 射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总
带电粒子在圆形有界磁场中磁聚焦问题
电磁场中磁聚焦和有界问题1、如图所示在xoy 坐标平面内以O ’为圆心，半径r=0.1m 的圆形区域内存在垂直纸面向外的磁感应强度B=0.1T 的匀强磁场，圆形区域的下端与x 轴相切于坐标原点O 。
现从坐标原点O 沿xoy 平面在y 轴两侧各30º角的范围内，发射速率均为v 0=1.0×106m/s 的带正电粒子，粒子在磁场中的偏转半径R 也为0.1m ，不计粒子的重力，粒子对 磁场的影响及粒子间的相互作用力，求①粒子的比荷q/m ，②沿y 轴正方向射入磁场的粒子在磁场中运动的时间。
③若在x ≥0.1m ，y>0的区域有竖直向下的匀强电场，其电场强度E=1.0×105N/C 则粒子到达x 轴的范围。
2.如图，在第二象限的圆形区域I 存在匀强磁场，区域半径为R ，磁感应强度为B ，且垂直于Oxy 平面向里;在第一象限的区域II 和区域III 内分别存在垂直Oxy 平面向外和垂直Oxy 平面向里的匀强磁场，磁场宽度相等，磁感应强度大小分别为B 和2B 。
质量为m 、带电荷量q （q ＞0）的粒子a 于某时刻从圆形区域I 最 高点Q （Q 和圆心A 连线与y 轴平行）进入区域I ，其速度v ＝qBR m。
已知a 在离开圆形区域I 后，从某点P 进入区域II 。
该粒子a 离开区域II 时，速度方向与x 轴正方向的夹角为30°；此时，另一质量和电荷量均与a 相同的粒子b 从P 点进入区域II ，其速度沿x 轴正向，大 小是粒子a 的31。
不计重力和两粒子之间的相互作用力。
求：（1）区域II 的宽度；（2）当a 离开区域III 时，a 、b 两粒子的y 坐标之差。
3、如图所示,在xoy 平面内,以O'(0,R ）为圆心、R 为半径的圆内有垂直平面向外的匀强磁场，x 轴下方有垂直平面向里的匀强磁场，两区域磁感应强度大小相等。
第四象限有一与x 轴成45°角倾斜放置的挡板PQ ，P 、Q 两点在坐标轴上,且OP 两点间的距离大于2R,在圆形磁场的左侧0<y<2R 的区间内、均匀分布着质量为m 、电荷量为＋q 的一簇带电粒子,当所有粒子均沿x 轴正向以速度v 射入圆形磁场区域时,粒子偏转后都从O 点进入x 轴下方磁场，结果有一半粒子能打在挡板上。
圆形有界磁场中“磁聚焦”规律[有答案及解析]
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圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习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。
【典型题目练习】1. 如图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板.从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正电，电荷量为q,质量为m速度为v的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是( )A. 只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上B. 对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C. 对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D. 只要速度满足v qBR，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上m2. 如图所示，长方形abed的长ad=0.6m，宽ab=0.3m, O e分别是ad 、be的中点，以e为圆心eb为半径的四分之一圆弧和以O为圆心0(为半径的四分之一圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场)磁感应强度B=0.25T。
一群不计重力、质量m=3< 10 -7 kg、电荷量q=+2x 10 -3C的带正电粒子以速度v=5x 102m/s沿垂直ad方向且垂直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是( )A.从Oc边射入的粒子，出射点全部分布在Oa边B. 从aO边射入的粒子，出射点全部分布在ab边C. 从0c边射入的粒子，出射点分布在ab边D. 从ad边射人的粒子，出射点全部通过b点3. 如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为0(a, 0),圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿x轴负方向的匀强电场，场强大小为E, —质量为m电荷量为+q (q>0)的粒子以速度v从O点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿x轴方向时，粒子恰好从O点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力，求：(1)磁感应强度B的大小；(2)粒子离开第一象限时速度方向与y轴正方向的夹角；(3)若将电场方向变为沿y轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度v从O点垂直于磁场方向、并与x轴正方向夹角0 =300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的(2)求在A 、C 间还有哪些坐标位置的粒子通过电场后也能沿x 轴正方向运动?(3)为便于收集沿 x 轴正方向射出电场的所有粒子，若以直线x =2l o 上的某点为圆心的圆形磁场区域内，设计分布垂直于 xOy 平面向里的匀强磁场， 使得沿x 轴正方向射出电场的粒 子经磁场偏转后，都能通过x =2l 0与圆形磁场边界的一个交点。
圆形有界磁场中“磁聚焦”规律(有规范标准答案)
圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习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。
【典型题目练习】1．如图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板．从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正电，电荷量为q，质量为m，速度为v的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是（）A．只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上B．对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C．对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D．只要速度满足qBRvm，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上2．如图所示，长方形abed的长ad=0.6m，宽ab=0.3m，O、e分别是ad、bc的中点，以e为圆心eb为半径的四分之一圆弧和以O为圆心Od为半径的四分之一圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场)磁感应强度B=0.25T。
一群不计重力、质量m=3×10-7kg、电荷量q=+2×10-3C的带正电粒子以速度v=5×102m/s沿垂直ad方向且垂直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是（）A．从Od边射入的粒子，出射点全部分布在Oa边B．从aO边射入的粒子，出射点全部分布在ab边C．从Od边射入的粒子，出射点分布在ab边D．从ad边射人的粒子，出射点全部通过b点3．如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为O1（a，0），圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿x轴负方向的匀强电场，场强大小为E，一质量为m、电荷量为+q（q>0）的粒子以速度v从O 点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿x轴方向时，粒子恰好从O1点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力，求：（1）磁感应强度B的大小；（2）粒子离开第一象限时速度方向与y轴正方向的夹角；（3）若将电场方向变为沿y轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度v从O点垂直于磁场方向、并与x轴正方向夹角θ=300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总时间t 。
高中物理 带电粒子在圆形有界磁场中的运动之磁聚焦与磁发散
高中物理 带电粒子在圆形有界磁场中的运动之--磁聚焦与磁发散模型概述带电粒子在圆形有界匀强磁场中运动时，会出现一束平行粒子经磁场偏转后会聚于边界一点，此现象为磁聚焦；一束粒子从边界一点向不同方向经磁场偏转后平行射出，此现象为磁发散。
等半径原理：圆形磁场半径与粒子运动半径相等时，会出现菱形，如下图所示。
当粒子入射方向指向磁场区域圆心，或粒子入射方向不指向磁场区域圆心，根据几何关系，易证明四边形AOCO'为菱形。
物理建模：模型：如图所示。
当圆形磁场区域半径R 与轨迹圆半径r 相等时，从磁场边界上任一点向各个方向射入圆形磁场的粒子全部平行射出，出射方向与过入射点的磁场圆直径垂直(磁发散)；反之，平行粒子束射入圆形磁场必会聚在磁场边界上某点，且入射方向与过出射点的磁场圆直径垂直(磁聚焦)。
O A证明：如图所示，任意取一带电粒子以速率v从A点射入时，粒子在磁场中的运动轨迹圆半径为R，有界圆形磁场的半径也为R，带电粒子从区域边界C点射出，其中O为有界圆形磁场的圆心，B为轨迹圆的圆心。
图中AO、OC、CO'、O'A的长度均为R，故AOCO'为菱形。
由几何关系可知CO'∥AO，即从C点飞出的粒子速度方向与OA垂直，因此粒子飞出圆形有界磁场时速度方向均与OA垂直。
反之也成立。
解题切入点：分析发现粒子轨道半径与磁场区域圆半径的关系，二者相等为磁聚焦或磁发散，否则不满足该关系，但满足怎么进入怎么出去的角度关系，借助几何关系解答。
【典例1】(磁聚焦)如图所示，x轴正方向水平向右，y轴正方向竖直向上。
在xOy平面内有与y轴平行的匀强电场，在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场。
在圆的左边放置一带电微粒发射装置，它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q(q＞0)和初速度v的带电微粒。
发射时，这束带电微粒分布在0＜y＜2R的区间内．已知重力加速度大小为g。
(1)从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域，并从坐标原点O沿y轴负方向离开，求电场强度和磁感应强度的大小与方向。
带电粒子在磁场中的运动(磁聚焦)
例1、在xoy平面内有很多质量为m，电量为e的电子，从坐
标原点O不断以相同速率沿不同方向射入第一象限，如 图所示．现加一垂直于xOy平面向里、磁感强度为B的匀 强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都能平行于x轴且 沿x轴正向运动，试问符合该条件的磁场的最小面积为 多大？（不考虑电子间的相互作用）
y
v0
例3放置在坐标原点O的粒子源，可以向第二象限内放射出质量为m、电荷量为q
的带正电粒子，带电粒子的速率均为v，方向均在纸面内，如图所示．若在某区域内
存在垂直于xOy平面的匀强磁场(垂直纸面向外)，磁感应强度大小为B，则这些粒子
都能在穿过磁场区后垂直射到垂直于x轴放置的挡板PQ上，求：
(1)挡板PQ的最小长度； (2)磁场区域的最小面积．
On
x2 + (r－y)2=r2。
即所有出射点均在以坐标(0，r)为圆心的圆弧abO上，显然，
磁场分布的最小面积应是实线1和圆弧abO所围的面积，由几何
关系得
Smin
2(1 r2
4
1 2
r2)
(
2
1)( mv0 eB
)2
解2: 磁场上边界如图线1所示。
y
设P(x，y)为磁场下边界上的一 点，经过该点的电子初速度与x轴
子最后扩展到 －2H<y<2H 范围内，继续沿 x 轴正向平行地
Байду номын сангаас
以相同的速率 v0向远处射出。已知电子的电量为 e，质量为
m，不考虑电子间的相互作用。
y
v0
2H
v0
H
对称思想
O -H v0 -2H
x 图形象什么？
v0
蝴蝶
如图,在xoy平面上-H<y<H的范围内有一片稀疏的电子.从x轴的负半轴的
2025高考物理总复习“平移圆”“放缩圆”“旋转圆”“磁聚焦”和“磁发散”模型
垂直ab射入磁场,已知所有粒子均从圆弧边界射出,其中M、N是圆弧边界上的两
点,不计粒子间的相互作用和重力。则下列说法正确的是( D )
A.粒子带负电荷
B.从M点射出粒子的速率一定大于从N点射出粒子的速率
C.从M点射出的粒子在磁场中运动的时间一定小于从N点
射出的粒子在磁场中运动的时间
2π
D.粒子在磁场中的最短运动时间为
界定
0
将一半径为R= 的圆以入射点为圆心进行旋转,从而探索粒子的临
方法 界条件,这种方法称为“旋转圆”法
考向一 “平移圆”模型
典题1 如图所示,边长为L的正方形有界匀强磁场ABCD,带电粒子从A点沿
AB方向射入磁场,恰好从C点飞出磁场;若带电粒子以相同的速度从AD的
中点P垂直AD射入磁场,从DC边的M点飞出磁场(M点未画出)。设粒子从A
小为B1。空间中z轴正方向垂直于xOy平面向外,x轴上过D点(4d,0,0)放置一足够
大且垂直于x轴的粒子收集板PQ,PQ与yOz平面间有一沿x轴正方向的匀强电场,
电场强度大小为E。x轴上过C点(d,0,0)垂直于x轴的平面MN与PQ间存在沿x轴
负方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B2。在xOy平面内的-2R≤x≤-R区域内,有大
定。综上所述,D正确,A、B、C错误。
考向三 “旋转圆”模型
典题3 (多选)(2024河南郑州模拟)如图所示,在直角坐标系xOy的第一象限内存在磁
感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场,在y轴上S处有一粒子源,它可向
右侧纸面内各个方向射出速率相等的质量均为m、电荷量均为q的同种带电粒子,
所有粒子射出磁场时离S最远的位置是x轴上的P点。已知 OP= 3 =
圆形有界磁场中磁聚焦
圆形有界磁场中磁聚焦集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#高三物理圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习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。
【典型题目练习】1．如图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板．从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正电，电荷量为q，质量为m，速度为v的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是（）A．只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上B．对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C．对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D．只要速度满足qBR，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上vm2．如图所示，长方形abed的长ad=，宽ab=，O、e分别是ad、bc的中点，以e为圆心eb为半径的四分之一圆弧和以O为圆心Od为半径的四分之一圆弧组成的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场)磁感应强度B=。
一群不计重力、质量m=3×10-7kg、电荷量q=+2×10-3C的带正电粒子以速度v=5×102m/s沿垂直ad 方向且垂直于磁场射人磁场区域，则下列判断正确的是（）A．从Od边射入的粒子，出射点全部分布在Oa边B．从aO边射入的粒子，出射点全部分布在ab边C．从Od边射入的粒子，出射点分布在ab边D．从ad边射人的粒子，出射点全部通过b点3．如图所示，在坐标系xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为O1（a，0），圆内分布有垂直纸面向里的匀强磁场，在直线y=a的上方和直线x=2a的左侧区域内，有一沿x轴负方向的匀强电场，场强大小为E，一质量为m、电荷量为+q（q>0）的粒子以速度v从O点垂直于磁场方向射入，当入射速度方向沿x轴方向时，粒子恰好从O1点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力，求：（1）磁感应强度B的大小；（2）粒子离开第一象限时速度方向与y轴正方向的夹角；（3）若将电场方向变为沿y轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度v从O点垂直于磁场方向、并与x轴正方向夹角θ=300射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总时间t。
圆形有界磁场中磁聚焦0001
与圆轨迹半径相等时，存在两条特殊规律：帶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，则粒子规律一：图如甲的出射速度方向与闘形磁场上入射点的切线方向平行，
甲 乙
所示。圆规律二：平行射入圆
形有界场的相同带电粒子，如果上磁场形fit场 并且出射点的切线与入射速度方向图所示。【典型题目
x=
//
Q
II
Li
E
c *
界边场X轴下方的电场方向沿y轴正方向。在电左内，连续分，0）点区域1, ?1）点到C（?21（从A?2ooo点A布着电量为+q、质量为m的粒子。从某时刻起5轴 正方x沿到C点间的粒子依次连续以相同速度vo的上y轴点射入的粒子恰好从向 射入电场。从A”A轴正方向射出电场，其轨迹如图所示。不计粒子的重力及它们间 的相互作）点沿沿x0,?1（o用。E的大小o AC间入射的粒子穿越电场 区域的时间t和匀强电场的电场强度（1）求从x轴正方向运动？A、C间还有 哪些坐标位置的 粒子通过电场后也能沿（2）求在上的某点为圆心的圆形磁=21轴正方向射岀电场的 所有粒子，若以直线x（3）为便于收集沿X。轴正方向射岀电场的粒子经磁使得 沿x设计分布垂直于xOy平面向里的匀强磁场，场区域内，与圆形磁场边界的一个 交点。则磁场区域最小半径是多大？相应的=21场偏转后，都能通过xo B是多大？ 磁鳳应強度的圆形磁=0.1mxoy坐标系中分布着三个有界 场区：第一象限中有一半径 为匚5如图所示，在轴相切，切点分别为y,方向垂直纸面向里，该区域同时与X轴、场区域，磁鳳应强度B=1T1：,（和直线DH（，单位：m） A、C；第四象限中，由y轴、抛物线FG0.025y??10?xx?0.425x?y?DH的 匀强电场；以及直线/C）构成的区域中， 存在着方向竖直向下、强度E=2.5N单位：m-6，电量kgni=lX 10（重力不计）=0.5右下方存在垂直纸面向里的匀强磁 场BT。现有大量质量24处垂直磁场进入第一象 限，速度方向20m/sl0的带负电 的粒子从C,速率均为大小为q=2XAo之间。0至180与y车由夹角在1）求这些粒子在圆形礁场区域中运动的半径：（轴垂直：x轴时速度方向均与x（2）试 证明这些粒子经过轴上的同一点，并求出该点坐标。3）通过计算说明这些粒子会经过y（的正方形匀强电场 区域I、II和两个直径LxOy内，存在着两个边长为6.如图所示，真空中一平面直角坐标系轴上.右xx轴正方 向，其下边界在为L的圆形磁场区域Hk IVc电场的场强大小均为E•区域|的场强方向沿轴上.左边界刚好 与刚好与区域轴正
圆形有界磁场“磁聚焦”规律再探讨
作者： 廖香林[1]
作者机构： [1]四川省蓬安县周口中学,四川南充637000
出版物刊名： 物理教师
页码： 84-86页
年卷期： 2019年 第11期
主题词： 磁聚焦;有界磁场;月牙形
摘要：本文旨在再探究圆弧形有界磁场"磁聚焦"规律,对完整圆形有界磁场挖去部分区域后形成"月牙形"有界磁场,通过计算分析发现只要带电粒子满足合适的速度,粒子也能在特定位置发生"磁聚焦",并指出该模型中并非进入磁场的带电粒子都能互相平行射出,只有发射角度在特定范围内才能互相平行射出.。
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圆形有界磁场中“磁聚焦”的相关规律练习高三物理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；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，则粒子规律一：图如甲的出射速度方向与圆形磁场上入射点的切线方向平行，
所示。
圆规律二：平行射入圆形有界磁场的相同带电粒子，如果上磁场形磁场的半径与圆轨迹半径相等，则所有粒子都从边界乙，如平行的同一点射出，并且出射点的切线与入射速度方向图所示。
【典型题目
练习】
的匀强磁R的圆形区域内充满磁感应强度为B1．如图所示，在半径为场射入大P垂直磁场，MN是一竖直放置的感光板．从圆形磁场最高点虑粒子间的粒子，不考量的带正电，电荷量为q，质量为m，速度为v）（的相互作用力，关
于这些粒子的运动以下说法正确的是
．只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上A B．对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C．对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长qBR上D．只要速度满足，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN v m ebbceadabOad、abed为圆心=0.6m，宽的中点，以=0.3m的长，分别是、2．如图所示，长方形e
OdO一圆弧组成为圆心为半径的四分之一圆弧和以为半径的四分之感应强度(边界上无磁场磁)的区域内有垂直纸面向里的匀强磁场B=-7-3、电荷量kgq=+2×100.25TC。
一群不计重力、质量m=3×10adv2方向且垂直m/s的带正电粒子以速度=5×10于磁场射人沿垂直磁场区域，则下列判断正确的是（）OaOd边射入的粒子，出射点全部分布在A．从边abaO B．从边边射入的粒子，出射点全部分布在abOd C．从边边射入的粒子，出射点分布在bad D边射人的粒子，出射点全部通过．从点），圆内分布有垂直纸面向里的aO（，0如图所示，在坐标系3．xOy内有一半径为a的圆形区域，圆心坐标为1，一质x轴负方向的匀强电场，场强大小为E的上方和直线y=ax=2a的左
侧区域内，有一沿匀强磁场，在直线轴方向时，粒子x）的粒子以速度v从O点垂直于磁场方向射入，当
入射速度方向沿>0+量为m、电荷量为q（q O点正上方的A点射出磁场，不计粒子重力，求：恰好从1 B
的大小；1（）磁感应强度y（2）粒子离开第一象限时速度方向与轴正方向的夹角；轴正x点垂直于磁场
方向、并与O从v轴负方向，电场强度大小不变，粒子以速度y）若将电场方向变为沿3（．
0射入第一象限，求粒子从射入磁场到最终离开磁场的总时间t=30。
方向夹角θ4．如图所示的直角
坐标系中，从直线x=?2l到y轴区域存在两个大小相等、方向相反的有界0匀强电场，其中x轴上方的电场方向沿y轴负方向，
界边场x轴下方的电场方向沿y轴正方向。
在电左内，连续分，0）点区域l，?l）点到C（?2l（从A?2000点A布着电量为+q、质量为m的粒子。
从某时刻起，轴正方x沿到C点间的粒子依次连续以相同速度v0的上y轴点射入的粒子恰好从向射入电场。
从A?A轴正方向射出电场，其轨迹如图所示。
不计粒子的重力及它们间的相互作）点沿沿x0，?l（0用。
E的大小。
AC间入射的粒子穿越电场区域的时间t和匀强电场的电场强度（1）求从x轴正方向运动？A、C间还有哪些坐标位置的粒子通过电场后也能沿（2）求在上的某点为圆心的圆形磁=2l
轴正方向射出电场的所有粒子，若以直线x（3）为便于收集沿x0轴正方向射出电场的粒子经磁使得沿x设计分布垂直于xOy平面向里的匀强磁场，场区域内，与圆形磁场边界的一个交点。
则磁场区域最小半径是多大？相应的=2l场偏转后，都能通过x0 B是多大？磁感应强度的圆形磁=0.1mxoy坐标系中分布着三个有界场区：第一象限中有一半径为r．5如图所示，在轴相切，切点分别为y，方向垂直纸面向里，该区域同时与x轴、场区域，磁感应强度B=1T12，（和直线DH（，单位：m）A、C；第四象限中，由y轴、抛物线FG0.025y??10?xx?0.425x?y?DH的匀强电场；以及直线/C）构成的区域中，存在着方向竖直向下、强度E=2.5N单位：m-6 ，电量kgm=1×10（重力不计）=0.5右下方存在垂直纸面向里的匀强磁场BT。
现有大量质量2-4 处垂直磁场进入第一象限，速度方向20m/s10的带负电的粒子从C，速率均为大小为q=2×A0之间。
0至180与y轴夹角在1）求这些粒子在圆形磁场区域中运动的半径；（轴垂直；x轴时速度方向均与x（2）试证明这些粒子经过轴上的同一点，并求出该点坐标。
3）通过计算说明这些粒子会经过y（的正方形匀强电场区域Ⅰ、Ⅱ和两个直径LxOy 内，存在着两个边长为6．如图所示，真空中一平面直角坐标系轴上，右xx轴正方向，其下边界在为L的圆形磁场区域Ⅲ、Ⅳ。
电场的场强大小均为E，区域Ⅰ的场强方向沿轴上，左边界刚好与刚好与区域轴正
方向，其上边界在x边界刚好与区域Ⅱ的边界相切；区域Ⅱ的场强方向沿y LmE22平）、磁场方向垂直于xOyⅣ的边界相切。
磁场的磁感应强度大小均为，区域Ⅲ的圆心坐标为（0，qL2L?的qm，、电荷量均为）、磁场方向垂直于xOy平面向里。
两个质量均为面向外；区域Ⅳ的圆心坐标为（02
3L332???LLL，NM带正电粒子）、（、，）的两点。
在x轴的正半，在外力约束下静止在坐标为（
4222．
轴（坐标原点除外）放置一块足够长的感光板，板面垂直于xOy平面。
将粒子M、N由静止释放，它们最终打在感光板上并立即被吸收。
不计粒子的重力。
求：
（1）粒子离开电场Ⅰ时的速度大小。
击中感光板的位置坐标。
）粒子M（2 在磁场中运动的时间。
）粒子N（3轴xO在7．如图所示，半圆有界匀强磁场的圆心1小OO距离等于半圆磁场的半径，磁感应大强度上，1在。
为B。
虚线MN平行x轴且与半圆相切于P点1大强上方是正交的匀强电场和匀强磁场，电MN场场为小大小为E，方向沿x轴负向，磁场磁感应强度一。
有示B，B方向均垂直纸面，方向如图所。
B212点轴正方向进入磁场的粒子经过P射入第I象限，其中沿x群相同的正粒子，以相同的速率沿不同方向从原点O q（粒子重力不计）。
求：MN后，恰好在正交的电磁场中做直线运动，粒子质量为m，电荷量为射入1）粒子初速度大小和有界半圆磁场的半径。
（y轴出电场时的坐标。
B，则经过P点射入电场的粒子从（2）若撤去磁场2 I象限的粒子都能在正交的电磁场中做直线运动。
）试证明：题中所有从原点O进入第（3小大应强度，磁场的磁感形的圆磁场，与坐标原点相切一甲8．如图所示，真空中有个半径r=0.5m?3,的匀强电场区域处的虚线右侧有一个方向竖直向上的宽度L=0.5mT，方向垂直于纸面向里，在x=B=2.0×10r3点处向不同方向发射出速率相同的Ox方向的足够长的荧光屏，从N/C，在x=2m电场强度E=1.5×10处有一垂直q9kg/C?1.0?10轴正方向射入磁场的粒子y带负电的粒子，粒子的运动轨迹在纸面内。
一个速度方向沿比荷m M，恰能从磁场与电场的相切处进入电场。
不计重力及阻力的作用。
求：M进入电场时的速度。
（1）粒子
粒子N轴正方向成30°（如图中所示）射入磁场的，最后（2）速度方向与y标。
打到荧光屏上,画出粒子N的运动轨迹并求该发光点的位置坐?15?25正电粒子从坐10的带C如图甲所示9．,质量m=8.0×10，电荷量kgq=1.6×30°于等O标原点处沿xOy平面射入第一象限内，且在与x方向夹角于大为小均但向的子围的范内，粒射入时速度方不同，大7，若这些粒子穿过v=2.0×m/s。
现在某一区域内加一垂直于=0.1TB平面向里的匀强磁场,10磁感应强度大小xOy0向左移动时，屏上光斑长度和位置保持不变。
MN,y磁场后都能射到与轴平行的荧光屏MN上并且当把荧光屏求：(π=3.14) 轴穿过的范围。
y1（）粒子从（2）荧光屏上光斑的长度。
上的粒子运动的时间差。
MN3（）从最高点和最低点打到荧光屏4（）画出所加磁场的最
小范围（用斜线表示）。