带电粒子在非均匀电磁场中的运动分析

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总结带电粒子在电场磁场中的运动问题分析

总结带电粒子在电场磁场中的运动问题分析
当带电粒子在磁场中运动时,洛伦兹力的大小和方向与粒 子的电荷量、速度和磁感应强度有关,通过牛顿第二定律 可以求出粒子的加速度。
动量定理在电磁场中的应用
动量定理是描述物体动量化的规律,在电磁场中,带电粒子受到电场力和洛伦兹 力的作用,通过分析这两个力的冲量关系,可以确定粒子的动量变化。
当带电粒子在电场中运动时,电场力对粒子做功,通过动量定理可以求出粒子的速 度变化。
详细描述
当带电粒子以一定速度垂直射入电场时,由于受到恒定的电场力作用,粒子将偏离原来的直线运动轨迹并做类平 抛运动。其偏转角度和偏转量的大小取决于粒子的质量和初速度以及电场强度。
02
带电粒子在磁场中的运动
匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动
总结词
在均匀磁场中,带电粒子受到洛伦兹 力作用,将做匀速圆周运动。
非匀强电场中带电粒子的运动
总结词
在非匀强电场中,带电粒子受到的电场力是变化的,运动轨迹一般为曲线。
详细描述
带电粒子在非匀强电场中受到的电场力是变化的,根据牛顿第二定律,粒子的 加速度也在变化。因此,带电粒子的运动轨迹一般为曲线,如抛物线、圆弧等。
带电粒子在电场中的偏转
总结词
带电粒子以一定速度垂直射入电场时,将发生偏转并做类平抛运动。
03
带电粒子在复合场中的运动
匀强电场与匀强磁场复合场中带电粒子的运动
要点一
总结词
要点二
详细描述
在匀强电场与匀强磁场复合场中,带电粒子会受到电场力 和洛伦兹力的作用,运动轨迹为复杂的曲线。
带电粒子在复合场中的运动取决于电场力和洛伦兹力的平 衡状态。当电场力和洛伦兹力的方向相同时,粒子将做加 速运动;当电场力和洛伦兹力的方向相反时,粒子将做减 速运动。在某些情况下,带电粒子可能沿着复合场的边界 做圆周运动或螺旋运动。

带电粒子在电场和磁场中的运动教案

带电粒子在电场和磁场中的运动教案

带电粒子在电场和磁场中的运动教案第一章:电场对带电粒子的作用1.1 静电场的基本概念电荷电场强度电势差1.2 电场对带电粒子的作用力库仑定律电场力的大小和方向电场力的作用效果1.3 电场的图像表示电场线等势面第二章:带电粒子在电场中的运动2.1 电场中的直线运动匀速直线运动匀加速直线运动2.2 电场中的曲线运动圆周运动螺旋运动2.3 电场中的静止状态电荷的平衡状态电荷的受力平衡第三章:磁场对带电粒子的作用3.1 磁场的基本概念磁场强度磁感应强度磁通量3.2 磁场对带电粒子的作用力洛伦兹力洛伦兹力的方向洛伦兹力的大小3.3 磁场的图像表示磁场线磁感线第四章:带电粒子在磁场中的运动4.1 磁场中的直线运动匀速直线运动匀速圆周运动4.2 磁场中的曲线运动螺旋运动螺旋线运动4.3 磁场中的静止状态带电粒子的受力平衡带电粒子的稳定运动第五章:带电粒子在电场和磁场中的组合运动5.1 电场和磁场的相互作用洛伦兹力在电场中的作用洛伦兹力在磁场中的作用5.2 带电粒子在电场和磁场中的复合运动带电粒子的轨迹带电粒子的速度和加速度5.3 实际应用举例粒子加速器磁悬浮列车第六章:带电粒子在非均匀电场中的运动6.1 非均匀电场的基本概念电场强度随位置的变化电势差随位置的变化6.2 带电粒子在非均匀电场中的受力分析电场力随位置的变化带电粒子的加速度随位置的变化6.3 非均匀电场中的轨迹和速度带电粒子的轨迹形状带电粒子的速度随位置的变化第七章:带电粒子在非均匀磁场中的运动7.1 非均匀磁场的基本概念磁场强度随位置的变化洛伦兹力随位置的变化7.2 带电粒子在非均匀磁场中的受力分析洛伦兹力随位置的变化带电粒子的加速度随位置的变化7.3 非均匀磁场中的轨迹和速度带电粒子的轨迹形状带电粒子的速度随位置的变化第八章:带电粒子在电场和磁场组合场中的运动8.1 组合场的基本概念电场和磁场的叠加洛伦兹力和电场力的叠加8.2 带电粒子在组合场中的受力分析洛伦兹力和电场力的合成带电粒子的加速度的合成8.3 组合场中的轨迹和速度带电粒子的轨迹形状带电粒子的速度的合成第九章:带电粒子在电场和磁场中的动力学方程9.1 动力学方程的推导牛顿第二定律洛伦兹力的表达式9.2 动力学方程的应用带电粒子在电场中的动力学方程带电粒子在磁场中的动力学方程9.3 动力学方程的数值解法欧拉法龙格-库塔法第十章:带电粒子在电场和磁场中的实验现象和应用10.1 实验现象的观察电场对带电粒子的作用实验磁场对带电粒子的作用实验10.2 实验数据的处理和分析实验误差的估计实验数据的线性拟合10.3 实际应用的探讨粒子加速器的实验应用磁悬浮列车的技术应用重点和难点解析重点环节1:电场对带电粒子的作用力补充和说明:库仑定律是描述电荷之间相互作用力的基本定律,其公式为F=kQ1Q2/r^2,其中k为库仑常数,Q1和Q2分别为两个电荷的电量,r为两者之间的距离。

(完整版)高考物理带电粒子在磁场中的运动解析归纳

(完整版)高考物理带电粒子在磁场中的运动解析归纳

难点之九:带电粒子在磁场中的运动一、难点突破策略(一)明确带电粒子在磁场中的受力特点1. 产生洛伦兹力的条件:①电荷对磁场有相对运动.磁场对与其相对静止的电荷不会产生洛伦兹力作用.②电荷的运动速度方向与磁场方向不平行. 2. 洛伦兹力大小:当电荷运动方向与磁场方向平行时,洛伦兹力f=0;当电荷运动方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力最大,f=qυB ;当电荷运动方向与磁场方向有夹角θ时,洛伦兹力f= qυB ·sin θ3. 洛伦兹力的方向:洛伦兹力方向用左手定则判断 4. 洛伦兹力不做功.(二)明确带电粒子在匀强磁场中的运动规律带电粒子在只受洛伦兹力作用的条件下:1. 若带电粒子沿磁场方向射入磁场,即粒子速度方向与磁场方向平行,θ=0°或180°时,带电粒子粒子在磁场中以速度υ做匀速直线运动.2. 若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直,即θ=90°时,带电粒子在匀强磁场中以入射速度υ做匀速圆周运动.①向心力由洛伦兹力提供:R v mqvB 2=②轨道半径公式:qBmvR =③周期:qB m 2v R 2T π=π=,可见T 只与q m有关,与v 、R 无关。

(三)充分运用数学知识(尤其是几何中的圆知识,切线、弦、相交、相切、磁场的圆、轨迹的圆)构建粒子运动的物理学模型,归纳带电粒子在磁场中的题目类型,总结得出求解此类问题的一般方法与规律。

1. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的基本型问题(1)定圆心、定半径、定转过的圆心角是解决这类问题的前提。

确定半径和给定的几何量之间的关系是解题的基础,有时需要建立运动时间t 和转过的圆心角α之间的关系(T 2t T 360t πα=α=或)作为辅助。

圆心的确定,通常有以下两种方法。

① 已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图9-1中P 为入射点,M 为出射点)。

带电粒子在非均匀电磁场中的运动

带电粒子在非均匀电磁场中的运动

带电粒子在非均匀电磁场中的运动
电磁场是一种物理场,由电荷和电流携带的电荷与磁荷所产生
的力之间的相互作用产生。

当带电粒子放置在电磁场中时,其将受
到非均匀电磁场的力的作用,从而产生相应的运动。

垂直磁场
当带电粒子在一个垂直磁场中受到作用时,它的运动将产生环
状的轨迹。

这是因为磁场中的力垂直于粒子的速度方向,使其沿着
半径运动,产生一个环形轨迹。

带电粒子在磁场中的运动速度将保
持不变,但它将绕着磁场线圈中心以某种频率旋转。

当带电粒子在一个由电场和磁场组成的垂直场中运动时,这将
产生一种称为霍尔效应的现象。

在这种情况下,电子被强制从磁场
一端移动到另一端,在电场的作用下,从而产生电压差。

这一现象
在半导体和其它材料的研究中有着广泛的应用。

非垂直磁场
当带电粒子在沿着磁场方向的均匀磁场中运动时,它将继续沿
着磁场方向前进,但是当它遇到垂直于磁场的电场时,将产生另一
种类型的运动。

在这种情况下,电场将对粒子产生力的作用,使其
沿着电场方向运动。

当磁场成为非均匀时,带电粒子的轨迹将变得复杂。

在一些情
况下,带电粒子的轨迹将变得扭曲和不规则,类似于螺旋形。

这可
以帮助我们研究粒子的性质,并确定它们在不同条件下的运动方式。

总之,带电粒子在非均匀电磁场中的运动是由电场和磁场之间的相互作用所决定的。

不仅仅是在物理学研究中,这些现象对于电子、离子和其他带电粒子的运动研究具有重要意义,而对于工业应用和科技发展方面也有着重要的应用价值。

物理高考- 带电粒子在非匀强电场中的运动(解析版)

物理高考- 带电粒子在非匀强电场中的运动(解析版)

专题8.8 带电粒子在非匀强电场中的运动【考纲解读与考频分析】带电粒子在非匀强电场中的运动是高考要求的II级考点,是高考命题考查的重点。

【高频考点定位】:带电粒子在非匀强电场中的运动考点一:带电粒子在非匀强电场中的运动【3年真题链接】1.(2019全国理综II卷14)静电场中,一带电粒子仅在电场力的作用下自M点由静止开始运动,N为粒子运动轨迹上的另外一点,则()A.运动过程中,粒子的速度大小可能先增大后减小B.在M、N两点间,粒子的轨迹一定与某条电场线重合C.粒子在M点的电势能不低于其在N点的电势能D.粒子在N点所受电场力的方向一定与粒子轨迹在该点的切线平行【参考答案】.AC【命题意图】本题考查带电粒子在静电场中的运动,考查的核心素养是思维的周密性,对各种可能情景的分析,都“可能”、“一定”选项的甄别和分析。

【解题思路】【正确项分析】由于题述没有给出静电场是匀强电场还是非匀强电场,需要考虑选项中的可能性。

若是同种点电荷的电场,一带同种电荷的粒子沿两电荷的连线自M点由静止开始运动,粒子的速度先增大后减小,选项A正确;带电粒子仅在电场力作用下运动,若运动到N点的动能为零,则N、M两点的电势能相等;根据仅在电场力作用下运动,带电粒子动能和电势能保持不变,可知若运动到N点的动能不为零,则N点的电势能小于M点的电势能,即粒子在M点的电势能不低于其在N点的电势能,选项C 正确;【错误项分析】若静电场的电场线不是直线,带电粒子仅在电场力作用下,其运动轨迹不会与电场线重合,选项B错误;若粒子运动轨迹为曲线,根据粒子做曲线运动的条件,则粒子在N点所受电场力的方向一定不与粒子轨迹在该点的切线平行,选项D错误。

【易错剖析】此题选项中“可能”、“一定”,需要考虑各种可能情况认真分析。

只要是题述情景的可能情况中可能发生的,则“可能”选项即为正确;只要是题述情景的可能情况中有可能不发生的,则“一定”选项即为错误。

2.(2019高考江苏卷物理9)如图所示,ABC 为等边三角形,电荷量为+q 的点电荷固定在A 点.先将一电荷量也为+q 的点电荷Q 1从无穷远处(电势为0)移到C 点,此过程中,电场力做功为-W .再将Q 1从C 点沿CB 移到B 点并固定.最后将一电荷量为-2q 的点电荷Q 2从无穷远处移到C 点.下列说法正确的有( )(A )Q 1移入之前,C 点的电势为W/q(B )Q 1从C 点移到B 点的过程中,所受电场力做的功为0(C )Q 2从无穷远处移到C 点的过程中,所受电场力做的功为2W(D )Q 2在移到C 点后的电势能为-4W【参考答案】ABC【名师解析】根据题述,将一电荷量也为+q 的点电荷Q 1从无穷远处(电势为0)移到C 点,此过程中,电场力做功为-W .可得C 点与无穷远点的电势差为U=W/q ,所以Q 1移入之前,C 点的电势为W/q ,选项A 正确;根据点电荷电场特征可知,BC 两点处于同一等势面上,所以Q 1从C 点移到B 点的过程中,所受电场力做的功为0,选项B 正确;将一电荷量为-2q 的点电荷Q 2从无穷远处移到C 点,所受电场力做的功为2W ,Q 2在移到C 点后的电势能为-2W ,选项C 正确D 错误。

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析

带电粒子在电磁场中的受力分析和运动分析一、带电粒子在电场中的受力分析和运动分析1、静电场中的平衡问题静电场中的“平衡”问题,是指带电粒子的加速度为零的静止或匀速直线运动状态,都属于“静力学”的范畴,我们只是在分析带电粒子所受的重力、弹力、摩擦力等力时,还需多加一种电场力而已。

解题的一般程序为:明确研究对象;将研究对象隔离出来,分析其所受的全部外力,其中电场力,要根据电荷的正负及电场的方向来判断;根据平衡条件0=合F 或0,0x ==Y F F 列出方程;解方程求出结果。

2、电场中的加速问题带电粒子在匀强电场中的加速问题,一般属于粒子受到恒力(重力一般不计)作用的运动问题。

处理的方法有两种:根据牛顿第二定律和运动学公式结合求解;根据动能定理与电场力做功结合运动学公式求解。

在非匀强电场中的加速问题,一般属于物粒子受变力作用的运动问题。

处理的方法只能根据动能定理与电场力做功,结合运动学公式求解。

3、电场中的偏转问题受力及运动分析:带电粒子垂直于匀强电场的场强方向进入电场后,受到恒定的电场力作用,且与初速度方向垂直,因而做匀变速曲线运动——类平抛运动如1(设极板间的电压为U ,两极板间的距离为d ,极板长度为L )。

运动特点分析:在垂直电场方向做匀速直线运动 0v v x = ,t v x 0=在平行电场方向,做初速度为零的匀加速直线运动at v y =,221at y =, dmUq m Eq a == 通过电场区的时间:0v L t = 粒子通过电场区的侧移距离:2022mdv UqL y = 图1粒子通过电场区偏转角:20mdv UqL tg =θ 带电粒子从极板的中线射入匀强电场,其出射时速度方向的反向延长线交于入射线的中点。

所以侧移距离也可表示为:θtg L y 2= 。

4、粒子在交变电场中的往复运动当电场强度发生变化时,由于带电粒子在电场中的受力将发生变化,从而使粒子的运动状态发生相应的变化,粒子表现出来的运动形式可能是单向变速直线运动,也可能是变速往复运动。

09磁场对运动电荷及载流导线的作用分解

09磁场对运动电荷及载流导线的作用分解

粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场 B ′;
7
在 B’ 中作圆周运动的轨道半径
为: R mv qB '
(2)同位素
E
- -Fe -
B
+ fL+ v+
速 度 选 择 器
有相同的质子数和电子数,
但中子数不同的元素。它们的 化学性质相同,无法用化学的 方向将它们分离开。
B’
R
由 R mv 知:
周运动,在平行于磁场 的方向
上作匀速直线运动。
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4
螺距h: 螺线上相邻两个圆周的对应点之间的距离。
h v//T v cos T
T 2m
qB
h 2mv cos
qB
v v
v //
h
B
5
* 磁聚焦
一束发散角不大的带电粒子束,若这些粒子沿磁场方 向的分速度大小又一样,它们有相同的螺距,经过一 个周期它们将重新会聚在另一点这种发散粒子束会聚 到一点的现象叫磁聚焦 。
场的共同作用。
EB
- +
-Fe
-
v
fL
+ +
速 度 选 择 器
当粒子速度较小时,电场力大于洛伦兹力,粒子
向左偏转被左极板吸收。
当粒子速度较大时,电场力小于洛伦兹力,粒子向
右偏转被右极板吸收。
当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时, 通过调整E
Fe fL , qE qvB,
v E B
和B可选择
粒子速度。
B
h
v// v cos v, v v sin v
它广泛应用于电真空器件中如电子显微镜中。它 起了光学仪器中的透镜类似的作用。

带电粒子在电场、磁场中的运动分析

带电粒子在电场、磁场中的运动分析

重点、难点分析1.带电粒子和质点在三场中运动时,所受重力、电场力和洛仑兹力的特点.2.带电粒子和质点在三场中运动时,重力、电场力和洛仑兹力做功的特点以及能量变化的特点.3.对复杂运动过程的分析,以及如何从实际问题中建立物理模型.一、带电粒子在电场和磁场中运动1.带电粒子通常指电子、质子、氚核和α粒子等微观粒子,一般可不计重力.2.处理带电粒子在电场和磁场中运动问题的方法.(1)带电粒子在匀强电场和匀强磁场共存区域内运动时,往往既要受到电场力作用,又要受到洛仑兹力作用.这两个力的特点是,电场力是恒力,而洛仑兹力的大小、方向随速度变化.若二力平衡,则粒子做匀速直线运动.若二力不平衡,则带电粒子所受合外力不可能为恒力,因此带电粒子将做复杂曲线运动.解决粒子做复杂曲线运动问题时,必须用动能定理或能量关系处理.这里要抓住场力做功和能量变化的特点,即电场力做功与电势能变化的特点,以及洛仑兹力永远不做功.(2)若匀强电场和匀强磁场是分开的独立的区域,则带电粒子在其中运动时,分别遵守在电场和磁场中运动规律运动,处理这类问题时要注意分阶段求解.[例1]空间存在相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B,其方向如图3-7-1所示.一带电粒子+q以初速度v0垂直于电场和磁场射入,则粒子在场中的运动情况可能是A.沿初速度方向做匀速运动B.在纸平面内沿逆时针方向做匀速圆周运动C.在纸平面内做轨迹向下弯曲的匀变速曲线运动D.初始一段在纸平面内做轨迹向上(或向下)弯曲的非匀变速曲线运动问题:1.应根据哪些物理量的关系来判定粒子的运动情况?2.分析粒子的受力及其特点.判断选择并说明理由.3.若欲使带电粒子在此合场中做匀速运动,对该粒子的电性、带电量多少、质量大小、入射初速度大小有无限制?分析:粒子在场中要受到电场力和洛仑兹力作用.其中电场力为方向竖直向下的恒力;洛仑兹力方向与速度方向垂直且在垂直磁场的纸面内,初态时其方向为竖直向上,随速度大小和方向的变化,洛仑兹力也发生变化.若初态时,电场力和洛仑兹力相等,即qE=Bqv0,则粒子所受合外力为零,粒子做匀速运动.若初态时,电场力和洛仑兹力不相等,则粒子所受合外力不为零,方向与初速度方向垂直(竖直向上或竖直向下),粒子必做曲线运动.比如粒子向下偏转,其速度方向变化,所受洛仑兹力方向改变;同时电场力做正功,粒子动能增加,速度增大,洛仑兹力大小也变化.此时粒子所受合外力大小、方向均变化,则粒子所做曲线运动为非匀变速曲线运动.解:选项A、D正确.讨论与小结:1.判断带电粒子在电场和磁场共存区域内的运动形式,要根据其所受合外力的情况和合外力方向与初速度方向的关系来确定.2.若带电粒子在该合场中做匀速运动,根据qE=Bqv0可知,只要入射粒子的初速度v0=E/B,就可以做匀速运动.与粒子的电性、带电量的多少、质量的大小无关.这一点很重要,很多电学仪器的工作原理都涉及到这方面知识,比如离子速度选择器、质谱仪、电磁流量计等.[例2]如图3-7-2所示为一电磁流量计的示意图,截面为正方形的非磁性管,其边长为d,内有导电液体流动,在垂直液体流动方向加一指向纸里的匀强磁场,磁感应强度为B.现测得液体a、b两点间的电势差为U,求管内导电液体的流量Q为多少?问题:1.液体中的离子在磁场中怎样运动;为什么液体a、b两点间存在电势差?2.简述电磁流量计的工作原理.分析:流量是指单位时间内流过某一横截面的液体的体积.导电液体是指液体内含有正、负离子.在匀强磁场中,导电液体内的正、负离子在洛仑兹力作用下分别向下、上偏转,使管中上部聚积负电荷,下部聚积正电荷.从而在管内建立起一个方向向上的匀强电场,其场强随聚积电荷的增高而加强.后面流入的离子同时受到方向相反的洛仑兹力和电场力作用.当电场增强到使离子所受二力平衡时,此后的离子不再偏移,管上、下聚积电荷不再增加a、b两点电势差达到稳定值U,可以计算出流量Q.解:设液体中离子的带电量为q,因为[例3]如图3-7-3所示,两块平行放置的金属板,上板带正电,下板带等量负电.在两板间有一垂直纸面向里的匀强磁场.一电子从两板左侧以速度v0沿金属板方向射入,当两板间磁场的磁感应强度为B1时,电子从a点射出两板,射出时的速度为2v.当两板间磁场的磁感应强度变子从b点射出时的速率.问题:1.依据力和运动关系,分析电子在合场中为什么会偏转,电子所做的运动是匀变速曲线运动吗?2.因为电子所做运动为非匀变速曲线运动,无法用牛顿运动定律解决,应该考虑用什么方法解决?3.若用动能定理解决,则各场力做功有什么特点?若用能量守恒定律解决,各场的能量有什么特点?分析:电子在合场中受到电场力和洛仑兹力,初态时电子所受二力不平衡,电子将发生偏转.因为洛仑兹力的大小、方向均变化,电子所受合力为变力,做非匀变速曲线运动.若用动能定理处理问题,则需知:电场力做功与路径无关,与带电量和初、末两位置的电势差有关.洛仑兹力永远不做功.若用能量守恒定律处理问题,则需知:电子在磁场中只有动能,没有势能;电子在电场中不仅有动能,而且还有势能,因此要规定零电势面.解一:设aO两点电势差为U,电子电量为e,质量m.依据动能定理可知:解二:设O点所在等势面为零电势面,其余同上.依据能量守恒定律可知:电子从a点射出,其守恒方程为:电子从b点射出,其守恒方程为:小结:1.处理带电粒子在电场和磁场共存区域内运动的另一种方法是应用动能定量,或能量守恒定律.2.应用动能定理时要注意,洛仑兹力永远不做功;应用能量守恒定律时注意,若只有电场力做功,粒子的动能加电势能总和不变,计算时需设定零电势面,同时注意电势能的正、负.[例4]如图3-7-4所示,在x轴上方有垂直于xy平面向里的匀强磁场,磁感应强度为B,在X轴下方有沿y轴负方向的匀强电场,场强为E.一质量为m,电量为-q的粒子从坐标原点O沿着y轴正方向射出.射出之后,第三次到达X轴时,它与点O的距离为L.求此粒子射出时的速度V和运动的总路程(重力不计).问题:带电粒子在电场和磁场中分别做什么运动?你能画出它的轨迹示意图吗?分析:本题与前两个例题不同,它的电场和磁场区域是分开的.带电粒子在x轴上方运动只受洛仑兹力作用,做匀速圆周运动,又因为x轴是磁场的边界,粒子入射速度方向与磁场垂直,所以粒子的轨迹为半圆.带电粒子在x轴下方运动只受电场力作用,速度方向与力在一条直线上,粒子做匀变速直线运动.即当粒子从磁场中以速度v垂直于x轴向下射出时,因电场力作用先匀减速到0,再反向加速至v,并垂直射入磁场(粒子在电场中做类平抛运动).因为只要求讨论到粒子第三次到达x轴,所以粒子运动轨迹如图3-7-5所示.解:如图所示,有L=4R设粒子进入电场做减速运动的最大路程为l,加速度为a,则由前面分析知,粒子运动的总路程为S=2rR+2l小结:本题带电粒子的运动比较复杂,要根据粒子运动形式的不同分阶段处理.这是解决同类问题常用的方法.在动笔计算之前,一定要依据力和运动关系认真分析运动规律,分阶段后再个个击破.二、带电质点在电场和磁场中运动1.带电质点是指重力不能忽略,但又可视为质点的带电体.2.处理带电质点在匀强电场和匀强磁场中运动问题的方法(1)讨论带电质点在复合场中运动问题时,要先弄清重力、电场力、洛仑兹力的特点.根据质点受力情况和初速度情况判定运动形式.请学生回答(2)讨论带电质点在复合场中运动问题时,还须清楚重力、电场力做功和重力势能、电势能变化关系.注意洛仑兹力不做功的特点.若带电质点只受场力作用,则它具有的动能、重力势能和电势能总和不变.请学生回答.[例5]如图3-7-6所示,在匀强电场和匀强磁场共存的区域内,场强E的方向竖直向下,磁感应强度B的方向垂直纸面向里.有三个带有等量同种电荷的油滴M、N、P在该区域中运动,其中M向有做匀速直线运动,N在竖直平面内做匀速圆周运动,P向左做匀速直线运动,不计空气阻力,则三个油滴的质量关系是A.m M>m N>m PB.m P>m N>m MC.m N>m P>m MD.m P>m M>m N问题:1.物体做匀速圆周运动的条件是什么?油滴N在场中的受力情况怎样?其电性如何?2.请对油滴P、M进行受力分析,并选出正确答案.分析:油滴在合场中要同时受到重力、电场力和洛图3-7-6仑兹力作用,其中重力、电场力是恒力,洛仑兹力随速度的变化而变化.若油滴N欲做匀速圆周运动,则其所受重力和电场力必然等大、反向,所受合力表现为洛仑兹力.这样才能满足合外力大小不变,方向时刻与速度方向垂直的运动条件.油滴一定带负电.三油滴的受力分析如图3-7-7所示.因它们所受的电场力和洛仑兹力大小分别相同,所以可知油滴P的质量最大,油滴M的质量最小.解:选项B正确.小结:1.若带电质点在三场共存区域内运动,一般会同时受到重力、电场力、洛仑兹力作用,若电场和磁场又为匀强场,则重力、电场力为恒力,洛仑兹力与速度有关,可为恒力也可为变力.2.若电场和磁场均是匀强场,且带电质点仅受三场力作用.则:(1)若重力与电场力等大、反向,初速度为零,带电质点必静止不动.(2)若重力与电场力等大、反向,初速度不为零,带电质点必做匀速圆周运动,洛仑兹力提供向心力.(3)若初速度不为零,且三力合力为零,带电质点必做匀速直线运动.(4)若初速度不为零,初态洛仑兹力与重力(或电场力)等大、反向,合外力不为零,带电质点必做复杂曲线运动.[例6]如图3-7-8所示,在xOy平面内,有场强E=12N/C,方向沿x轴正方向的匀强电场和磁感应强度大小为B=2T、方向垂直xOy平面指向纸里的匀强磁场.一个质量m=4×10-5kg,电量q=2.5×10-5C带正电的微粒,在xOy平面内做匀速直线运动,运动到原点O时,撤去磁场,经一段时间后,带电微粒运动到了x轴上的P点.求:(1)P 点到原点O的距离;(2)带电微粒由原点O运动到P点的时间.问题:1.微粒运动到O点之前都受到哪些力的作用?在这段时间内微粒为什么能做匀速直线运动?2.微粒运动到O点之后都受到哪些力的作用?在这段时间内微粒做什么运动?说明原因.分析:(1)微粒运动到O点之前要受到重力、电场力和洛仑兹力作用,如图3-7-9所示.在这段时间内微粒做匀速直线运动,说明三力合力为零.由此可得出微粒运动到O点时速度的大小和方向.(2)微粒运动到O点之后,撤去磁场,微粒只受到重力、电场力作用,其合力为一恒力,与初速度有一夹角,因此微粒将做匀变速曲线运动,如图3-7-9所示.可利用运动合成和分解的方法去求解.解:因为mg=4×10-4NF=Eq=3×1O-4N(Bqv)2=(Eq)2+(mg)2所以 v=10m/s所以θ=37°因为重力和电场力的合力是恒力,且方向与微粒在O点的速度方向垂直,所以微粒在后一段时间内的运动为类平抛运动.可沿初速度方向和合力方向进行分解.设沿初速度方向的位移为s1,沿合力方向的位移为s2,则因为s l=vt所以 P点到原点O的距离为15m; O点到P点运动时间为1. 2s.[例7]如图3-7-10所示,一对竖直放置的平行金属板长为L,板间距离为d,接在电压为U的电源上,板间有一与电场方向垂直的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,磁感强度为B,有一质量为m,带电量为+q的油滴,从离平行板上端h高处由静止开始自由下落,由两板正中央P点处进入电场和磁场空间,油滴在P点所受电场力和磁场力恰好平衡,最后油滴从一块极板的边缘D处离开电场和磁场空间.求:(1)h=?(2)油滴在D点时的速度大小?问题:油滴的运动可分为几个阶段?每个阶段油滴做什么运动?每个阶段应该用什么方法来求解?分析:油滴的运动可分为两个阶段:从静止始至P点,油滴做自由落体运动;油滴进入P点以后,要受到重力、电场力和洛仑兹力作用,且合力不为零,由前面的小结知,油滴将做复杂曲线运动并从D点离开.第一个阶段的运动,可以用牛顿运动定律和运动学公式求解,也可以用能量关系求解.第二个阶段的运动只能依据能量关系求解,即重力、电场力做功之和等于油滴动能变化.或油滴具有的重力势能、电势能、动能总和不变.当然这一能量关系对整个运动过程也适用.解:(1)对第一个运动过程,依据动能定理和在P点的受力情况可知:(2)对整个运动过程,依据动能定理可知:小结:由例6、例7可以看出,处理带电质点在三场中运动的问题,首先应该对质点进行受力分析,依据力和运动的关系确定运动的形式.若质点做匀变速运动,往往既可以用牛顿运动定律和运动学公式求解,也可以用能量关系求解.若质点做非匀变速运动,往往需要用能量关系求解.应用能量关系求解时,要特别注意各力做功的特点以及重力、电场力做功分别与重力势能和电势能变化的关系.。

电场中带电粒子的运动轨迹

电场中带电粒子的运动轨迹

电场中带电粒子的运动轨迹电场是由电荷产生的一种物理现象,而带电粒子则是电场中最基本的存在形式。

在电场中,带电粒子的运动轨迹受到电场力的影响,从而呈现出各种有趣的运动形式。

本文将探讨电场中带电粒子的运动轨迹及其相关特性。

一、静电场中的带电粒子运动轨迹静电场是指电场随时间不变的情况,即没有电荷的运动或改变。

在静电场中,带电粒子受到的力就是电场力,其大小与带电粒子电荷量以及电场强度有关。

根据静电场中带电粒子的运动特点,轨迹可分为以下几种情况:1. 电荷为正的带电粒子在均匀电场中的运动轨迹当电荷为正的带电粒子置于均匀电场中时,受到的电场力的方向与电场强度方向相同。

由于正电荷受到的电场力的方向与位移方向相反,因此电荷会受到一个向相反方向的加速度。

根据运动学原理,带电粒子的运动轨迹将是一个向相反方向的抛物线。

2. 电荷为负的带电粒子在均匀电场中的运动轨迹当电荷为负的带电粒子置于均匀电场中时,受到的电场力的方向与电场强度方向相反。

由于负电荷受到的电场力的方向与位移方向相同,因此电荷会受到一个向正方向的加速度。

同样根据运动学原理,带电粒子的运动轨迹将是一个向正方向的抛物线。

3. 电荷在非均匀电场中的运动轨迹在非均匀电场中,电场强度在空间中存在差异。

当带电粒子置于非均匀电场中时,受到的电场力的大小和方向将随着粒子位置的变化而改变。

因此,带电粒子的运动轨迹将不再是简单的抛物线,而是受到电场强度变化的影响而呈现出复杂的形态。

二、运动轨迹的特性除了在不同类型的电场中呈现不同的运动轨迹外,带电粒子的运动轨迹还具备一些特性,对于分析电场中的粒子运动非常重要。

1. 对称性在均匀电场中,带电粒子的运动轨迹是对称的,即垂直于电场强度方向的轨迹形状相同。

这表明带电粒子在均匀电场中的运动是相互独立的,并且与具体位置无关。

2. 粒子速度带电粒子在电场中具有初速度时,其运动轨迹将发生变化。

初速度的大小及方向将决定粒子在电场中的路径。

例如,初速度的大小过大可能导致粒子脱离电场,而初速度的方向则会影响运动轨迹的弯曲程度。

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析解读

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析解读
,dm
Uq
m Eq a ==通过电场区的时间:0
v L
t =
粒子通过电场区的侧移距离:2
2
2mdv UqL y =图1
粒子通过电场区偏转角:2
mdv UqL
tg =
θ带电粒子从极板的中线射入匀强电场,其出射时速度方向的反向延长线交于入射线的中点。所以侧移距离也可表示为:θtg L
y 2
=
。4、粒子在交变电场中的往复运动
π三、带电粒子在复合场中运动的分析
带电粒子在复合场中运动,实际上仍是一个力学问题,解决此类问题的关键是对带电粒子进行正确受力分析和运动情况分析。
1、受力分析:带电粒子在重力场、电场、磁场中运动时,其运动状态的改变是由其受到的合力决定。对运动粒子进行受力分析时必须先场力(包括重力、电场力、磁场力)、后弹力、再摩擦力等。另外要注意重力、电场力与粒子运动速度无关,由粒子的质量决定重力大小,由电场强决定电场力大小;但洛仑兹力的大小与粒子速度有关,方向还与电荷的性质有关。
Uq
a =
粒子通过偏转电场的时间2t为:Uq
m
L
v L t 202==粒子在偏转电场中的侧移距离y为:4
2122L
at y ==
侧向速度y v为:m
Uq at v y 22=
=则粒子射出偏转电场时的速度v为:m
Uq
v v v y 25220=
+=
以速度v进入磁场做匀速度圆周运动的洛仑兹力为向心力,设运动半径为R:
二、带电粒子在匀强磁场的受力分析和运动分析
带电粒子在匀强磁场中运动时,若00=v,有0=洛f,则粒子为静止状态;若B v //,有0=洛f,则粒子做匀速直线运动;若B v ⊥,有Bqv f =洛,则粒子做匀速圆周运动,其

带电粒子在磁场中的运动轨迹的分析报告

带电粒子在磁场中的运动轨迹的分析报告

带电粒子在磁场中的运动轨迹的分析报告
略带电的微粒子在磁场中的运动轨迹呈现出螺旋形,具体的运动轨迹是由离子的电荷
和大小、离子的电荷和磁场的角度、离子的速度等因素综合作用的结果。

例如,当离子在垂直于磁场的方向上具有恒定的速度时,离子会围绕磁场线旋转,运
动轨迹呈圆形或螺旋形;当离子在磁场方向上具有恒定的速度时,离子将沿着磁场线运动,而不会改变方向。

二、磁场对带电粒子运动的影响
磁场对带电粒子的影响主要表现在轨道形状和动力学行为方面。

1.轨道形状
当带电粒子运动时,其轨道形状受到磁场的影响。

如果磁场是均匀子,则带电粒子的
轨迹是一条螺旋线,如果磁场是非均匀的,则粒子的轨迹将是曲线而不是螺旋形。

2.动力学行为
磁场会影响带电粒子的动力学行为,如速度,能量和角动量。

在磁场中,带电粒子的
速度和速度方向随着时间变化而改变。

这可以解释为一个角动量守恒的结果。

总的来说,带电粒子在磁场中的运动轨迹和动力学行为受到磁场的影响。

磁场的强弱、方向和时间的变化会改变带电粒子的运动形式。

这对于理解带电粒子的特性和物理学的发
展具有重要的意义。

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析

带电体在电磁场中的受力分析和运动分析

带电粒子在电磁场中的受力分析和运动分析一、带电粒子在电场中的受力分析和运动分析1、静电场中的平衡问题静电场中的“平衡”问题,是指带电粒子的加速度为零的静止或匀速直线运动状态,都属于“静力学”的范畴,我们只是在分析带电粒子所受的重力、弹力、摩擦力等力时,还需多加一种电场力而已。

解题的一般程序为:明确研究对象;将研究对象隔离出来,分析其所受的全部外力,其中电场力,要根据电荷的正负及电场的方向来判断;根据平衡条件0=合F 或0,0x ==Y F F 列出方程;解方程求出结果。

2、电场中的加速问题带电粒子在匀强电场中的加速问题,一般属于粒子受到恒力(重力一般不计)作用的运动问题。

处理的方法有两种:根据牛顿第二定律和运动学公式结合求解;根据动能定理与电场力做功结合运动学公式求解。

在非匀强电场中的加速问题,一般属于物粒子受变力作用的运动问题。

处理的方法只能根据动能定理与电场力做功,结合运动学公式求解。

3、电场中的偏转问题受力及运动分析:带电粒子垂直于匀强电场的场强方向进入电场后,受到恒定的电场力作用,且与初速度方向垂直,因而做匀变速曲线运动——类平抛运动如1(设极板间的电压为U ,两极板间的距离为d ,极板长度为L )。

运动特点分析:在垂直电场方向做匀速直线运动 0v v x = ,t v x 0=在平行电场方向,做初速度为零的匀加速直线运动at v y =,221at y =, dmUq m Eq a == 通过电场区的时间:0v L t = 粒子通过电场区的侧移距离:2022mdv UqL y = 图1粒子通过电场区偏转角:20mdv UqL tg =θ 带电粒子从极板的中线射入匀强电场,其出射时速度方向的反向延长线交于入射线的中点。

所以侧移距离也可表示为:θtg L y 2= 。

4、粒子在交变电场中的往复运动当电场强度发生变化时,由于带电粒子在电场中的受力将发生变化,从而使粒子的运动状态发生相应的变化,粒子表现出来的运动形式可能是单向变速直线运动,也可能是变速往复运动。

电子在电磁场中的力学运动分析

电子在电磁场中的力学运动分析

电子在电磁场中的力学运动分析电子是质子、中子和电子的基本粒子。

作为宇宙中最小的粒子之一,电子在物理学中扮演着非常重要的角色。

在电磁场中,电子受到力的作用,引发了一系列有趣的力学运动现象。

本文将对电子在电磁场中的力学运动进行分析。

首先,我们需要了解电子在电磁场中所受的力是如何产生的。

电磁场是由带电物体所产生的,它可以通过电流流过导线、电子在物质中运动等形式产生。

当电子进入电磁场时,根据洛伦兹力定律,它将受到一个垂直于电子运动方向的力。

这个力的大小与电子的电荷量、电磁场的强度以及电子的速度有关。

其次,我们来研究电子在电磁场中的力学运动。

设想一个简单的情景,一个电子以一定的速度进入一个匀强磁场中。

由于电子带有电荷,它受到的洛伦兹力将导致它发生运动。

具体来说,洛伦兹力与电子速度的方向垂直,所以电子将沿着磁场的方向做圆周运动。

这种运动被称为霍尔效应。

霍尔效应在实际中有很多应用,例如传感器、霍尔电流计等。

当我们将一个电导体放置在磁场中时,电导体上的电子将受到洛伦兹力的作用,导致电子的流动方向发生改变。

这种现象使得我们可以通过测量电流的改变来获得对磁场强度的信息。

除了圆周运动外,电子在电磁场中还可能产生其他类型的运动。

例如,当电子进入一个非均匀磁场中,它将受到不同位置不同强度的洛伦兹力。

这将导致电子在磁场中的轨迹弯曲。

这种现象称为磁偏转。

在实际应用中,磁偏转常被用作粒子束加速器中的基本原理。

通过将粒子束通过一个由磁场生成的磁偏转器,可以改变粒子的方向和速度。

这为物理学家研究微观粒子提供了强有力的工具。

此外,在电磁场中的力学运动不仅局限于电子的运动。

任何带电粒子都会受到洛伦兹力的作用,并表现出类似的力学运动规律。

这使得我们能够理解更广泛的物理现象,如离子束在离子加速器中的运动、高能粒子在等离子体中受到的相互作用等。

总结起来,电子在电磁场中的力学运动是一门非常有趣和复杂的研究课题。

霍尔效应、磁偏转以及其他类型的运动现象都展示了电子在电磁场中的行为。

浅谈非均匀电场中带电粒子的运动规律

浅谈非均匀电场中带电粒子的运动规律
关键词 :非均 匀电厂 ;带电粒子 ;运动特征
一 、 非 均 匀 电 场概 述 电场是一个特殊的物质 ,存在于 电荷 和磁场周 围的
=Acos( ,c+ ),兵 甲A:、『f /卅J + 0z.tanq)=一 .“ 。 三 、带 电粒 子在 均 匀带 电球 体外 部 沿轴 线 的
空 间 。从字面意思上来看 ,电场有均 匀电场 和非均 匀电 运 动
图 3
过建 立方程 的形 式对 带 电粒子 的运动 状态进 行有 效解
解 :假设带 电粒子 的质 量为脚,带 电粒子的初始率 答 ,有效提高我们高中生逻辑 思维和独立思 考的能力 ,
为 u。,初始 坐标 为 x。,从 图 中可知P点 的位置 ,该点 提高高中物理的学 习质量 。
的电场电场强度为:Ex 丽(Z L-1一志 】。
运 动
如图 1所 示 ,该球是一 个总 电荷量 为O (Q>0)的
均 匀带 电球 体 ,而有 一个 电荷量 为一q<0的带 电粒子 ,
图 2
该带 电粒 子也 位于该隧道上 ,对该带 电粒子在带 电球体
解 :假设带电粒子的质量为m,带电粒子的初始率为
变 化 ,在 对其进行分析 的过程 中,可 以利用数学 的方式 电球 体 的 电场 中沿 着 x轴 运 动 的基本 特征 ,在 这其 中
对 带电粒子运动 的方式进行描述 。以下对三种不 同的非
均 匀电场 中带电粒子的运动规律进行 相关探 讨。
二 、带 电粒 子在 均 匀带 电球体 内部沿轴 线 的
由此可 以得到 = ,在均匀带电球体 内部 ,
利 用隐函数 f(x.0=0的形式来 对其运动方式进行表
该 带 电粒子 沿着 轴线 的运 动是 简谐运 动 。设该 带 电粒 示,其中 B=、/; = . 。=o-1. 。 m ~。

磁场中运动带电粒子的受力分析

磁场中运动带电粒子的受力分析

磁场中运动带电粒子的受力分析在学习物理的过程中,我们经常会碰到和磁场有关的问题。

当涉及到磁场中运动的带电粒子时,我们就需要进行受力分析来解决问题。

首先,我们需要了解的是,磁场是由一个或多个磁铁或电流所产生的。

而带电粒子则是带有电荷的微观粒子,例如质子和电子。

当带电粒子在磁场中运动时,会受到一个称为磁场力的力的作用。

磁场力的大小和方向可以通过洛伦兹力公式来求解。

洛伦兹力公式是描述带电粒子在磁场中受力的数学表达式,其公式为F = qvBsinθ,其中F为磁场力,q为带电粒子的电荷量,v为带电粒子的速度,B为磁场的磁感应强度,θ为带电粒子速度方向与磁场方向之间的夹角。

从洛伦兹力公式可以看出,磁场力的大小与带电粒子的电荷量、速度以及磁场磁感应强度有关。

当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时,磁场力的大小最大;当速度方向与磁场方向平行时,磁场力的大小为零。

接下来,让我们通过一个实际的例子来更好地理解磁场中运动带电粒子的受力分析。

假设我们有一个带正电的粒子,它的电荷量为q,速度为v,它沿着一条直线在磁感应强度为B的磁场中运动。

在这种情况下,粒子受到的磁场力的大小为F = qvB。

根据洛伦兹力公式,我们可以发现,当速度方向与磁场方向垂直时,磁场力的大小最大;当速度方向与磁场方向平行时,磁场力的大小为零。

这个例子告诉我们,当带电粒子的速度方向与磁场方向相互垂直时,粒子会受到一个最大的磁场力作用,使其发生径向的加速度。

这个加速度的方向垂直于速度方向和磁场方向。

在某些情况下,带电粒子的运动轨迹可能会发生圆周运动。

这是因为磁场力提供了一个向心力,将带电粒子束缚在一个特定的半径范围内运动。

这个圆周运动的半径可以通过等效的向心力来计算,等效的向心力就是磁场力。

即mv^2/r = qvB,其中m为带电粒子的质量,v为带电粒子的速度,r为圆周运动的半径。

除了圆周运动,带电粒子还可以在磁场中发生螺旋运动。

这是因为磁场力提供了一个垂直速度方向的向心力,使得带电粒子的轨迹呈螺旋形。

电子在磁场中的受力与轨迹分析

电子在磁场中的受力与轨迹分析

电子在磁场中的受力与轨迹分析磁场是物理世界中的一种重要现象,它存在于我们的日常生活中并且对于许多现象都有着重要的影响。

在磁场中,电子作为基本粒子之一,也会受到相应的作用力,其运动轨迹也会受到限制和影响。

本文将从电子在磁场中所受到的力和其运动轨迹的角度进行探讨。

电子在磁场中所受到的力是洛伦兹力。

洛伦兹力指的是磁场对带电粒子施加的力,其大小与电子的电荷量、电子的速度以及磁场的强度有关。

具体地,洛伦兹力的计算公式为F = q(v x B),其中F为洛伦兹力,q为电子的电荷量,v为电子的速度,B为磁场的磁感应强度。

从这个公式中我们可以看出,洛伦兹力的方向与电子的速度和磁场的方向有关。

当电子的速度与磁场的方向垂直时,洛伦兹力的方向垂直于电子的速度和磁场的方向,并且具有一个向心力的性质。

这就导致了一个有趣的结果,即电子在磁场中会被约束成为一个螺旋线运动。

这种螺旋线运动的轨迹被称为洛伦兹轨道。

它是由于洛伦兹力对电子的束缚所产生的运动。

在一个恒定且均匀的磁场中,电子将会沿着一个平面内的螺旋线运动。

这个平面与电子的初速度和磁场的方向相垂直,并且螺旋线的半径与电子的质量、速度以及磁感应强度有关。

对于一定的初速度和磁场方向,电子实际上会在一定时间内绕磁场线圈进行多次的螺旋线运动。

这种多次螺旋运动的轨迹通常是一个闭合的环形轨迹。

而对于不同的初速度和磁场方向,电子的轨迹可能会有所不同,有时甚至可能不闭合。

这取决于电子的运动参数与磁场的强度和方向之间的关系。

除了简单的闭合轨迹外,电子在磁场中的运动还可以表现出更为复杂的现象。

例如,在非均匀磁场中,电子的运动轨迹可能变得更加曲折,有时甚至可能出现类似于“反射”的效果。

这种非均匀磁场对电子运动的影响可以通过数学模型进行分析,从而揭示出电子的受力机制和运动规律。

总结起来,电子在磁场中所受到的力是洛伦兹力,其大小和方向与电子的速度和磁场的方向有关。

根据洛伦兹力的作用,电子会被限制在洛伦兹轨道上进行螺旋线运动,这个轨迹与电子的初速度和磁场的方向有关。

磁场中带电粒子的受力分析与运动特征研究

磁场中带电粒子的受力分析与运动特征研究

磁场中带电粒子的受力分析与运动特征研究磁场是物理学中一个重要的概念,在许多领域都有广泛的应用。

磁场对带电粒子有一定的作用,可以影响其受力和运动特征。

本文将对磁场中带电粒子的受力分析与运动特征进行研究。

一、带电粒子在磁场中的受力分析在磁场中,带电粒子会受到洛伦兹力的作用。

洛伦兹力的大小与粒子电荷、电流以及磁场强度等因素有关。

洛伦兹力的方向垂直于粒子的速度方向和磁场的方向,遵循右手定则。

当带电粒子以速度v进入磁场,速度方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力的大小为F = |q|vBsinθ,其中q为粒子电荷,v为速度,B为磁感应强度,θ为速度与磁场之间的夹角。

当带电粒子以速度v进入磁场,速度方向与磁场方向平行时,洛伦兹力的大小为零,粒子不受力作用。

只有速度方向与磁场方向有一定夹角时,粒子才会受到磁场的力的作用。

二、带电粒子在磁场中的运动特征带电粒子在磁场中的运动特征主要取决于粒子的初速度方向、磁场的方向和大小以及粒子带电荷的性质。

1. 带正电的粒子当带正电的粒子进入磁场时,受到的洛伦兹力的方向与速度和磁场方向的夹角有关。

若粒子速度方向与磁场方向呈角度θ,则洛伦兹力的方向与速度垂直的方向相同。

这将使得带正电粒子受到一个向中心的力,使其进行弧线运动,弯曲轨迹的半径由力和速度决定。

2. 带负电的粒子对于带负电的粒子,洛伦兹力的方向与速度和磁场方向的夹角有关。

与带正电的粒子相比,带负电的粒子受到的洛伦兹力方向相反。

这将导致带负电的粒子在磁场中进行一个反向的弧线运动。

三、实际应用和研究进展磁场对带电粒子的受力和运动特征的研究在许多领域中发挥着重要作用。

1. 粒子加速器粒子加速器利用磁场的作用对带电粒子进行加速。

加速器中使用强大的磁场来控制粒子的运动轨迹,使其能够在加速器中达到更高的速度。

2. 电子显微镜电子显微镜是一种利用电子束来观察样品的显微镜。

在电子显微镜中,通过对电子束进行磁场的控制,可以调整电子束的聚焦和扫描方式,从而实现对样品的高分辨率观察。

带电粒子在非均匀磁场中的梯度漂移运动分析

带电粒子在非均匀磁场中的梯度漂移运动分析

8带电粒子在非均匀磁场中的梯度漂移运动分析高燕数理系 信计072摘要:将带电粒子在非均匀磁场中的运动看成是在均匀磁场中的回旋,并详尽分析了梯度漂移的特点。

关键词:带电粒子;漂移运动;非均匀磁场在很多等离子体的应用中,都涉及到磁场对等离子体的作用。

因此,研究带电粒子在非均匀磁场中的运动,对于研究等离子体的应用是很有必要的。

大家知道带电粒子在均匀恒定磁场中的运动由两部分组成:一部分是沿磁感线的(纵向)匀速直线运动;另一部分是环绕磁感线作螺旋运动。

在非均匀磁场中,带电粒子会发生沿磁力线方向上的漂移,还会发生一种垂直于磁场方向的漂移。

这里仅对垂直于磁场方向的漂移做详细分析。

1 磁场非均匀性的描述 1.1磁场的空间梯度以磁场中所考察的那一点作为坐标原点建立直角坐标系,令Z 轴与原点上B 方向重合,于是)1()0(,0)0()0(BB B B z y x ===由于磁场随空间缓慢地变化,所以在原点附近除了有x B 分量以外,还将出现其它的分量。

每一个分量都可随三个坐标x, y, z 中的任意一个而改变。

为了描述磁场的不均匀性,引入磁场的空间梯度∇B ,把它写成矩阵形式就是:∇B =zB zB zB y B y B y B x B x B x B z y x z y x z y x ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ )2(其中xB z ∂∂ ,yB z ∂∂ 是梯度项。

1.2仅有梯度不等于零的磁场当磁场中仅有梯度项不等于零时,由0/=∂∂z B 可yB xB z z ∂∂∂∂,不等于零。

这时磁感线都应是平行与Z 轴的,但沿X , Y 方向磁感线密度有改变。

2带电粒子在非均匀磁场的梯度漂移2.1对磁矩M 的说明当一个带电粒子作圆周运动时,它等效于一个小线圈。

设它带电量为q ,回旋频率为f ,回旋半径为r ,则等效线圈中的电流 I=q *f , 面积S=π*r 2,从而磁矩2r f q IS M ***==π 。

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题目:带电粒子在非均匀电磁场中的运动分析目录1.引言: (1)2.静带电粒子在均匀,恒定磁场中的运动 (1)3.带电粒子在均匀,恒定电磁场中的运动 (2)3.1带电粒子在均匀,恒定电磁场中的运动的分析 (2)3.2带电粒子在均匀电磁场中的运动微分方程 (2)4.带电粒子在非均匀,恒定磁场中的运动 (5)5.带电粒子在非均匀磁场中的几种漂移 (6)5.1梯度漂移 (6)5.2曲率漂移 (8)6.结论 (9)7.叁考文献: (10)8.致谢 (11)带点粒子在非均匀电磁场中的运动摘要:本文中论述带电粒子在均匀电磁场中的运动情况,并对带电粒子在非均匀电磁场中的运动进行较深刻的讨论,及推导带电粒子在非均匀磁场中运动时的漂移速度。

关键词:带电粒子;电场;磁场;漂移速度新疆师范大学2012届本科毕业论文1.引言:在很多等离子体的应用中, 都涉及到磁场对等离子体的作用. 因此, 研究带电粒子在非均匀磁场中的运动, 对于研究等离子体的应用是很有必要的. 大家知道带电粒子在均匀恒定磁场中的运动由两部分组成:一部分是沿磁感应线的(纵向)匀速直线运动; 另一部分是环绕磁感应线的( 横向)匀速圆周运动. 这两部分合起来就是使带电粒子沿磁感应线作螺旋运动. 在非均匀恒定磁场中,会发生洛伦磁力方向上的漂移,还会发生一种垂直于磁场方向的漂移。

2.静带电粒子在均匀,恒定磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动,受lorentz 力的作用,其运动方程: B v q a m ⨯= (1) 在磁场B 均匀,恒定条件下,垂直于B 的速度分量v ⊥受到与B 和v ⊥都垂直的恒力qv B ⊥的作用,使带点粒子在垂直于B 的平面内以v ⊥作匀速圆周运动,圆半径为 L r =mv qB⊥(2) L r 称为回旋半径或Larmor 半径,圆周运动的角速度为L ω=v r ⊥⊥= m qB (3)L ω称为回旋圆频率(Larmor 频率)。

平行于的速度分量//υ不受力,使带电粒子沿的方向即沿磁力以υ作匀速直线运动。

因此,带电粒子在均匀恒定磁场中的运动轨迹是以磁力线为轴的等距螺旋线,螺距为 h =//L v T =//2mv qBπ (4) L T =2Lπω=2Lr v π⊥(5)其中L T =2Lπω=2r v π⊥⊥称为回旋周期或Larmor 周期。

可以看带电粒子均匀磁场中的运动时,它的周期与轨道半径成正比,在恒定的周期内轨道半径与速度成正比,利用这个规律可以使电子加速。

3.带电粒子在均匀,恒定电磁场中的运动3.1带电粒子在均匀,恒定电磁场中的运动的简单解释如果除了均匀恒定磁场外,还存在着均匀恒定电场或其他非电磁力,或者,如果磁场给均匀,不恒定,则带电粒子运动的重要特征是出现漂移即引导中心除了沿磁力线的运动外,还有垂直磁力线的运动,或者称为漂移。

3.2带电粒子在均匀电磁场中的运动分析如图1所示,在三维直角坐标系o x y z 中,磁感应强度 k zB =B , 电场强度为k E j E E Z y+= 。

当 t=0 时,一质量为m ,电量为q 的带电粒子从坐标原点0经过,速度为k v j v i v v z y x0000++=。

在不考虑重力作用情况下,带电粒子在任意时刻t 所受到的合外力为k k v j v i v q k qE j qE v q E q F z z y x z yB ⨯++++=B ⨯+=)()(k qE j v E q i qv Z z x y z y+B -+B =)( 根据牛顿第二运动定律,粒子的运动微分方程为22y z q B d x dt mυ= (6)m v E q dt yd z x y )(22B -= (7) 图1m qE dt z d z =22 (8)初始条件为,00==t x00==t y 00t z ==00x t xv v == 00y t y v v == 00z t zv v ==求解微分方程根据式(6)得dtdv q m dt x d q m v xz z y B =B =22 (9)将式(9)两边对时间求一阶导数得22dt v d q m dt dv x z yB = (10)将式(10)代入式(7)得022222=B -⎪⎭⎫⎝⎛B +m E q v m q dt v d y z x z x0222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -⎪⎭⎫ ⎝⎛B +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -z y x z z y x E v m q E v dt d 这是一个二阶常系数线性微分方程,方程的解为t mzq c t m q c E v z zy x B +B +B =cos sin21 (11) 再进行积分为t mq q m c t m q q m c c t E x z z z z x zy BB +B B -+B =sin cos 210 (12) 将式(11)代入式(7)得t mq c t m q c v z z y B-B =s i n c o s21 (13) t mq q m c t m q q m c c y z z z z y B B +B B +=cos sin 210 (14) 将初始条件 00==t x ,00==t y ,00x t xv v ==,00y t yv v ==代入式(12)~(14) 得zy x q mv c B =00, ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -B -=z y x zy E v q m c 00 ,01y v c =, zy x E v cB -=02t m q E v q mt m q q mv q mv t E x z z y x z z z y z y z y B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -B +B B -B +B =sin cos 000 (15)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -B -B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛B -B +B B =z y x z z z y x zz zy E v q mt m q E v q mt m q q mv y 000cos sin(16)根据式(8)和初始条件0t z = = 0,00zz t v v ==得2012z z qE z v t t m=+ (17)式(15),(16)和(17)即为带电粒子在均匀电磁场中的运动方程。

根据以上分析得到的结果,在一般的情况下,带电粒子在均匀电磁场中的运动可以看成是3个运动的合运动。

其中在Z 轴上是一个匀加速直线运动;在 x y 平面上是一个匀速圆周运动和一个沿x 轴的匀速直线运动。

图2中所示的螺旋曲线是一般情况下带电粒子的运动轨迹。

图.2在一些特殊条件下,带电粒子可能只叁与以上3个运动中的一到两个运动,下面我们将分几种不同的情况进行讨论。

(1) 如果空间电场和磁场的方向互相平(0=y E ),且带电粒子在x y 平面上的分速度不为零,则粒子的运动可以看成是两个运动的合成,既在z 轴方向的匀加速直线运动和在x y 平面上的匀速圆周运动。

其运动轨迹如图3所示。

(2) 如果空间电场和磁场的方向互相平(0=y E ),且带电粒子在x y 平面上的分速度为零,则粒子只有一个运动,既 沿 z 轴方向的匀加速直线运动。

(3) 如果空间电场和磁场的方向互相垂直(0=z E ),带电粒子在z 轴上的分速度不为零,则粒子的运动仍然是3个运动的合成。

其中在z 轴 上的运动为一匀速直线运动;而在x y 平面上还是一 个匀速圆周运动和一个沿x 轴的匀速直线运动。

其运动轨迹如图4所示 图.3(4)如果空间电场和磁场的方向互相垂直(0=z E ),且带电粒子在z 轴上的分速度为零,则粒子的运动可以看成是两个运动的合成。

既在x 轴方向的匀速直线运动和而在x y 平面上的匀速圆周运动。

其运动轨迹如图5所示。

(5) 如果空间电场和磁场的方向互相垂直(0=z E ), 图.4带电粒子在y 轴和z 轴上的分速度为零,且在 x 轴上的分速度为i E v zy x B =,则粒子只有一个运动。

既沿x 轴方向的匀速直线运动。

图.54.带电粒子在非均匀,恒定磁场中的运动以磁场中所考察的那一点作为坐标原点建立直角坐标系, 令 z 轴与原点上B 的方向重合, 于是()0x B = ()0y B = 0,()0z B =B由于磁场随空间缓慢地变化, 所以在原点附近除了有 B z 分量以外, 还将出现其它的分量. 每一个分量都 可随三个坐标 x , y , z 中的任一个而改变, 所以需要9 个偏导数才能完全确定磁场在一点的空间变化率; 换句话说, 为了描述磁场的不均匀性, 需要引入一个二阶张量磁场的空间梯度B ,把它写成矩阵形式就是:B ∇ = y x z y xz y x z B B B x x x B BB y y B B B zzz ∂⎡⎤∂∂⎢⎥∂∂∂⎢⎥∂∂∂⎢⎥⎢⎥∂∂∂⎢⎥⎢⎥∂∂∂⎢⎥∂∂∂⎣⎦5.带电粒子在非均匀磁场中的几种漂移5.1梯度漂移令 z 轴平行于磁场, 设磁场随 x 而改变, 且xB∂∂ > 0. 在图6 中, 一个正粒子将沿顺时针方向绕磁感应线 旋转. 当它画上半部分轨道时, 总是由弱场地点向强场地点运动, 回旋半径会越来越小; 相反地, 在画下半部 分轨道时, 则由强场地点向弱场地点运动, 回旋半径会越来越大. 这样一来, 引导中心就会产生一个沿 y 轴向 上的漂移. 对于负粒子来说, 因为回旋方向与正粒子相反, 所以将沿着 y 轴向下漂移图 .6图.7现在来求磁场梯度引起的漂移速度 DEG v . 从粒子回旋轨道的对称性看到, 粒子每完成一个回旋时, 它在x 方向的力学状态(坐标、动量) 就恢复原状, 就是运动方程().()y xm v qv B q v B x =⨯=⨯ (18) 在一个回旋上, 例如图 6 的 1、2 两点之间, 积分将等于零, 即21x t v dt t ⎰ = ()21y t q v B x dt m t ⎰ = ()dy t t x B m q ⎰21= 0 (19) 这里 t 1 , t 2 是粒子经过1 、2两点的时间, y 1 , y 2 是两点的 y 坐标. 把B ( x) 对原点作泰勒展开, 略去高次项以后,有 ()x B = B +x xB∂∂ (20) 其中 B 是原点处的磁感强度. 以式(19) 代入式(20) , 整理后可得:2122111y y BB y y xdy r B xB xπ∂∂-=-=∂∂⎰ (21) 其中 21y y -表示在一个回旋周期c T = 2cπω内引导中心沿y 方向的位移. 计算上式右方时, 假设xBB ∂∂1是合缓变条件 | c r ·∇B | < < B 的小量, 粒子回旋轨道可近似看成圆, 因此积分∫⎰y y dy 21等于拉莫尔圆所围面积- πr 2c , 这里负号是因为正粒子拉莫尔圆所围面积按右手螺旋规则应为负值。

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