精典磁场中各种边界问题解析
磁场多解临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题此类问题的解题关键是寻找临界点，寻找临界点的有效方法是：① 轨迹圆的缩放法：当入射粒子的入射方向不变而速度大小可变时，粒子做圆周运动的圆心一定在入射点所受洛伦兹力所表示的射线上，但位置（半径R ）不确定，用圆规作出一系列大小不同的轨迹图，从圆的动态变化中即可发现“临界点”. 例1 一个质量为m ，带电量为+q 的粒子 （不计重力），从O 点处沿+y 方向以初速 度射入一个边界为矩形的匀强磁场中，磁 场方向垂直于xy 平面向里，它的边界分别 是y=0,y=a,x=-1.5a,如图所示，那么当B 满足条件_________时，粒子将从上边界射 出：当B 满足条件_________时，粒子将从 左边界射出：当B 满足条件_________时， 粒子将从下边界射出：例2 如图9-8所示真空中宽为d 的区域内有强度为B 的匀强磁场方向如图，质量m 带电-q 的粒子以与CD 成θ角的速度V0 垂直射入磁场中。
要使粒子必能从EF 射出，则初速度V0应满足什么条件？ EF 上有粒子射出的区域？例3 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 0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v 0大小范围.（2）如果带电粒子不受上述v 0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间.a b cd O例5、在边长为a 2的ABC ∆内存在垂直纸面向 里的磁感强度为B 的匀强磁场，有一带正电q ， 质量为m 的粒子从距Ａ点a 3的Ｄ点垂直ＡＢ方向进入磁场，如图５所示，若粒子能从ＡＣ 间离开磁场，求粒子速率应满足什么条件及粒 子从ＡＣ间什么范围内射出．★★★ 带电粒子在磁场中以不同的速度运动时，圆周运动的半径随着速度的变化而变化，因此可以将半径放缩，运用“放缩法”探索出临界点的轨迹，使问题得解；对于范围型问题，求解时关键寻找引起范围的“临界轨迹”及“临界半径R0”，然后利用粒子运动的实际轨道半径R 与R0的大小关系确定范围。
电磁边界问题
“临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条件”“动量中的避免碰撞问题”等等，这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。
一、解题方法画图→动态分析→找临界轨迹。
（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算了──这一般都不难。
）二、常见题型（B为磁场的磁感应强度，v0为粒子进入磁场的初速度）分述如下：第一类问题：例1 如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。
一电子从CD边界外侧以速率v0垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为θ。
已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率v0至少多大？分析：如图2，通过作图可以看到：随着v0的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边界EF相切，然后就不难解答了。
第二类问题：例2如图3所示，水平线MN下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，在MN线上某点O正下方与之相距L的质子源S，可在纸面内360°范围内发射质量为m、电量为e、速度为v0=BeL/m的质子，不计质子重力，打在MN上的质子在O点右侧最远距离OP=________，打在O点左侧最远距离OQ=__________。
分析：首先求出半径得r=L，然后作出临界轨迹如图4所示（所有从S发射出去的质子做圆周运动的轨道圆心是在以S为圆心、以r=L为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆──就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），OP=，OQ=L。
【练习】如图5所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。
P为屏上的一小孔，PC与MN垂直。
一群质量为m、带电荷量为－q的粒子（不计重力），以相同的速率v，从P处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域。
数学圆法巧解磁场中的临界问题(解析版)
数学圆法巧解磁场中的临界问题一、应用技巧1.“放缩圆”法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1如图所示，一束电子以大小不同的速率沿图示方向垂直飞入横截面是一正方形的匀强磁场区域，下列判断正确的是()A.电子在磁场中运动时间越长，其轨迹线越长B.电子在磁场中运动时间越长，其轨迹线所对应的圆心角越大C.在磁场中运动时间相同的电子，其轨迹线不一定重合D.电子的速率不同，它们在磁场中运动时间一定不相同【答案】 BC【解析】 由t=θ2πT知，电子在磁场中运动时间与轨迹对应的圆心角成正比，所以电子在磁场中运动的时间越长，其轨迹线所对应的圆心角θ越大，电子飞入匀强磁场中做匀速圆周运动，轨迹线弧长s=rθ，运动时间越长，θ越大，但半径r不一定大，s也不一定大，故A错误，B正确．由周期公式T=2πmqB知，电子做圆周运动的周期与电子的速率无关，所以电子在磁场中的运动周期相同，若它们在磁场中运动时间相同，但轨迹不一定重合，比如：轨迹4与5，它们的运动时间相同，但它们的轨迹对应的半径不同，由r= mvqB可知它们的速率不同，故C正确，D错误．2.“旋转圆”法适用条件速度大小一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，若射定，方向不同入初速度为v0，则圆周运动半径为R=mv0qB。
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=mvqB的圆上界定方法将一半径为R=mv0qB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2如图所示为圆形区域的匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向里，边界跟y轴相切于坐标原点O。
高中物理高频考点《边界磁场问题分析与强化训练》(附详细参考答案)
边界磁场问题分析与强化训练（附详细参考答案）一、边界磁场问题分析及例题讲解：1．带电粒子在有界磁场中运动的常见情形（1）直线边界（进出磁场具有对称性，如图所示）（2）平行边界（存在临界条件，如图所示）（3）圆形边界（沿径向射入必沿径向射出，如图所示）（4）矩形边界：如图所示，可能会涉及与边界相切、相交等临界问题。
（5）三边形边界：如图所示是正△ABC区域内某正粒子垂直AB方向进入磁场的粒子临界轨迹示意图。
已知边长为2a，D点距A点3a，粒子能从AB间射出的临界轨迹如图甲所示，粒子能从AC间射出的临界轨迹如图乙所示。
2．带电粒子在有界磁场中的常用几何关系（1）四个点：分别是入射点、出射点、轨迹圆心和入射速度直线与出射速度直线的交点。
（2）三个角：速度偏转角、圆心角、弦切角，其中偏转角等于圆心角，也等于弦切角的2倍。
3．几点注意（1）当带电粒子射入磁场时的速度v大小一定，但射入方向变化时，粒子做圆周运动的轨道半径R是确定的。
在确定粒子运动的临界情景时，可以以入射点为定点，将轨迹圆旋转，作出一系列轨迹，从而探索出临界条件。
（2）当带电粒子射入磁场的方向确定，但射入时的速度v大小或磁场的磁感应强度B 变化时，粒子做圆周运动的轨道半径R随之变化．可以以入射点为定点，将轨道半径放缩，作出一系列的轨迹，从而探索出临界条件。
4．求解带电粒子在有界匀强磁场中运动的临界和极值问题的方法由于带电粒子往往是在有界磁场中运动，粒子在磁场中只运动一段圆弧就飞出磁场边界，其轨迹不是完整的圆，因此，此类问题往往要根据带电粒子运动的轨迹作相关图去寻找几何关系，分析临界条件（①带电体在磁场中，离开一个面的临界状态是对这个面的压力为零；②射出或不射出磁场的临界状态是带电体运动的轨迹与磁场边界相切。
），然后应用数学知识和相应物理规律分析求解。
（1）两种思路一是以定理、定律为依据，首先求出所研究问题的一般规律和一般解的形式，然后再分析、讨论临界条件下的特殊规律和特殊解；二是直接分析、讨论临界状态，找出临界条件，从而通过临界条件求出临界值。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界嘿，伙计们！今天我们要聊一聊带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界。
这个话题听起来有点儿高深，但其实它就像是我们日常生活中的一场“舞会”，只要我们跟着节奏一步一步来，就能轻松应对。
我们要明白什么是带电粒子。
带电粒子就像是一群跳舞的人，他们都有自己的电荷，有的带正电，有的带负电。
而磁场就像是这场舞会的舞池，它有自己的规则和节奏。
当带电粒子进入磁场时，就像是进入了舞池，它们会受到磁场的影响，跟着磁场的节奏跳起舞来。
接下来，我们来看看这场舞会的边界问题。
边界问题就像是舞会上的“规矩”，它告诉我们带电粒子在舞会中可以跳到哪里，不能跳到哪里。
在这个问题中，我们需要考虑两个方面：一是带电粒子的初始位置，二是磁场的方向和强度。
1.1 我们要考虑带电粒子的初始位置。
如果带电粒子一开始就在舞池的边缘附近，那么它们在跳舞过程中可能会被磁场推到舞池的另一边去。
这就是所谓的“三角形边界问题”。
我们可以把这个问题分成三个部分来解决：一是计算带电粒子在磁场中受到的力；二是计算带电粒子的运动轨迹；三是根据这些信息判断带电粒子是否会越过边界。
1.2 我们要考虑磁场的方向和强度。
磁场就像是舞会上的音乐，它会影响带电粒子跳舞的方式。
如果磁场很强，那么带电粒子在跳舞过程中可能会受到很大的影响，甚至会被“吸”到另一个方向去。
而如果磁场很弱，那么带电粒子在跳舞过程中可能不会有太大的变化。
因此，在解决三角形边界问题时，我们需要根据磁场的大小和方向来调整带电粒子的运动轨迹。
2.1 在解决了带电粒子的初始位置和磁场的问题后，我们还需要考虑一个重要的因素：时间。
时间就像是舞会上的时间表，它决定了舞会的进行速度。
在这个问题中，我们需要找到一个合适的时间步长，使得我们能够在有限的时间内计算出带电粒子的运动轨迹和边界条件。
2.2 为了更好地解决这个问题，我们还可以运用一些数学工具。
比如说，我们可以使用微积分来描述带电粒子在磁场中的运动；我们还可以使用线性代数来简化问题的求解过程。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界大家好，我今天要和大家聊一聊带电粒子在磁场中运动的边界问题，我们重点讨论三角形边界的情况。
我们要明白什么是带电粒子，它是指带有电荷的粒子，而磁场则是由电流产生的磁力线。
当带电粒子进入磁场时，它会受到磁场的作用而发生运动。
那么，带电粒子在磁场中的运动边界问题是什么呢？我们知道，物体在磁场中的运动会遇到一个叫做洛伦兹力的阻力，这个阻力会使得物体的运动变得不稳定。
因此，我们需要找到一种方法来解决这个问题。
接下来，我们先来看看带电粒子在磁场中运动的基本规律。
当带电粒子垂直于磁场方向运动时，它的速度不会发生变化；而当带电粒子沿着磁场方向运动时，它的速度会发生变化。
这是因为磁场对带电粒子产生了一个垂直于速度方向的力，使得速度发生了偏转。
这个现象可以用三角形边界来表示。
所谓三角形边界，就是指带电粒子在磁场中的运动轨迹是一个三角形。
现在我们已经知道了带电粒子在磁场中的运动规律，接下来我们需要考虑如何解决洛伦兹力带来的阻力问题。
我们知道，洛伦兹力与带电粒子的速度和磁场强度有关，因此我们可以通过调整带电粒子的速度和磁场强度来控制它的运动。
具体来说，我们可以将带电粒子的速度分解为两个分量：一个沿着磁场方向运动的分量和一个垂直于磁场方向运动的分量。
然后，我们可以通过调整这两个分量的数值来控制带电粒子的运动轨迹。
当我们把速度分解成两个分量之后，就可以用三角形边界来表示带电粒子的运动轨迹了。
具体来说，我们可以把带电粒子在磁场中的运动轨迹看作是一个由三个点组成的三角形。
这三个点分别是带电粒子进入磁场、离开磁场和回到原点的位置。
通过改变带电粒子在这三个位置的速度分量，我们就可以实现对带电粒子运动轨迹的控制。
我想强调一下的是，虽然洛伦兹力会给带电粒子带来阻力，但只要我们掌握了正确的方法和技巧，就完全可以克服这个问题。
事实上，在实际应用中，我们经常需要对带电粒子进行精确的运动控制，这时候就需要用到三角形边界这样的方法来解决问题。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界# 带电粒子在磁场中运动的边界问题——三角形边界大家好！今天咱们聊聊一个既神秘又有趣的话题，那就是带电粒子在磁场中的运动。
这个现象听起来就像是科幻电影里的情节，但实际上它在我们的日常生活中无处不在，比如你手中的手机、电脑甚至家里的电视都离不开磁场的帮忙。
首先得明确，带电粒子就是那些带着电荷的小东西，它们在磁场里就像小船在大海里航行，得找个方向才能不迷路。
想象一下，如果磁场是大海，带电粒子就是小船，那么小船要往哪个方向走呢？这就需要我们来分析这个问题了。
三角形边界问题，其实就是说带电粒子在磁场中运动的时候，会遇到一些特殊的障碍，这些障碍就像是三角形的边界一样，让带电粒子不能随意移动。
但是，别担心，科学家们已经找到了解决的办法。
他们发明了一种叫做“电磁铁”的东西，就像一个巨大的磁铁，可以牢牢地抓住带电粒子，不让它们乱跑。
想象一下，如果你有一个超级大的磁铁，可以把周围的带电粒子都吸住，那是不是就不用担心带电粒子在磁场中乱跑了呢？没错，这就是电磁铁的神奇之处。
它可以帮助我们更好地控制带电粒子的运动，让我们的生活变得更加美好。
不过，虽然电磁铁很神奇，但它也有一些缺点。
比如说，它可能会对环境造成一些影响，比如电磁辐射什么的。
这就需要我们在使用电磁铁的时候，要注意保护环境，尽量减少对大自然的伤害。
总的来说，带电粒子在磁场中运动的问题，就像是一场精彩的冒险之旅。
我们需要用智慧和勇气去面对各种挑战，找到解决问题的方法。
只有这样，我们的生活才会更加美好，我们的世界才会更加精彩。
好了，今天的分享就到这里。
希望大家通过这篇文章，能够对带电粒子在磁场中运动的问题有更深入的了解。
如果你还有其他的问题或者想法，欢迎在评论区留言讨论哦！。
磁场边界问题
(1)模型概述带电粒子在有界磁场中的偏转问题一直是高考的热点，此类模型较为复杂，常见的磁场边界有单直线边界、双直线边界、矩形边界和圆形边界等．因为是有界磁场，则带电粒子运动的完整圆周往往会被破坏，可能存在最大、最小面积、最长、最短时间等问题．(2)模型分类 Ⅰ.单直线边界型当粒子源在磁场中，且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子时以图8－2－11(甲)中带负电粒子的运动为例．图8－2－11 规律要点 ①最值相切：当带电粒子的运动轨迹小于12圆周且与边界相切时(如图中a 点)，切点为带电粒子不能射出磁场的最值点(或恰能射出磁场的临界点)．②最值相交：当带电粒子的运动轨迹大于或等于12圆周时，直径与边界相交的点(如图8－2－11(甲)中的b 点)为带电粒子射出边界的最远点(距O 最远)．Ⅱ.双直线边界型当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同一种粒子时，以图8－2－11(乙)中带负电粒子的运动为例．规律要点①最值相切：粒子能从另一边界射出的上、下最远点对应的轨道分别与两直线相切．如图8－2－11(乙)所示．②对称性：过粒子源S 的垂线为ab 的中垂线．在如图(乙)中，a 、b 之间有带电粒子射出，可求得ab ＝22dr －d 2最值相切规律可推广到矩形区域磁场中．Ⅲ.圆形边界(1)圆形磁场区域规律要点 ①相交于圆心：带电粒子沿指向圆心的方向进入磁场，则出磁场时速度矢量的反向延长线一定过圆心，即两速度矢量相交于圆心，如图8－2－12(甲)．②直径最小：带电粒子从直径的一个端点射入磁场，则从该直径的另一端点射出时，磁场区域面积最小．如图8－2－12(乙)所示．(2)环状磁场区域规律要点①径向出入：带电粒子沿(逆)半径方向射入磁场，若能返回同一边界，则一定逆(沿)半径方向射出磁场．②最值相切：当带电粒子的运动轨迹与圆相切时，粒子有最大速度v m 而磁场有最小磁感应强度B .如图8－2－12(丙)．图8－2－12图8－2－13【典例】 如8－2－13所示，两个同心圆，半径分别为r 和2r ，在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B .圆心O 处有一放射源，放出粒子的质量为m ，带电量为q ，假设粒子速度方向都和纸面平行．(1)图中箭头表示某一粒子初速度的方向，OA 与初速度方向夹角为60°，要想使该粒子经过磁场第一次通过A 点，则初速度的大小是多少(2)要使粒子不穿出环形区域，则粒子的初速度不能超过多少解析 (1)如图所示，设粒子在磁场中的轨道半径为R 1，则由几何关系得R 1＝3r 3，又qv 1B ＝m v 12R 1得v 1＝3Bqr 3m .(2)设粒子轨迹与磁场外边界相切时，粒子在磁场中的轨道半径为R 2，则由几何关系有(2r －R 2)2＝R 22＋r 2可得R 2＝3r 4，又qv 2B ＝m v 22R 2，可得v 2＝3Bqr4m故要使粒子不穿出环形区域，粒子的初速度不能超过3Bqr4m .答案 (1)3Bqr 3m (2)3Bqr4m对应学生用书P140图8－2－141．(2011·海南卷，10改编)如图8－2－14所示空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，图中的正方形为其边界．一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从O 点入射．这两种粒子带同种电荷，它们的电荷量、质量均不同，但其比荷相同，且都包含不同速率的粒子．不计重力，下列说法正确的是( )．A ．入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同B ．入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同C ．在磁场中运动时间相同的粒子，其运动轨迹一定相同D ．在磁场中运动时间越长的粒子，其轨迹所对的圆心角一定越小解析 带电粒子进入磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据qvB ＝mv 2r 得轨道半径r ＝mvqB ，粒子的比荷相同．故不同速度的粒子在磁场中运动的轨道半径不同，轨迹不同，相同速度的粒子，轨道半径相同，轨迹相同，故B 正确．带电粒子在磁场中做圆周运动的周期T ＝2πr v ＝2πmqB ，故所有带电粒子的运动周期均相同．若带电粒子从磁场左边界射出磁场，则这些粒子在磁场中运动时间是相同的，但不同速度轨迹不同，故A 、C 错误．根据θt ＝2πT 得θ＝2πT t ，所以t 越长，θ越大，故D 错误．答案 B 2．(2011·浙江卷，20改编)利用如图8－2－15所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子．图中板MN 上方是磁感应强度大小为B 、方向垂直纸面向里的匀强磁场，板上有两条宽度分别为2d 和d 的缝，两缝近端相距为L .一群质量为m 、电荷量为q ，具有不同速度的粒子从宽度为2d 的缝垂直于板MN 进入磁场，对于能够从宽度为d 的缝射出的粒子，下列说法正确的是( )．图8－2－15A ．粒子带正电B ．射出粒子的最大速度为2mqB 3d ＋LC ．保持d 和L 不变，增大B ，射出粒子的最大速度与最小速度之差增大D ．保持d 和B 不变，增大L ，射出粒子的最大速度与最小速度之差增大解析 利用左手定则可判定只有负电荷进入磁场时才向右偏，故选项A 错误．利用qvB ＝mv 2r 知r ＝mv qB ，能射出的粒子满足L 2≤r ≤L ＋3d 2，因此对应射出粒子的最大速度v max ＝qBr max m ＝qB 3d ＋L 2m ，选项B 错误．最小速度v min ＝qBr min m －qBL 2m ，Δv ＝v max －v min ＝3qBd2m ，由此式可判定选项C正确，选项D错误．答案C3．(2011·广东卷，35)如图8－2－16(a)所示，在以O为圆心，内外半径分别为R1和R2的圆环区域内，存在辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场，内外圆间的电势差U为常量，R1＝R0，R2＝3R0.一电荷量为＋q，质量为m的粒子从内圆上的A点进入该区域，不计重力．(1)已知粒子从外圆上以速度v1射出，求粒子在A点的初速度v0的大小．(2)若撤去电场，如图8－2－16(b)，已知粒子从OA延长线与外圆的交点C以速度v2射出，方向与OA延长线成45°角，求磁感应强度的大小及粒子在磁场中运动的时间．(3)在图8－2－16(b)中，若粒子从A点进入磁场，速度大小为v3，方向不确定，要使粒子一定能够从外圆射出，磁感应强度应小于多少图8－2－16解析(1)根据动能定理，qU＝12mv12－12mv02，所以v0＝v12－2qUm.(2)如图所示，设粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R，由几何知识可知R2＋R2＝(R2－R1)2，解得R＝2R0.根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律qv2B＝mv22R.解得B＝mv2q2R0＝2mv22qR0.根据公式tT＝θ2π，2πR＝v2T，qv2B＝mv22R，解得t＝T4＝2πm4Bq＝2πm4×mv22R0＝2πR02v2.(3)考虑临界情况，如图所示①qv3B1′＝mv32R0，解得B1′＝mv3qR0，②qv 3B 2′＝m v 322R 0，解得B 2′＝mv 32qR 0，综合得：B ′<mv 32qR 0.答案 (1) v 12－2qU m (2)2mv 22qR 0 2πR 02v 2 (3)mv 32qR 0图8－2－174．(2011·课标全国卷，25)如图8－2－17所示，在区域Ⅰ(0≤x ≤d )和区域Ⅱ(d <x ≤2d )内分别存在匀强磁场，磁感应强度大小分别为B 和2B ，方向相反，且都垂直于Oxy 平面．一质量为m 、带电荷量q (q >0)的粒子a 于某时刻从y 轴上的P 点射入区域Ⅰ，其速度方向沿x 轴正向．已知a 在离开区域Ⅰ时，速度方向与x 轴正向的夹角为30°；此时，另一质量和电荷量均与a 相同的粒子b 也从P 点沿x 轴正向射入区域Ⅰ，其速度大小是a 的13.不计重力和两粒子之间的相互作用力．求：(1)粒子a 射入区域Ⅰ时速度的大小；(2)当a 离开区域Ⅱ时，a 、b 两粒子的y 坐标之差．解析 (1)设粒子a 在Ⅰ内做匀速圆周运动的圆心为C (在y 轴上)．半径为R a 1，粒子速率为v a ，运动轨迹与两磁场区域边界的交点为P ′，如图所示．由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得qv a B ＝m v a2R a 1①由几何关系得∠PCP ′＝θ②R a 1＝d sin θ ③ 式中，θ＝30°，由①②③式得v a ＝2dqB m ④ (2)设粒子a 在Ⅱ内做圆周运动的圆心为O a ，半径为R a 2，射出点为P a (图中未画出轨迹)，∠P ′O a P a ＝θ′.由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得qv a (2B )＝m v a 2R a 2⑤由①⑤式得R a 2＝R a 12⑥C 、P ′和O a 三点共线，且由⑥式知O a 点必位于x ＝32d ⑦ 的平面上．由对称性知，P a 点与P ′点纵坐标相同，即 y Pa ＝R a 1cos θ＋h ⑧式中，h 是C 点的y 坐标．设b 在Ⅰ中运动的轨道半径为R b 1，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得q ⎝⎛⎭⎫v a 3B ＝m R b 1⎝⎛⎭⎫v a 32⑨当a 到达P a 点时，b 位于P b 点，转过的角度为α.如果b 没有飞出Ⅰ，则t T a 2＝θ′2π⑩t T b 1＝α2π式中，t 是a 在区域Ⅱ中运动的时间，而T a 2＝2πR a 2v aT b 1＝2πR b 1v a 3由⑤⑨⑩式得α＝30°由①③⑨式可见，b 没有飞出Ⅰ.P b 点的y 坐标为 y Pb ＝R b 1(2＋cos α)＋h由①③⑧⑨式及题给条件得，a 、b 两粒子的y 坐标之差为y Pa －y Pb ＝23(3－2)d答案 (1)2dqB m (2)23(3－2)d第3讲 带电粒子在复合场中的运动对应学生用书P141复合场 复合场是指电场、磁场和重力场并存，或其中某两场并存，或分区域存在．从场的复合形式上一般可分为如下四种情况：①相邻场；②重叠场；③交替场；④交变场.带电粒子在复合场中的运动分类 1.静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动． 2．匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动．3．较复杂的曲线运动当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．4．分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运电场磁场同区域应用实例装置 原理图 规律速度选择器若qv 0B ＝Eq ，即v 0＝EB ，粒子做匀速直线运动磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极电压为U时稳定，qUd＝qv0B，U＝vBd电磁流量计UD q＝qvB所以v＝UDB所以Q＝vS＝UDBπ⎝⎛⎭⎫D22质谱仪、回旋加速器《见第2讲》复合场中重力是否考虑的三种情况(1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略．而对于一些实际物体，如带电小球、液滴、金属块等，一般应考虑其重力．(2)在题目中明确说明的按说明要求是否考虑重力．(3)不能直接判断是否考虑重力的，在进行受力分析与运动分析时，要由分析结果确定是否考虑重力．图8－3－11．如图8－3－1是磁流体发电机的原理示意图，金属板M、N正对着平行放置，且板面垂直于纸面，在两板之间接有电阻R.在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场．当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时，下列说法中正确的是()．①N板的电势高于M板的电势②M板的电势高于N板的电势③R中有由b向a方向的电流④R中有由a向b方向的电流A．①②B．③④C．②④D．①③解析本题考查洛伦兹力的方向的判断，电流形成的条件等知识点．根据左手定则可知正电荷向上极板偏转，负电荷向下极板偏转，则M板的电势高于N板的电势．M板相当于电源的正板，那么R中有由a向b方向的电流．答案C图8－3－22．如图8－3－2所示，有一混合正离子束先后通过正交的电场、磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子流在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径r相同，则它们一定具有相同的()．A．动能B．质量C．电荷量D．比荷答案D图8－3－33．(2012·南昌高三调研)某空间存在水平方向的匀强电场(图中未画出)，带电小球沿如图8－3－3所示的直线斜向下由A点沿直线向B点运动，此空间同时存在由A指向B的匀强磁场，则下列说法正确的是()．A．小球一定带正电B．小球可能做匀速直线运动C．带电小球一定做匀加速直线运动D．运动过程中，小球的机械能减少解析本题考查带电体在复合场中的运动问题．由于重力方向竖直向下，空间存在磁场，且直线运动方向斜向下，与磁场方向相同，故不受磁场力作用，电场力必水平向右，但电场具体方向未知，故不能判断带电小球的电性，选项A错误；重力和电场力的合力不为零，故不是匀速直线运动，所以选项B错误；因为重力与电场力的合力方向与运动方向相同，故小球一定做匀加速运动，选项C正确；运动过程中由于电场力做正功，故机械能增大，选项D错误．答案C4．如图8－3－4所示，在空间中存在垂直纸面向里的匀强磁场，其竖直边界AB，CD 的宽度为d，在边界AB左侧是竖直向下、场强为E的匀强电场．现有质量为m、带电量为＋q的粒子(不计重力)从P点以大小为v0的水平初速度射入电场，随后与边界AB成45°射入磁场．若粒子能垂直CD边界飞出磁场，穿过小孔进入如图所示两竖直平行金属板间的匀强电场中减速至零且不碰到正极板．(1)请画出粒子上述过程中的运动轨迹，并求出粒子进入磁场时的速度大小v；(2)求匀强磁场的磁感应强度B；(3)求金属板间的电压U的最小值．图8－3－4解析(1)轨迹如图所示v＝v0cos 45°＝2v0(2)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动设其轨道半径R ，由几何关系可知R ＝dsin 45°＝2d qvB ＝m v 2R 解得B ＝mv 0qd(3)粒子进入板间电场至速度减为零的过程，由动能定理有－qU ＝0－12mv 2 解得U ＝mv 02q .答案 (1)轨迹见解析图2v 0 (2)mv 0qd (3)mv 02q对应学生用书P142考点一 带电粒子在分离复合场中的运动 “电偏转”和“磁偏转”的比较垂直进入磁场(磁偏转)垂直进入电场(电偏转)情景图受力F B ＝qv 0B 大小不变，方向总指向圆心，方向变化，F B 为变力 F E ＝qE ，F E 大小、方向不变，为恒力运动规律 匀速圆周运动r ＝mv 0Bq ，T ＝2πmBq类平抛运动v x ＝v 0，v y ＝Eqm t x ＝v 0t ，y ＝Eq2m t 2续表运动时间 t ＝θ2πT ＝θm Bqt ＝Lv 0，具有等时性动能不变变化【典例1】 在竖直平面内，图8－3－5以虚线为界分布着如图8－3－5所示的匀强电场和匀强磁场，其中匀强电场的方向竖直向下，大小为E ；匀强磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B .虚线与水平线之间的夹角为θ＝45°，一个带负电荷的粒子在O 点以速度v 0水平射入匀强磁场，已知带电粒子所带的电荷量为q ，质量为m (重力忽略不计，电场、磁场区域足够大)．求：(1)带电粒子第1次通过虚线时距O 点的距离；(2)带电粒子从O 点开始到第3次通过虚线时所经历的时间； (3)带电粒子第4次通过虚线时距O 点的距离． 解析 带电粒子运动的轨迹如图所示(1)据qv 0B ＝m v 02r 得r ＝mv 0qB ，又由几何知识可知：d 1＝2r ，解得d 1＝2mv 0qB .(2)在磁场中运动时间为t 1＝T 4＝πm2qB在电场中a ＝qEm运动时间为t 2＝2v 0a ＝2mv 0qE再一次在磁场中运动t 3＝3πm2qB ，所以总时间t ＝2πm qB ＋2mv 0qE .(3)再次进入电场中从C 到D 做类平抛运动(如图所示)x ＝v 0t 4，y ＝at 422，x ＝y ，得x ＝2mv 02qE所以距O 点距离为Δd ＝2d 1－2x ＝22mv 0qB －22mv 02qE .答案 (1)2mv 0qB (2)2πm qB ＋2mv 0qE (3)22mv 0qB －22mv 02qE——解决带电粒子在分离复合场中运动问题的思路方法【变式1】在如图8－3－6所示的空图8－3－6间坐标系中，y 轴的左侧有一匀强电场，场强大小为E ，场强方向与y 轴负方向成30°，y 轴的右侧有一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B (未画出)．现有一质子在x 轴上坐标为x 0＝10 cm 处的A 点，以一定的初速度v 0第一次沿x 轴正方向射入磁场，第二次沿x 轴负方向射入磁场，回旋后都垂直于电场方向射入电场，最后又进入磁场．求：(1)质子在匀强磁场中的轨迹半径R ； (2)质子两次在磁场中运动时间之比；(3)若第一次射入磁场的质子经电场偏转后，恰好从第二次射入磁场的质子进入电场的位置再次进入磁场，试求初速度v 0和电场强度E 、磁感应强度B 之间需要满足的条件．解析 (1)质子两次运动的轨迹如图所示，由几何关系可知x 0＝R sin 30° 解得R ＝2x 0＝20 cm.(2)第一次射入磁场的质子，轨迹对应的圆心角为θ1＝210° 第二次射入磁场的质子，轨迹对应的圆心角为θ2＝30°故质子两次在磁场中运动时间之比为t 1∶t 2＝θ1∶θ2＝7∶1. (3)质子在磁场中做匀速圆周运动时，由ev 0B ＝m v 02R 得R ＝mv 0eB设第一次射入磁场的质子，从y 轴上的P 点进入电场做类平抛运动，从y 轴上的Q 点进入磁场，由几何关系得，质子沿y 轴的位移为Δy ＝2R质子的加速度a ＝eEm沿电场方向Δy cos 30°＝12at 2 垂直电场方向Δy sin 30°＝v 0t解得v 0＝3E6B .答案 (1)20 cm (2)7∶1 (3)v 0＝3E6B 考点二 带电粒子在叠加复合场中的运动 带电粒子(体)在复合场中的运动问题求解要点(1)受力分析是基础．在受力分析时是否考虑重力必须注意题目条件．(2)运动过程分析是关键．在运动过程分析中应注意物体做直线运动，曲线运动及圆周运动、类平抛运动的条件．(3)构建物理模型是难点．根据不同的运动过程及物理模型选择合适的物理规律列方程求解．【典例2】如图8－3－7所示，与水平面成37°的倾斜轨道AC ，其延长线在D 点与半圆轨道DF 相切，全部轨道为绝缘材料制成且位于竖直面内，整个空间存在水平向左的匀强电场，MN 的右侧存在垂直纸面向里的匀强磁场(C 点处于MN 边界上)．一质量为0.4 kg 的带电小球沿轨道AC 下滑，至C 点时速度为v C ＝1007 m/s ，接着沿直线CD 运动到D 处进入半圆轨道，进入时无动能损失，且恰好能通过F 点，在F 点速度v F ＝4 m/s(不计空气阻力，g ＝10 m/s 2，cos 37°＝．求：图8－3－7(1)小球带何种电荷(2)小球在半圆轨道部分克服摩擦力所做的功；(3)小球从F 点飞出时磁场同时消失，小球离开F 点后的运动轨迹与直线AC (或延长线)的交点为(G 点未标出)，求G 点到D 点的距离．解析 (1)正电荷(2)依题意可知小球在CD 间做匀速直线运动在D 点速度为v D ＝v C ＝1007m/s在CD 段受重力、电场力、洛伦兹力且合力为0，设重力与电场力的合力为F ＝qv C B又F ＝mg cos 37°＝5 N 解得qB ＝F v C＝720在F 处由牛顿第二定律可得qv F B ＋F ＝mv F 2R把qB ＝720代入得R ＝1 m小球在DF 段克服摩擦力做功W f ，由动能定理可得－W f －2FR ＝mv F 2－v D 22 W f ＝ J(3)小球离开F 点后做类平抛运动，其加速度为a ＝Fm 由2R ＝at 22得t ＝ 4mR F ＝2 25 s 交点G 与D 点的距离GD ＝v F t ＝1.6 2 m ＝2.26 m.答案 见解析 【变式2】 (2011·广东六校联合体联考)图8－3－8 如图8－3－8所示，竖直平面内有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度E 1＝2 500N/C ，方向竖直向上；磁感应强度B ＝103T ，方向垂直纸面向外；有一质量m ＝1×10－2kg 、电荷量q ＝4×10－5C 的带正电小球自O 点沿与水平线成45°角以v 0＝4 m/s 的速度射入复合场中，之后小球恰好从P 点进入电场强度E 2＝2 500 N/C ，方向水平向左的第二个匀强电场中．不计空气阻力，g 取10 m/s 2.求：(1)O 点到P 点的距离s 1；(2)带电小球经过P 点的正下方Q 点时与P 点的距离s 2.解析 (1)带电小球在正交的匀强电场和匀强磁场中受到的重力G ＝mg ＝ N 电场力F 1＝qE 1＝ N即G ＝F 1，故带电小球在正交的电磁场中由O 到P 做匀速圆周运动根据牛顿第二定律得qv 0B ＝m v 02R解得：R ＝mv 0qB ＝1×10－2×44×10－5×103m ＝1 m 由几何关系得：s 1＝2R ＝ 2 m.(2)带电小球在P 点的速度大小仍为v 0＝4 m/s ，方向与水平方向成45°.由于电场力F 2＝qE 2＝ N ，与重力大小相等，方向相互垂直，则合力的大小为F ＝210 N ，方向与初速度方向垂直，故带电小球在第二个电场中做类平抛运动建立如图所示的x 、y 坐标系，沿y 轴方向上，带电小球的加速度a ＝Fm ＝102m/s 2，位移y ＝12at 2沿x 轴方向上，带电小球的位移x ＝v 0t由几何关系有：y ＝x 即：12at 2＝v 0t ，解得：t ＝25 2 sQ 点到P 点的距离s 2＝2x ＝2×4×25 2 m ＝3.2 m.答案 (1) 2 m (2)3.2 m对应学生用书P14411.带电粒子“在复合场中运动的轨迹”模型(1)模型概述当带电粒子沿不同方向进入电场或磁场时，粒子做各种各样的运动，形成了异彩纷呈的轨迹图形．对带电粒子而言“受力决定运动，运动描绘轨迹，轨迹涵盖方程”．究竟如何构建轨迹模型，至关重要．首先应根据电场力和洛伦兹力的性质找出带电粒子所受到的合力，再由物体做曲线运动的条件确定曲线形式．(2)模型分类 ①“拱桥”型图8－3－9【典例1】 如图8－3－9所示，在x 轴上方有垂直于xOy 平面的匀强磁场，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 、电荷量为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O 点的距离为L ，求此时粒子射出时的速度和运动的总路程(重力不计)．解析 画出粒子运动轨迹如图所示，形成“拱桥”图形．由题可知粒子轨道半径R ＝L4.由牛顿运动定律知粒子运动速率为v ＝BqR m ＝BqL4m设粒子进入电场后沿y 轴负方向做减速运动的最大路程为y ，由动能定理知12mv 2＝qEy ，得y ＝qB 2L 232mE所以粒子运动的总路程为x ＝qB 2L 216mE ＋12πL . ②“心连心”型图8－3－10【典例2】 如图8－3－10所示，一理想磁场以x 轴为界，下方磁场的磁感应强度是上方磁感应强度B 的两倍．今有一质量为m 、电荷量为＋q 的粒子，从原点O 沿y 轴正方向以速度v 0射入磁场中，求此粒子从开始进入磁场到第四次通过x 轴的位置和时间(重力不计)．解析 由r ＝mv Bq 知粒子在x 轴上方做圆周运动的轨道半径r 1＝mv 0Bq ，在x 轴下方做圆周运动的轨道半径r 2＝mv 02Bq ，所以r 1＝2r 2现作出带电粒子的运动的轨迹如图所示，形成“心连心”图形，所以粒子第四次经过x 轴的位置和时间分别为x ＝2r 1＝2mv 0Bqt ＝T 1＋T 2＝2πm Bq ＋2πm 2Bq ＝3πmBq③“葡萄串”型【典例3】 如图8－3－11甲所示 ，互相平行且水平放置的金属板，板长L ＝1.2 m ，两板距离d ＝0.6 m ，两板间加上U ＝ V 恒定电压及随时间变化的磁场，磁场变化规律如图8－3－11乙所示，规定磁场方向垂直纸面向里为正．当t ＝0时，有一质量为m ＝×10－6kg 、电荷量q ＝＋×10－4C 的粒子从极板左侧以v 0＝×103m/s 沿与两板平行的中线OO ′射入，取g ＝10 m/s 2、π＝.求：图8－3－11(1)粒子在0～×10－4s 内位移的大小x ； (2)粒子离开中线OO ′的最大距离h ； (3)粒子在板间运动的时间t ；(4)画出粒子在板间运动的轨迹图．解析 (1)由题意知：Eq ＝U d q ＝×10－5N ①而mg ＝×10－5N ② 显然Eq ＝mg ③ 故粒子在0～×10－4s 时间内做匀速直线运动，因为Δt ＝×10－4s ， 所以x ＝v 0Δt ＝0.4 m ④(2)在×10－4～×10－4s 时间内，电场力与重力平衡，粒子做匀速圆周运动，因为T ＝2πm qB ＝×10－4s ⑤ 故粒子在×10－4～×10－4s 时间内恰好完成一个周期圆周运动⑥由牛顿第二定律得：qv 0B ＝mv 02R ⑦R ＝mv 0qB ＝0.064 m ⑧h ＝2R ＝0.128 m<d2.所以粒子离开中线OO ′的最大距离h ＝0.128 m ．⑨ (3)板长L ＝1.2 m ＝3 x ⑩t ＝2T ＋3Δt ＝×10－4s(4)轨迹如图对应学生用书P145图8－3－121．(2011·大纲全国卷，25)如图8－3－12所示，与水平面成45°角的平面MN 将空间分成Ⅰ和Ⅱ两个区域．一质量为m 、电荷量为q (q >0)的粒子以速度v 0从平面MN 上的P 0点水平向右射入Ⅰ区．粒子在Ⅰ区运动时，只受到大小不变、方向竖直向下的电场作用，电场强度大小为E ；在Ⅱ区运动时，只受到匀强磁场的作用，磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向里．求粒子首次从Ⅱ区离开时到出发点P 0的距离．粒子的重力可以忽略．解析 带电粒子进入电场后， 在电场力的作用下做类平抛运动，其加速度方向竖直向下，设其大小为a ， 由牛顿运动定律得qE ＝ma ①设经过时间t 0粒子从平面MN 上的点P 1进入磁场，由运动学公式和几何关系得v 0t 0＝12at 02②粒子速度大小v 1＝v 02＋at 02③设速度方向与竖直方向的夹角为α，则tan α＝v 0at 0④此时粒子到出发点P 0的距离为 s 0＝2v 0t 0⑤此后，粒子进入磁场，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，圆周半径为r 1＝mv 1qB ⑥设粒子首次离开磁场的点为P 2，弧P 1P 2所对的圆心角为2β，则点P 1到点P 2的距离为 s 1＝2r 1sin β⑦ 由几何关系得 α＋β＝45°⑧联立①②③④⑥⑦⑧式得s 1＝2mv 0qB ⑨点P 2与点P 0相距l ＝s 0＋s 1⑩联系①②⑤⑨⑩解得l ＝2mv 0q⎝⎛⎭⎫2v 0E ＋1B 答案 2mv 0q ⎝⎛⎭⎫2v 0E ＋1B图8－3－132．(2011·安徽卷，23)如图8－3－13所示，在以坐标原点O 为圆心、半径为R 的半圆形区域内，有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，磁感应强度为B ，磁场方向垂直于xOy 平面向里．一带正电的粒子(不计重力)从O 点沿y 轴正方向以某一速度射入，带电粒子恰好做匀速直线运动，经t 0时间从P 点射出．(1)求电场强度的大小和方向；(2)若仅撤去磁场，带电粒子仍从O 点以相同的速度射入，经t 02时间恰从半圆形区域的边界射出．求粒子运动加速度的大小；(3)若仅撤去电场，带电粒子仍从O 点射入，但速度为原来的4倍，求粒子在磁场中运动的时间．解析 (1)因为带电粒子进入复合场后做匀速直线运动，则qv 0B ＝qE ① R ＝v 0t 0②由①②联立解得E ＝BRt 0，方向沿x 轴正方向．(2)若仅撤去磁场，带电粒子在电场中做类平抛运动，沿y 轴正方向做匀速直线运动y ＝v 0·t 02＝R 2③沿x 轴正方向做匀加速直线运动x ＝12at 2④由几何关系知x ＝ R 2－R 24＝32R ⑤解得a ＝43Rt 02(3)仅有磁场时，入射速度v ′＝4v ，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，设轨道半径为r ，由牛顿第二定律有qv ′B ＝m v ′2r ⑥ 又qE ＝ma ⑦可得r ＝3R3⑧由几何知识sin α＝R2r ⑨即sin α＝32，α＝π3⑩带电粒子在磁场中运动周期T ＝2πmqB则带电粒子在磁场中运动时间t ′＝2α2πT ，所以t ′＝3π18t 0. 答案 见解析 3．(2011·重庆卷，25)某仪器用电场和磁场来控制电子在材料表面上方的运动．如图8－3－14所示，材料表面上方矩形区域PP ′N ′N 充满竖直向下的匀强电场，宽为d ；矩形区域NN ′M ′M 充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B ，长为3s ，宽为s ；NN ′为磁场与电场之间的薄隔离层．一个电荷量为e 、质量为m 、初速为零的电子，从P 点开始被电场加速经隔离层垂直进入磁场，电子每次穿越隔离层，运动方向不变，其动能损失是每次穿越前动能的10%，最后电子仅能从磁场边界M ′N ′飞出．不计电子所受重力．图8－3－14(1)求电子第二次与第一次圆周运动半径之比． (2)求电场强度的取值范围．(3)A 是M ′N ′的中点，若要使电子在A 、M ′间垂直于AM ′飞出，求电子在磁场区域中运动的时间．解析 (1)设圆周运动的半径分别为R 1、R 2、…R n 、R n ＋1…，第一和第二次圆周运动速率分别为v 1和v 2，动能分别为E k1和E k2.由：E k2＝，R 1＝mv 1Be ，R 2＝mv 2Be ，E k1＝12mv 12，E k2＝12mv 22，得R 2∶R 1＝. (2)设电场强度为E ，第一次到达隔离层前的速率为v ′.由eEd ＝12mv ′2,×12mv ′2＝12mv 12，R 1≤s得E ≤5B 2es 29md ，又由：R n ＝－1R 1， 2R 1(1＋＋＋…＋＋…)>3s得E >B 2es 280md ，故B 2es 280md <E ≤5B 2es 29md .(3)设电子在匀强磁场中，圆周运动的周期为T ，运动的半圆周个数为n ，运动总时间为t .由题意，有错误!＋R n ＋1＝3s ，R 1≤s ，R n ＋1＝，R n ＋1≥错误!，得n ＝2，又由T ＝错误!.得：t ＝5πm 2eB .答案 (1) (2)B 2es 280md <E ≤5B 2es 29md (3)5πm2eB。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界嗨，亲们！今天我们来聊聊一个有趣的话题——带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界。
让我们来搞清楚这个概念。
带电粒子在磁场中运动时，会遇到一个叫做“洛伦兹力”的东西。
这个力会让它偏离原来的方向，就像你拿着一个小磁铁去靠近一根铁棒，铁棒会偏离原来的方向一样。
那么，当带电粒子在磁场中运动时，它会沿着什么轨迹呢？这就要说到我们今天要讲的三角形边界了。
想象一下，带电粒子在磁场中运动，它的速度和方向都会发生变化。
这时候，我们可以用一个三角形来表示它的轨迹。
这个三角形有三个顶点，分别是粒子开始的地方、粒子结束的地方和磁场最强的地方。
现在，我们来看看这个三角形的性质。
三角形的面积是不变的。
这是因为当带电粒子在磁场中运动时，它会受到洛伦兹力的作用，从而改变速度和方向。
但是，无论它怎么改变，三角形的面积都是不变的。
三角形的形状是可以改变的。
这是因为当带电粒子在磁场中运动时，它会受到洛伦兹力的作用，从而改变速度和方向。
如果洛伦兹力的方向与磁场的方向相同，那么三角形就会变成一个直线；如果洛伦兹力的方向与磁场的方向相反，那么三角形就会变成一个圆形；如果洛伦兹力的方向与磁场的方向垂直，那么三角形就会变成一个菱形。
让我们来说说如何求解带电粒子在磁场中运动的边界问题。
这个问题其实很简单，只需要用到三角形面积公式就可以了。
具体来说，我们可以先求出三角形的两个边长a 和b(分别表示粒子在磁场中沿x轴和y轴方向上的速度),然后用海伦公式求出三角形的高h(即洛伦兹因子)。
根据三角形面积公式S = (1/2)absinC(其中C表示夹角),代入已知条件即可求出答案。
好了，今天的分享就到这里啦！希望大家能够喜欢这个有趣的话题。
下次再见啦！。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界大家好，今天我要给大家讲解一个关于带电粒子在磁场中运动的边界问题——三角形边界。
我们要明白什么是三角形边界，它是指带电粒子在磁场中运动时，其运动轨迹形成的边界是一个三角形。
接下来，我将从三个方面来详细讲解这个问题。
一、1.1 带电粒子的基本概念带电粒子是指带有电荷的粒子，它们可以是电子、质子等。
电荷是带电粒子的一种属性，它决定了粒子的运动特性。
在磁场中，带电粒子会受到洛伦兹力的作用，从而改变它们的运动轨迹。
洛伦兹力是根据爱因斯坦的洛伦兹理论计算出来的，它与带电粒子的速度和磁场的强度有关。
二、2.1 磁场的基本概念磁场是由电荷产生的，它是一种物理场。
在磁场中，带电粒子会受到一个垂直于速度方向和磁场方向的力，这个力就是洛伦兹力。
磁场的方向可以用磁感应强度来表示，磁感应强度的大小与磁场的强度成正比，与距离磁场的距离成反比。
三、3.1 三角形边界的形成原理当我们把带电粒子放在一个磁场中时，它们会在磁场中受到洛伦兹力的作用，从而改变它们的运动轨迹。
这些运动轨迹在空间中形成了一个封闭的曲线，这个曲线就是带电粒子的运动轨迹。
由于带电粒子在磁场中的运动是三维的，所以这个曲线是一个三维的空间曲面。
我们关心的是带电粒子在磁场中的边界问题。
这里的边界指的是带电粒子在磁场中运动时形成的最外层边界。
对于这个问题，我们可以通过分析带电粒子的运动轨迹来找到解决办法。
当带电粒子在磁场中沿着一个圆周运动时，它们的运动轨迹是一个圆形。
但是，当它们沿着一个螺旋线运动时，它们的运动轨迹就不再是一个圆形了。
这时，我们需要考虑一种特殊的边界情况——三角形边界。
四、4.1 三角形边界的形成过程当带电粒子沿着一个螺旋线运动时，它们的运动轨迹形成一个封闭的曲线。
这个曲线在空间中看起来像一个三角形。
这是因为螺旋线的形状使得带电粒子的运动轨迹在一个方向上保持不变，而在另一个方向上发生周期性的变化。
这种变化使得带电粒子的运动轨迹在一个方向上呈现出直线的特点，而在另一个方向上呈现出螺旋线的特点。
(精典)磁场中各种边界问题解析
带电粒了在匀强磁场屮作圆周运动的分析方法一.找圆心、画轨迹、找角度。
数学模型：（1）已知圆的两条切线，作它们垂线，交点为0,即为圆心。
（2） 已知圆的一条切线，和过圆上的另一点B,作过圆切线的垂线，再作弦的 中垂线。
交点即为圆心0。
（3） 偏向角补角的平分线，与另一条半径的交点直线边界磁场例I •找到下面题中粒子的圆心，画出轨迹。
求从左边界或右边界射出时与竖直方向夹角＜t ＞以及粒子在磁 场中经历的时间。
（第3图作出粒子刚好不从右侧穿出磁场）A/ I IX；X练3•如图所示，在水平直线醐上方有一匀强磁场，磁感强度为B,方向垂直向里。
一带电粒子质量为 电量为q,从a 点以与水平线MN 成0角度射入匀强磁场中，从右侧b 点离开磁场。
（1） 带电粒子带何种电荷（2） 带电粒子在磁场中运动的时间为多少X:B I练I ：Cl) (2)图1已知 B 、+q 、m 、0、d 、刚好不从上边界穿出 刚好不从下边界穿出 能从左边界穿出。
m 、 图2•…问:m.xVo XX XaXaX练习•、CD 、EF 为三条平行的边界线，AB. CD 、相距L“ CD 、EF 相距S 如图所示，AB 、CD 之间有垂直妖 面向里的匀强磁场，礎感强度为B” CD 、EF 之间也有垂直纸面向里的匀强磁场，磁惹感强度为氏。
现从人 点沿A 方向垂直磁场射入一带负电的粒子，该粒子质量为叭 带电量为-q,重力不计，求： 若粒子运动到CD 边时速度方向恰好与CD 边垂直，则它从A 点射入时速度Vo 为多少若已知粒子从A 点射入时速度为U(11>讥)，则粒子运动到CD 边界时，速度方向与CD 边的夹角0为 若已知粒子从A 点射入时速度为u (u>V 。
)粒子运动到EF 边界时恰好不穿出雄场，则CD. EF 之间磁场的磁感强度B ：：为多少力》力L1 …A XC 力丹n ■力、》、DAR R L2£..£ ■■—ZH--i..5- - J —W —EF2. 如图所示，M 、N 、P 是三个足够长的互相平行的边界，M 、N与7、P 间距离分别为L.. U.其间分别有礎感强度为Bl 、Bj 的匀强磁场区I 与区II,咙场方向均垂直纸面 向里。
磁场专题-磁场边界的最小化（解析版）
磁场专题—磁场边界的最小化讲练【例1】如图所示，一重力不计的带电粒子质量为m 、电量为＋q ，从坐标原点以沿y 轴正方向的速度v 射出。
为使该粒子能从x 轴正方向上的b 点射出第一象限，且粒子在b 点时的速度方向与x 轴正方向的夹角为30°， 可在适当区域加一个垂直于xOy 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，求 该圆形磁场区域的最小面积。
【答案】222243B q v m π【解析】做带电粒子运动的题，首先要确定粒子的运动轨迹，即确定粒子的圆心、半径、圆心角、运动时间。
（1）圆心，题目当中给出的圆心可以直接用；没有明确给出圆心的时候需要自己确定，确定的方法如下：1）根据“圆周运动中某点的切线方向就是该点的速度方向”这一结论，可以判断出速度和粒子运动的轨迹圆半径是垂直的；2）在几何关系中，圆的半径和半径的交点是圆心。
两种方法确定圆心。
（2）求解半径，一般有两种方法：1）根据题中给出的几何关系求解；2）根据洛伦兹力提供向心力求解，即：Rmv qvB 2=确定半径。
（3）圆心和半径求出，就可以画出粒子运动的轨迹，根据轨迹可以画出粒子运动的圆心角θ，从而进一步求解出粒子的运动时间t ，即tT=θπ2，T 为粒子运动的周期。
其次，根据题目要求，具体进行计算。
经过分析，画出粒子运动的轨迹如图1-1所示,AP 是粒子离开磁场后做直线运动的轨迹，A 点为离开磁场的点，即AP 和圆相切，由题意可知，y 轴也与圆相切，分别过切点做垂线相交于点B ，B 点就是圆心，OB 、AB 分别为轨迹的半径，根据Rmv qvB 2=，可求出半径qB mvR AB OB ===,圆弧OA 是粒子运动的轨迹。
由题意可知，∠APB=300，AB ⊥AP ，ΔOAB 是等腰三角形，轨迹的圆心角∠ABO=1200，可知圆弧OA 是劣弧（几何只是中圆心角大于1800的是优弧，圆心角小于1800的是劣弧），根据磁场最小边界中关于圆形磁场的结论：圆形磁场中，轨迹为劣弧时，连接入射点和出射点得到的直线就是最小面积的直径；优弧时，运动轨迹和圆形边界重合即为最小面积。
带电粒子在磁场中的运动(单边界、双边界、三角形、四边形、圆边界、临界问题、多解问题)(解析版)
带电粒子在磁场中的运动（单边界、双边界、三角形、四边形、圆边界、临界问题、多解问题）建议用时：60分钟带电粒子在磁场中的运动A．M带正电，N带负电B．M的速率小于N的速率A．1kBL，0°B3【答案】B【详解】若离子通过下部分磁场直接到达根据几何关系则有：R由：2v qvB mR=可得：qBLv kBLm==根据对称性可知出射速度与当离子在两个磁场均运动一次时，如图乙所示，因为两个磁场的磁感应强度大小均为根据洛伦兹力提供向心力，有：可得：122qBLv kBLm==此时出射方向与入射方向相同，即出射方向与入射方向的夹角为：通过以上分析可知当离子从下部分磁场射出时，需满足：此时出射方向与入射方向的夹角为：A．从ab边射出的粒子的运动时间均相同B．从bc边射出的粒子在磁场中的运动时间最长为C．粒子有可能从c点离开磁场D．若要使粒子离开长方形区域，速率至少为可见从ab射出的粒子做匀速圆周运动的半径不同，对应的圆心角不相同，所以时间也不同，故B．从bc边射出的粒子，其最大圆心角即与A ．粒子的速度大小为2qBdmB ．从O 点射出的粒子在磁场中的运动时间为C ．从x 轴上射出磁场的粒子在磁场中运动的最长时间与最短时间之比为D ．沿平行x 轴正方向射入的粒子离开磁场时的位置到得：R d=由洛仑兹力提供向心力可得：Bqv m=得：qBd v m=A 错误；A ．如果0v v >，则粒子速度越大，在磁场中运动的时间越长B ．如果0v v >，则粒子速度越大，在磁场中运动的时间越短C ．如果0v v <，则粒子速度越大，在磁场中运动的时间越长D ．如果0v v <，则粒子速度越大，在磁场中运动的时间越短【答案】B该轨迹恰好与y 轴相切，若上移，可知，对应轨迹圆心角可知，粒子在磁场中运动的时间越短，故CD ．若0v v <，结合上述可知，飞出的速度方向与x 轴正方向夹角仍然等于A ．粒子能通过cd 边的最短时间B ．若粒子恰好从c 点射出磁场，粒子速度C ．若粒子恰好从d 点射出磁场，粒子速度7．（2024·广西钦州·模拟预测）如图所示，有界匀强磁场的宽度为粒子以速度0v垂直边界射入磁场，离开磁场时的速度偏角为（ ）A．带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨道半径为B．带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的角速度为C．带电粒子在匀强磁场中运动的时间为D．匀强磁场的磁感应强度大小为【答案】B【详解】A．由几何关系可知，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨道半径为：A．该匀强磁场的磁感应强度B．带电粒子在磁场中运动的速率C．带电粒子在磁场中运动的轨道半径D．带电粒子在磁场中运动的时间C．根据几何关系可得：cos30aR = o所以：233R a =故C正确；AB．在磁场中由洛伦兹力提供向心力，即：A．从c点射出的粒子速度偏转角度最大C．粒子在磁场运动的最大位移为10．（2024·四川乐山·三模）如图所示，在一个半径为面向里的匀强磁场，O 为区域磁场圆心。
电磁场理论中的边界条件与边值问题解析研究
电磁场理论中的边界条件与边值问题解析研究引言：电磁场理论是物理学中的重要分支，广泛应用于电磁波传播、电路分析等领域。
其中，边界条件和边值问题是电磁场理论中的核心概念，对于解析研究电磁场的性质和行为具有重要意义。
本文将就电磁场理论中的边界条件与边值问题进行探讨。
一、边界条件的概念与分类边界条件是指电磁场在两个不同介质的交界面上需要满足的条件。
根据边界条件的不同形式，可以将其分为电场边界条件和磁场边界条件。
1. 电场边界条件电场边界条件是指电场在介质交界面上满足的条件。
其中，最基本的电场边界条件是法向分量的连续性条件，即电场的法向分量在两个介质交界面上的值相等。
此外，还有切向分量的连续性条件和切向分量的不连续性条件等。
2. 磁场边界条件磁场边界条件是指磁场在介质交界面上满足的条件。
与电场边界条件类似，磁场的法向分量在两个介质交界面上的值相等，即磁场的法向分量是连续的。
此外，磁场的切向分量也需要满足一定的条件，如切向分量的连续性条件和切向分量的不连续性条件等。
二、边值问题的解析研究边值问题是指在给定边界条件的情况下，求解电磁场的数学模型。
在电磁场理论中，边值问题的解析研究是十分重要的，可以帮助我们深入理解电磁场的行为和性质。
1. 边值问题的数学模型边值问题的数学模型是由麦克斯韦方程组和边界条件共同构成的。
通过求解这个数学模型，我们可以得到电磁场的解析解，从而揭示电磁场的基本特性。
2. 边值问题的解析方法边值问题的解析方法主要有分离变量法、格林函数法和辐射条件法等。
其中，分离变量法是应用最广泛的一种方法，它将电磁场分解为多个独立的分量，并通过求解每个分量的方程来得到整个电磁场的解析解。
格林函数法则是通过引入格林函数，将边值问题转化为积分方程的形式，从而求解电磁场的解析解。
辐射条件法则是在边界条件已知的情况下，通过辐射条件来求解电磁场的解析解。
三、边界条件与边值问题的应用边界条件与边值问题在电磁场理论的应用中起着重要的作用，可以帮助我们研究电磁波的传播、电路的分析等问题。
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界
带电粒子在磁场中运动的边界问题三角形边界带电粒子在磁场中运动的边界问题，这个问题听起来好像很复杂，但是其实很简单。
就像我们小时候玩的跳绳一样，只要找到节奏，就能轻松地跳过去。
今天，我就来给大家讲讲这个问题的解决方法。
我们要明确一点：带电粒子在磁场中运动，就像是在跳绳的过程中，绳子在不停地旋转。
那么，我们要解决的问题就是：当粒子在旋转的绳子上跳跃时，它会不会掉下来？1.1 问题背景这个问题最早是由英国物理学家麦克斯韦提出的。
他在研究电磁场的时候，发现了一个奇怪的现象：当导体中的电流发生变化时，周围的磁场也会随之变化。
这个现象被称为电磁感应。
而带电粒子在磁场中运动，其实就是一种特殊的电流变化。
1.2 解决问题的方法要解决这个问题，我们就要用到一个叫做洛伦兹力的神奇力量。
洛伦兹力是磁场对带电粒子施加的一种力，它的方向总是垂直于粒子的速度和磁场的方向。
简单来说，就是让粒子在跳跃的过程中始终保持在一个固定的方向上。
2.1 洛伦兹力的产生那么，洛伦兹力是怎么产生的呢？其实很简单，就像我们在跳绳的时候，绳子会在我们跳跃的过程中不断地旋转。
同样地，当带电粒子在磁场中运动时，磁场也会不断地旋转。
这样一来，洛伦兹力就会随着粒子的运动而产生。
2.2 洛伦兹力的性质洛伦兹力有很多有趣的性质。
比如说，它只与粒子的速度和磁场的方向有关，与粒子的质量和距离无关。
这就意味着，无论带电粒子的质量有多大，只要它的速度和磁场的方向不变，洛伦兹力的大小也不会改变。
3.1 边界条件的确定现在我们已经知道了洛伦兹力的产生和性质，接下来就要确定边界条件了。
边界条件是指在问题的不同阶段之间，需要确定哪些变量是不变的。
对于带电粒子在磁场中运动的问题来说，边界条件就是要确定粒子的速度和磁场的方向。
3.2 解题过程有了边界条件之后，我们就可以开始解题了。
我们要根据洛伦兹力的性质，列出一个关于速度和磁场方向的方程组。
然后，通过求解这个方程组，就可以得到带电粒子在磁场中运动的轨迹。
磁场边界问题分解
(1)模型概述带电粒子在有界磁场中的偏转问题一直是高考的热点，此类模型较为复杂，常见的磁场边界有单直线边界、双直线边界、矩形边界和圆形边界等．因为是有界磁场，则带电粒子运动的完整圆周往往会被破坏，可能存在最大、最小面积、最长、最短时间等问题．(2)模型分类 Ⅰ.单直线边界型当粒子源在磁场中，且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子时以图8－2－11(甲)中带负电粒子的运动为例．图8－2－11 规律要点 ①最值相切：当带电粒子的运动轨迹小于12圆周且与边界相切时(如图中a 点)，切点为带电粒子不能射出磁场的最值点(或恰能射出磁场的临界点)．②最值相交：当带电粒子的运动轨迹大于或等于12圆周时，直径与边界相交的点(如图8－2－11(甲)中的b 点)为带电粒子射出边界的最远点(距O 最远)．Ⅱ.双直线边界型当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同一种粒子时，以图8－2－11(乙)中带负电粒子的运动为例．规律要点①最值相切：粒子能从另一边界射出的上、下最远点对应的轨道分别与两直线相切．如图8－2－11(乙)所示．②对称性：过粒子源S 的垂线为ab 的中垂线．在如图(乙)中，a 、b 之间有带电粒子射出，可求得ab ＝22dr －d 2最值相切规律可推广到矩形区域磁场中．Ⅲ.圆形边界(1)圆形磁场区域规律要点 ①相交于圆心：带电粒子沿指向圆心的方向进入磁场，则出磁场时速度矢量的反向延长线一定过圆心，即两速度矢量相交于圆心，如图8－2－12(甲)．②直径最小：带电粒子从直径的一个端点射入磁场，则从该直径的另一端点射出时，磁场区域面积最小．如图8－2－12(乙)所示．(2)环状磁场区域规律要点①径向出入：带电粒子沿(逆)半径方向射入磁场，若能返回同一边界，则一定逆(沿)半径方向射出磁场．②最值相切：当带电粒子的运动轨迹与圆相切时，粒子有最大速度v m 而磁场有最小磁感应强度B .如图8－2－12(丙)．图8－2－12图8－2－13【典例】 如8－2－13所示，两个同心圆，半径分别为r 和2r ，在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B .圆心O 处有一放射源，放出粒子的质量为m ，带电量为q ，假设粒子速度方向都和纸面平行．(1)图中箭头表示某一粒子初速度的方向，OA 与初速度方向夹角为60°，要想使该粒子经过磁场第一次通过A 点，则初速度的大小是多少？(2)要使粒子不穿出环形区域，则粒子的初速度不能超过多少？解析 (1)如图所示，设粒子在磁场中的轨道半径为R 1，则由几何关系得R 1＝3r 3，又q v 1B ＝m v 12R 1得v 1＝3Bqr3m.(2)设粒子轨迹与磁场外边界相切时，粒子在磁场中的轨道半径为R 2，则由几何关系有(2r －R 2)2＝R 22＋r 2可得R 2＝3r 4，又q v 2B ＝m v 22R 2，可得v 2＝3Bqr4m故要使粒子不穿出环形区域，粒子的初速度不能超过3Bqr4m. 答案 (1)3Bqr 3m (2)3Bqr4m对应学生用书P140图8－2－141．(2011·海南卷，10改编)如图8－2－14所示空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，图中的正方形为其边界．一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从O 点入射．这两种粒子带同种电荷，它们的电荷量、质量均不同，但其比荷相同，且都包含不同速率的粒子．不计重力，下列说法正确的是( )．A ．入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同B ．入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同C ．在磁场中运动时间相同的粒子，其运动轨迹一定相同D ．在磁场中运动时间越长的粒子，其轨迹所对的圆心角一定越小解析 带电粒子进入磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据q v B ＝m v 2r得轨道半径r ＝m vqB ，粒子的比荷相同．故不同速度的粒子在磁场中运动的轨道半径不同，轨迹不同，相同速度的粒子，轨道半径相同，轨迹相同，故B 正确．带电粒子在磁场中做圆周运动的周期T ＝2πr v ＝2πmqB ，故所有带电粒子的运动周期均相同．若带电粒子从磁场左边界射出磁场，则这些粒子在磁场中运动时间是相同的，但不同速度轨迹不同，故A 、C 错误．根据θt ＝2πT 得θ＝2πT t ，所以t 越长，θ越大，故D 错误． 答案 B 2．(2011·浙江卷，20改编)利用如图8－2－15所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子．图中板MN 上方是磁感应强度大小为B 、方向垂直纸面向里的匀强磁场，板上有两条宽度分别为2d 和d 的缝，两缝近端相距为L .一群质量为m 、电荷量为q ，具有不同速度的粒子从宽度为2d 的缝垂直于板MN 进入磁场，对于能够从宽度为d 的缝射出的粒子，下列说法正确的是( )．图8－2－15A ．粒子带正电B ．射出粒子的最大速度为2mqB (3d ＋L )C ．保持d 和L 不变，增大B ，射出粒子的最大速度与最小速度之差增大D ．保持d 和B 不变，增大L ，射出粒子的最大速度与最小速度之差增大解析 利用左手定则可判定只有负电荷进入磁场时才向右偏，故选项A 错误．利用q v B ＝m v 2r 知r ＝m v qB ，能射出的粒子满足L 2≤r ≤L ＋3d 2，因此对应射出粒子的最大速度v max ＝qBr maxm＝qB (3d ＋L )2m ，选项B 错误．最小速度v min ＝qBr min m －qBL 2m ，Δv ＝v max －v min ＝3qBd 2m ，由此式可判定选项C 正确，选项D 错误． 答案 C 3．(2011·广东卷，35)如图8－2－16(a)所示，在以O 为圆心，内外半径分别为R 1和R 2的圆环区域内，存在辐射状电场和垂直纸面的匀强磁场，内外圆间的电势差U 为常量，R 1＝R 0，R 2＝3R 0.一电荷量为＋q ，质量为m 的粒子从内圆上的A 点进入该区域，不计重力．(1)已知粒子从外圆上以速度v 1射出，求粒子在A 点的初速度v 0的大小．(2)若撤去电场，如图8－2－16(b)，已知粒子从OA 延长线与外圆的交点C 以速度v 2射出，方向与OA 延长线成45°角，求磁感应强度的大小及粒子在磁场中运动的时间．(3)在图8－2－16(b)中，若粒子从A 点进入磁场，速度大小为v 3，方向不确定，要使粒子一定能够从外圆射出，磁感应强度应小于多少？图8－2－16 解析 (1)根据动能定理，qU ＝12m v 12－12m v 02，所以v 0＝ v 12－2qUm.(2)如图所示，设粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R ，由几何知识可知R 2＋R 2＝(R 2－R 1)2，解得R ＝2R 0.根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律q v 2B ＝m v 22R .解得B ＝m v 2q 2R 0＝2m v 22qR 0.根据公式t T ＝θ2π，2πR ＝v 2T ，q v 2B ＝m v 22R ，解得t ＝T 4＝2πm 4Bq ＝2πm 4×m v 22R 0＝2πR 02v 2.(3)考虑临界情况，如图所示①q v 3B 1′＝m v 32R 0，解得B 1′＝m v 3qR 0，②q v 3B 2′＝m v 322R 0，解得B 2′＝m v 32qR 0，综合得：B ′<m v 32qR 0.答案 (1) v 12－2qU m (2)2m v 22qR 0 2πR 02v 2 (3)m v 32qR 0图8－2－174．(2011·课标全国卷，25)如图8－2－17所示，在区域Ⅰ(0≤x ≤d )和区域Ⅱ(d <x ≤2d )内分别存在匀强磁场，磁感应强度大小分别为B 和2B ，方向相反，且都垂直于Oxy 平面．一质量为m 、带电荷量q (q >0)的粒子a 于某时刻从y 轴上的P 点射入区域Ⅰ，其速度方向沿x 轴正向．已知a 在离开区域Ⅰ时，速度方向与x 轴正向的夹角为30°；此时，另一质量和电荷量均与a 相同的粒子b 也从P 点沿x 轴正向射入区域Ⅰ，其速度大小是a 的13.不计重力和两粒子之间的相互作用力．求：(1)粒子a 射入区域Ⅰ时速度的大小；(2)当a 离开区域Ⅱ时，a 、b 两粒子的y 坐标之差．解析 (1)设粒子a 在Ⅰ内做匀速圆周运动的圆心为C (在y 轴上)．半径为R a 1，粒子速率为v a ，运动轨迹与两磁场区域边界的交点为P ′，如图所示．由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得q v a B ＝m v a2R a 1①由几何关系得∠PCP ′＝θ②R a 1＝d sin θ ③ 式中，θ＝30°，由①②③式得v a ＝2dqB m④(2)设粒子a 在Ⅱ内做圆周运动的圆心为O a ，半径为R a 2，射出点为P a (图中未画出轨迹)，∠P ′O a P a ＝θ′.由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得q v a (2B )＝m v a 2R a 2⑤由①⑤式得R a 2＝R a 12⑥C 、P ′和O a 三点共线，且由⑥式知O a 点必位于x ＝32d ⑦的平面上．由对称性知，P a 点与P ′点纵坐标相同，即 y Pa ＝R a 1cos θ＋h ⑧ 式中，h 是C 点的y 坐标．设b 在Ⅰ中运动的轨道半径为R b 1，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得q ⎝⎛⎭⎫v a 3B ＝m R b 1⎝⎛⎭⎫v a32⑨当a 到达P a 点时，b 位于P b 点，转过的角度为α.如果b 没有飞出Ⅰ，则t T a 2＝θ′2π⑩t T b 1＝α2π⑪ 式中，t 是a 在区域Ⅱ中运动的时间，而T a 2＝2πR a 2v a⑫T b 1＝2πR b 1v a 3⑬由⑤⑨⑩⑪⑫⑬式得α＝30°⑭由①③⑨⑭式可见，b 没有飞出Ⅰ.P b 点的y 坐标为 y Pb ＝R b 1(2＋cos α)＋h ⑮由①③⑧⑨⑭⑮式及题给条件得，a 、b 两粒子的y 坐标之差为y Pa －y Pb ＝23(3－2)d ⑯答案 (1)2dqB m (2)23(3－2)d第3讲 带电粒子在复合场中的运动对应学生用书P141复合场 复合场是指电场、磁场和重力场并存，或其中某两场并存，或分区域存在．从场的复合形式上一般可分为如下四种情况：①相邻场；②重叠场；③交替场；④交变场.带电粒子在复合场中的运动分类 1.静止或匀速直线运动当带电粒子在复合场中所受合外力为零时，将处于静止状态或做匀速直线运动． 2．匀速圆周运动当带电粒子所受的重力与电场力大小相等，方向相反时，带电粒子在洛伦兹力的作用下，在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动．3．较复杂的曲线运动当带电粒子所受合外力的大小和方向均变化，且与初速度方向不在同一条直线上，粒子做非匀变速曲线运动，这时粒子运动轨迹既不是圆弧，也不是抛物线．4．分阶段运动带电粒子可能依次通过几个情况不同的复合场区域，其运动情况随区域发生变化，其运电场磁场同区域应用实例装置 原理图 规律速度选择器若q v0B＝Eq，即v0＝EB，粒子做匀速直线运动磁流体发电机等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极电压为U时稳定，qUd＝q v0B，U＝v0Bd电磁流量计UD q＝q v B所以v＝UDB所以Q＝v S＝UDBπ⎝⎛⎭⎫D22质谱仪、回旋加速器《见第2讲》温馨提示复合场中重力是否考虑的三种情况(1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略．而对于一些实际物体，如带电小球、液滴、金属块等，一般应考虑其重力．(2)在题目中明确说明的按说明要求是否考虑重力．(3)不能直接判断是否考虑重力的，在进行受力分析与运动分析时，要由分析结果确定是否考虑重力．图8－3－11．如图8－3－1是磁流体发电机的原理示意图，金属板M、N正对着平行放置，且板面垂直于纸面，在两板之间接有电阻R.在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场．当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时，下列说法中正确的是()．①N板的电势高于M板的电势②M板的电势高于N板的电势③R中有由b向a方向的电流④R中有由a向b方向的电流A．①②B．③④C．②④D．①③解析本题考查洛伦兹力的方向的判断，电流形成的条件等知识点．根据左手定则可知正电荷向上极板偏转，负电荷向下极板偏转，则M板的电势高于N板的电势．M板相当于电源的正板，那么R中有由a向b方向的电流．答案 C图8－3－22．如图8－3－2所示，有一混合正离子束先后通过正交的电场、磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子流在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径r相同，则它们一定具有相同的()．A．动能B．质量C．电荷量D．比荷答案 D图8－3－33．(2012·南昌高三调研)某空间存在水平方向的匀强电场(图中未画出)，带电小球沿如图8－3－3所示的直线斜向下由A点沿直线向B点运动，此空间同时存在由A指向B的匀强磁场，则下列说法正确的是()．A．小球一定带正电B．小球可能做匀速直线运动C．带电小球一定做匀加速直线运动D．运动过程中，小球的机械能减少解析本题考查带电体在复合场中的运动问题．由于重力方向竖直向下，空间存在磁场，且直线运动方向斜向下，与磁场方向相同，故不受磁场力作用，电场力必水平向右，但电场具体方向未知，故不能判断带电小球的电性，选项A错误；重力和电场力的合力不为零，故不是匀速直线运动，所以选项B错误；因为重力与电场力的合力方向与运动方向相同，故小球一定做匀加速运动，选项C正确；运动过程中由于电场力做正功，故机械能增大，选项D错误．答案 C4．如图8－3－4所示，在空间中存在垂直纸面向里的匀强磁场，其竖直边界AB，CD 的宽度为d，在边界AB左侧是竖直向下、场强为E的匀强电场．现有质量为m、带电量为＋q的粒子(不计重力)从P点以大小为v0的水平初速度射入电场，随后与边界AB成45°射入磁场．若粒子能垂直CD边界飞出磁场，穿过小孔进入如图所示两竖直平行金属板间的匀强电场中减速至零且不碰到正极板．(1)请画出粒子上述过程中的运动轨迹，并求出粒子进入磁场时的速度大小v；(2)求匀强磁场的磁感应强度B；(3)求金属板间的电压U的最小值．图8－3－4解析 (1)轨迹如图所示v ＝v 0cos 45°＝2v 0(2)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动设其轨道半径R ，由几何关系可知R ＝dsin 45°＝2dq v B ＝m v 2R 解得B ＝m v 0qd(3)粒子进入板间电场至速度减为零的过程，由动能定理有－qU ＝0－12m v 2 解得U ＝m v 02q. 答案 (1)轨迹见解析图2v 0 (2)m v 0qd (3)m v 02q对应学生用书P142考点一 带电粒子在分离复合场中的运动 “电偏转”和“磁偏转”的比较垂直进入磁场(磁偏转)垂直进入电场(电偏转)情景图受力F B ＝q v 0B 大小不变，方向总指向圆心，方向变化，F B 为变力 F E ＝qE ，F E 大小、方向不变，为恒力运动规律匀速圆周运动r ＝m v 0Bq ，T ＝2πmBq类平抛运动v x ＝v 0，v y ＝Eqmt x ＝v 0t ，y ＝Eq2mt 2续表运动时间 t ＝θ2πT ＝θm Bq t ＝Lv 0，具有等时性 动能不变变化【典例1】 在竖直平面内，图8－3－5以虚线为界分布着如图8－3－5所示的匀强电场和匀强磁场，其中匀强电场的方向竖直向下，大小为E ；匀强磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B .虚线与水平线之间的夹角为θ＝45°，一个带负电荷的粒子在O 点以速度v 0水平射入匀强磁场，已知带电粒子所带的电荷量为q ，质量为m (重力忽略不计，电场、磁场区域足够大)．求：(1)带电粒子第1次通过虚线时距O 点的距离；(2)带电粒子从O 点开始到第3次通过虚线时所经历的时间； (3)带电粒子第4次通过虚线时距O 点的距离．解析 带电粒子运动的轨迹如图所示(1)据q v 0B ＝m v 02r 得r ＝m v 0qB ，又由几何知识可知：d 1＝2r ，解得d 1＝2m v 0qB.(2)在磁场中运动时间为t 1＝T 4＝πm2qB在电场中a ＝qEm运动时间为t 2＝2v 0a ＝2m v 0qE再一次在磁场中运动t 3＝3πm2qB，所以总时间t ＝2πm qB ＋2m v 0qE.(3)再次进入电场中从C 到D 做类平抛运动(如图所示) x ＝v 0t 4，y ＝at 422，x ＝y ，得x ＝2m v 02qE所以距O 点距离为Δd ＝2d 1－2x ＝22m v 0qB －22m v 02qE.答案 (1)2m v 0qB (2)2πm qB ＋2m v 0qE (3)22m v 0qB －22m v 02qE——解决带电粒子在分离复合场中运动问题的思路方法【变式1】在如图8－3－6所示的空图8－3－6间坐标系中，y 轴的左侧有一匀强电场，场强大小为E ，场强方向与y 轴负方向成30°，y 轴的右侧有一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B (未画出)．现有一质子在x 轴上坐标为x 0＝10 cm 处的A 点，以一定的初速度v 0第一次沿x 轴正方向射入磁场，第二次沿x 轴负方向射入磁场，回旋后都垂直于电场方向射入电场，最后又进入磁场．求：(1)质子在匀强磁场中的轨迹半径R ； (2)质子两次在磁场中运动时间之比；(3)若第一次射入磁场的质子经电场偏转后，恰好从第二次射入磁场的质子进入电场的位置再次进入磁场，试求初速度v 0和电场强度E 、磁感应强度B 之间需要满足的条件．解析 (1)质子两次运动的轨迹如图所示，由几何关系可知x 0＝R sin 30° 解得R ＝2x 0＝20 cm.(2)第一次射入磁场的质子，轨迹对应的圆心角为θ1＝210° 第二次射入磁场的质子，轨迹对应的圆心角为θ2＝30° 故质子两次在磁场中运动时间之比为t 1∶t 2＝θ1∶θ2＝7∶1. (3)质子在磁场中做匀速圆周运动时，由e v 0B ＝m v 02R 得R ＝m v 0eB设第一次射入磁场的质子，从y 轴上的P 点进入电场做类平抛运动，从y 轴上的Q 点进入磁场，由几何关系得，质子沿y 轴的位移为Δy ＝2R质子的加速度a ＝eEm沿电场方向Δy cos 30°＝12at 2垂直电场方向Δy sin 30°＝v 0t 解得v 0＝3E6B. 答案 (1)20 cm (2)7∶1 (3)v 0＝3E 6B考点二 带电粒子在叠加复合场中的运动 带电粒子(体)在复合场中的运动问题求解要点(1)受力分析是基础．在受力分析时是否考虑重力必须注意题目条件．(2)运动过程分析是关键．在运动过程分析中应注意物体做直线运动，曲线运动及圆周运动、类平抛运动的条件．(3)构建物理模型是难点．根据不同的运动过程及物理模型选择合适的物理规律列方程求解．【典例2】如图8－3－7所示，与水平面成37°的倾斜轨道AC ，其延长线在D 点与半圆轨道DF 相切，全部轨道为绝缘材料制成且位于竖直面内，整个空间存在水平向左的匀强电场，MN 的右侧存在垂直纸面向里的匀强磁场(C 点处于MN 边界上)．一质量为0.4 kg 的带电小球沿轨道AC 下滑，至C 点时速度为v C ＝1007m/s ，接着沿直线CD 运动到D 处进入半圆轨道，进入时无动能损失，且恰好能通过F 点，在F 点速度v F ＝4 m/s(不计空气阻力，g ＝10 m/s 2，cos 37°＝0.8)．求：图8－3－7(1)小球带何种电荷？(2)小球在半圆轨道部分克服摩擦力所做的功；(3)小球从F 点飞出时磁场同时消失，小球离开F 点后的运动轨迹与直线AC (或延长线)的交点为(G 点未标出)，求G 点到D 点的距离．解析 (1)正电荷(2)依题意可知小球在CD 间做匀速直线运动在D 点速度为v D ＝v C ＝1007m/s在CD 段受重力、电场力、洛伦兹力且合力为0，设重力与电场力的合力为F ＝q v C B又F ＝mg cos 37°＝5 N 解得qB ＝F v C ＝720在F 处由牛顿第二定律可得q v F B ＋F ＝m v F 2R把qB ＝720代入得R ＝1 m小球在DF 段克服摩擦力做功W f ，由动能定理可得 －W f －2FR ＝m (v F 2－v D 2)2W f ＝27.6 J(3)小球离开F 点后做类平抛运动，其加速度为a ＝Fm由2R ＝at 22得t ＝ 4mR F ＝2 25 s交点G 与D 点的距离GD ＝v F t ＝1.6 2 m ＝2.26 m.答案 见解析 【变式2】 (2011·广东六校联合体联考)图8－3－8 如图8－3－8所示，竖直平面内有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度E 1＝2 500N/C ，方向竖直向上；磁感应强度B ＝103 T ，方向垂直纸面向外；有一质量m ＝1×10－2kg 、电荷量q ＝4×10－5C 的带正电小球自O 点沿与水平线成45°角以v 0＝4 m/s 的速度射入复合场中，之后小球恰好从P 点进入电场强度E 2＝2 500 N/C ，方向水平向左的第二个匀强电场中．不计空气阻力，g 取10 m/s 2.求：(1)O 点到P 点的距离s 1；(2)带电小球经过P 点的正下方Q 点时与P 点的距离s 2.解析 (1)带电小球在正交的匀强电场和匀强磁场中受到的重力G ＝mg ＝0.1 N 电场力F 1＝qE 1＝0.1 N即G ＝F 1，故带电小球在正交的电磁场中由O 到P 做匀速圆周运动根据牛顿第二定律得q v 0B ＝m v 02R解得：R ＝m v 0qB ＝1×10－2×44×10－5×103m ＝1 m由几何关系得：s 1＝2R ＝ 2 m.(2)带电小球在P 点的速度大小仍为v 0＝4 m/s ，方向与水平方向成45°.由于电场力F 2＝qE 2＝0.1 N ，与重力大小相等，方向相互垂直，则合力的大小为F ＝210N ，方向与初速度方向垂直，故带电小球在第二个电场中做类平抛运动建立如图所示的x 、y 坐标系，沿y 轴方向上，带电小球的加速度a ＝Fm＝102m/s 2，位移y ＝12at 2沿x 轴方向上，带电小球的位移x ＝v 0t由几何关系有：y ＝x 即：12at 2＝v 0t ，解得：t ＝252 sQ 点到P 点的距离s 2＝2x ＝2×4×252 m ＝3.2 m.答案 (1) 2 m (2)3.2 m对应学生用书P14411.带电粒子“在复合场中运动的轨迹”模型(1)模型概述当带电粒子沿不同方向进入电场或磁场时，粒子做各种各样的运动，形成了异彩纷呈的轨迹图形．对带电粒子而言“受力决定运动，运动描绘轨迹，轨迹涵盖方程”．究竟如何构建轨迹模型，至关重要．首先应根据电场力和洛伦兹力的性质找出带电粒子所受到的合力，再由物体做曲线运动的条件确定曲线形式．(2)模型分类 ①“拱桥”型图8－3－9【典例1】 如图8－3－9所示，在x 轴上方有垂直于xOy 平面的匀强磁场，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 、电荷量为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O 点的距离为L ，求此时粒子射出时的速度和运动的总路程(重力不计)．解析 画出粒子运动轨迹如图所示，形成“拱桥”图形．由题可知粒子轨道半径R ＝L4.由牛顿运动定律知粒子运动速率为v ＝BqR m ＝BqL4m设粒子进入电场后沿y 轴负方向做减速运动的最大路程为y ，由动能定理知12m v 2＝qEy ，得y ＝qB 2L 232mE所以粒子运动的总路程为x ＝qB 2L 216mE ＋12πL .②“心连心”型图8－3－10【典例2】 如图8－3－10所示，一理想磁场以x 轴为界，下方磁场的磁感应强度是上方磁感应强度B 的两倍．今有一质量为m 、电荷量为＋q 的粒子，从原点O 沿y 轴正方向以速度v 0射入磁场中，求此粒子从开始进入磁场到第四次通过x 轴的位置和时间(重力不计)．解析 由r ＝m v Bq 知粒子在x 轴上方做圆周运动的轨道半径r 1＝m v 0Bq ，在x 轴下方做圆周运动的轨道半径r 2＝m v 02Bq，所以r 1＝2r 2现作出带电粒子的运动的轨迹如图所示，形成“心连心”图形，所以粒子第四次经过x轴的位置和时间分别为x ＝2r 1＝2m v 0Bqt ＝T 1＋T 2＝2πm Bq ＋2πm 2Bq ＝3πmBq③“葡萄串”型【典例3】 如图8－3－11甲所示 ，互相平行且水平放置的金属板，板长L ＝1.2 m ，两板距离d ＝0.6 m ，两板间加上U ＝0.12 V 恒定电压及随时间变化的磁场，磁场变化规律如图8－3－11乙所示，规定磁场方向垂直纸面向里为正．当t ＝0时，有一质量为m ＝2.0×10－6kg 、电荷量q ＝＋1.0×10－4C 的粒子从极板左侧以v 0＝4.0×103m/s 沿与两板平行的中线OO ′射入，取g ＝10 m/s 2、π＝3.14.求：图8－3－11(1)粒子在0～1.0×10－4s 内位移的大小x ； (2)粒子离开中线OO ′的最大距离h ；(3)粒子在板间运动的时间t ；(4)画出粒子在板间运动的轨迹图．解析 (1)由题意知：Eq ＝Udq ＝2.0×10－5N ①而mg ＝2.0×10－5N ②显然Eq ＝mg ③故粒子在0～1.0×10－4s 时间内做匀速直线运动，因为Δt ＝1.0×10－4s ， 所以x ＝v 0Δt ＝0.4 m ④(2)在1.0×10－4～2.0×10－4s 时间内， 电场力与重力平衡，粒子做匀速圆周运动，因为T ＝2πm qB＝1.0×10－4s ⑤故粒子在1.0×10－4～2.0×10－4s 时间内恰好完成一个周期圆周运动⑥由牛顿第二定律得：q v 0B ＝m v 02R⑦R ＝m v 0qB＝0.064 m ⑧h ＝2R ＝0.128 m<d2.所以粒子离开中线OO ′的最大距离h ＝0.128 m ．⑨ (3)板长L ＝1.2 m ＝3 x ⑩t ＝2T ＋3Δt ＝5.0×10－4s ⑪(4)轨迹如图⑫对应学生用书P145图8－3－121．(2011·大纲全国卷，25)如图8－3－12所示，与水平面成45°角的平面MN 将空间分成Ⅰ和Ⅱ两个区域．一质量为m 、电荷量为q (q >0)的粒子以速度v 0从平面MN 上的P 0点水平向右射入Ⅰ区．粒子在Ⅰ区运动时，只受到大小不变、方向竖直向下的电场作用，电场强度大小为E ；在Ⅱ区运动时，只受到匀强磁场的作用，磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向里．求粒子首次从Ⅱ区离开时到出发点P 0的距离．粒子的重力可以忽略．解析 带电粒子进入电场后， 在电场力的作用下做类平抛运动， 其加速度方向竖直向下，设其大小为a ， 由牛顿运动定律得qE ＝ma ①设经过时间t 0粒子从平面MN 上的点P 1进入磁场，由运动学公式和几何关系得v 0t 0＝12at 02②粒子速度大小v 1＝v 02＋(at 0)2③设速度方向与竖直方向的夹角为α，则tan α＝v 0at 0④此时粒子到出发点P 0的距离为 s 0＝2v 0t 0⑤此后，粒子进入磁场，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，圆周半径为r 1＝m v 1qB⑥设粒子首次离开磁场的点为P 2，弧P 1P 2所对的圆心角为2β，则点P 1到点P 2的距离为 s 1＝2r 1sin β⑦ 由几何关系得 α＋β＝45°⑧联立①②③④⑥⑦⑧式得s 1＝2m v 0qB ⑨点P 2与点P 0相距l ＝s 0＋s 1⑩ 联系①②⑤⑨⑩解得 l ＝2m v 0q ⎝⎛⎭⎫2v 0E ＋1B ⑪答案2m v 0q ⎝⎛⎭⎫2v 0E ＋1B图8－3－132．(2011·安徽卷，23)如图8－3－13所示，在以坐标原点O 为圆心、半径为R 的半圆形区域内，有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，磁感应强度为B ，磁场方向垂直于xOy 平面向里．一带正电的粒子(不计重力)从O 点沿y 轴正方向以某一速度射入，带电粒子恰好做匀速直线运动，经t 0时间从P 点射出．(1)求电场强度的大小和方向；(2)若仅撤去磁场，带电粒子仍从O 点以相同的速度射入，经t 02时间恰从半圆形区域的边界射出．求粒子运动加速度的大小；(3)若仅撤去电场，带电粒子仍从O 点射入，但速度为原来的4倍，求粒子在磁场中运动的时间．解析 (1)因为带电粒子进入复合场后做匀速直线运动，则q v 0B ＝qE ① R ＝v 0t 0②由①②联立解得E ＝BRt 0，方向沿x 轴正方向．(2)若仅撤去磁场，带电粒子在电场中做类平抛运动，沿y 轴正方向做匀速直线运动y ＝v 0·t 02＝R 2③沿x 轴正方向做匀加速直线运动x ＝12at 2④由几何关系知x ＝ R 2－R 24＝32R ⑤ 解得a ＝43Rt 02(3)仅有磁场时，入射速度v ′＝4v ，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，设轨道半径为r ，由牛顿第二定律有q v ′B ＝m v ′2r⑥又qE ＝ma ⑦ 可得r ＝3R 3⑧ 由几何知识sin α＝R2r⑨即sin α＝32，α＝π3⑩带电粒子在磁场中运动周期T ＝2πmqB则带电粒子在磁场中运动时间t ′＝2α2πT ，所以t ′＝3π18t 0.答案 见解析 3．(2011·重庆卷，25)某仪器用电场和磁场来控制电子在材料表面上方的运动．如图8－3－14所示，材料表面上方矩形区域PP ′N ′N 充满竖直向下的匀强电场，宽为d ；矩形区域NN ′M ′M 充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B ，长为3s ，宽为s ；NN ′为磁场与电场之间的薄隔离层．一个电荷量为e 、质量为m 、初速为零的电子，从P 点开始被电场加速经隔离层垂直进入磁场，电子每次穿越隔离层，运动方向不变，其动能损失是每次穿越前动能的10%，最后电子仅能从磁场边界M ′N ′飞出．不计电子所受重力．图8－3－14(1)求电子第二次与第一次圆周运动半径之比． (2)求电场强度的取值范围．(3)A 是M ′N ′的中点，若要使电子在A 、M ′间垂直于AM ′飞出，求电子在磁场区域中运动的时间．解析 (1)设圆周运动的半径分别为R 1、R 2、…R n 、R n ＋1…，第一和第二次圆周运动速率分别为v 1和v 2，动能分别为E k1和E k2.由：E k2＝0.81E k1，R 1＝m v 1Be ，R 2＝m v 2Be ，E k1＝12m v 12，E k2＝12m v 22，得R 2∶R 1＝0.9.(2)设电场强度为E ，第一次到达隔离层前的速率为v ′.由eEd ＝12m v ′2,0.9×12m v ′2＝12m v 12，R 1≤s得E ≤5B 2es 29md ，又由：R n ＝0.9n －1R 1，2R 1(1＋0.9＋0.92＋…＋0.9n ＋…)>3s得E >B 2es 280md ，故B 2es 280md <E ≤5B 2es 29md.(3)设电子在匀强磁场中，圆周运动的周期为T ，运动的半圆周个数为n ，运动总时间为t .由题意，有2R 1(1－0.9n )1－0.9＋R n ＋1＝3s ，R 1≤s ，R n ＋1＝0.9n R 1，R n ＋1≥s 2，得n ＝2，又由T＝2πm eB .得：t ＝5πm 2eB.。
磁场中的临界问题
（1）两种思路
一是以定理、定律为依据，首先求出所研 究问题的一般规律和一般解的形式，然后 再分析、 讨论临界条件下的特殊规律和特 殊解；
二是直接分析、讨论临界状态，找出临界 条件，从而通过临界条件求出临界值
（2）两种方法
一是物理方法：①利用临界条件求极值； ②利用问题的边界条件求极值；③利用矢 量图求极值。
（2）三个角：速 度偏转角、圆心角、弦切 角，其 中偏转角等于圆心角，也等于弦切 角的2倍。
4．几点注意
（1）当带电粒子射入磁场时的速度v大小一定，
但射入方向变化时，粒子做 圆周运动的轨道半径
R是确定的。在确定粒子运动的临界情景时，可以
以入射点为定点，将轨迹圆旋转，作出一系列轨 迹，从而探索出临界条件。 （2）当带电粒子射入磁场的方向确定，但射入时
在涉及多个物理过程问题中，依据发生的 实际物理场景，寻求不同过程中相衔接和联系 的物理量，采用递推分析或者依据发生的阶 段，采用顺承的方式针对不同阶段进行分析， 依据不同的运动规律进行解决．
1．解决带电粒子的临界问题的技巧方法
找临界点的方法：以题目中的“恰好”“最大”“最 高”“至少”等词语为突破口，借助半径R和速度v(或磁场B)之间 的约束关系进行动态运动轨迹分析，确定轨迹圆和边界的关系， 找出临界点
（5）在圆形匀强磁场中，当运动轨迹圆半径大于区域圆半径 时，则入射点和出射点为磁场直径的两个端点时（所有的弦长中 直径最长），轨迹对应的偏转角最大
2．带电粒子在有界磁场中运动的常见情形
3．带电粒子在有界磁场中的常用几何关系
（1）四个点：分别是入射点、出射点、轨 迹圆心和入射速度直线与出射速度直线的 交点。
二是数学 方法：①利用三角函数求极值； ②利用二次方程的判别式求极值；③利用 不等式的性质求极值；④利用图象法等。
有界磁场(六类)
y
解：如图所示作辅助线，
由几何知识可得：
o
x
sin L
2R
故运动半径为 R L 2 sin
运动时间为 t 2 2 m
qB
练习2如图,在一水平放置的平板MN上方 有匀强磁场,磁感应强度的大小为B,方向
动圆问题
垂直于纸面向里。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
B
内的各个方向,由小孔O射入磁场区域,不
y
O
x
解：如图所示作辅助线
By
设两圆切点为A，电子第二次
从B点通过y轴，
A
因为电子的入射方向与x轴
夹角为60°
O
x
则由几何知识可得OA和AB分别对应小圆和大圆的半径。
又因为电子在右边磁场中运动的半径为 r mv
2qB
在左边磁场中运动的半径为 R mv
qB
故电子第二次通过y轴时前进的距离为：
y R r 3mv 2qB
2R
2R O R N
练习3如图，在x轴的下方存在着磁感应强度为B=0.20T、 垂直纸面向里的匀强磁场。y=5cm的上方存在着同样的 匀强磁场。质量m=1.67x10-27kg、电量q=1.6x10-19C的质 子，从原点O以v0=5.0x105m/s的速度沿与x轴30°角斜 向上垂直磁场射入，经过上方和下方磁场的偏转作用 后，正好以相同的速度经过x轴上的某点A。求： （1）粒子在磁场中运动的轨道半径 （2）A点的坐标。
4πm (2)3qB
在中空四边有界磁场区的运动
练习1如图，在无限宽的匀强磁场B中有边长为L的正方形 无磁场区域。在正方形的四条边上分布着八个小孔，每个 小孔到各自最近顶点的距离都为L/3。一质量为m、电量为 +q的粒子，垂直匀强磁场从孔A射入磁场，求粒子再次回 到A点的时间。
2014年带电粒子磁场中运动的六大类经典问题总结：有边界、多磁场、复合场;临界、极值、多解周期性问题
带电粒子在磁场中运动一、带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动基本问题找圆心、画轨迹是解题的基础。
带电粒子垂直于磁场进入一匀强磁场后在洛伦兹力作用下必作匀速圆周运动，抓住运动中的任两点处的速度，分别作出各速度的垂线，则二垂线的交点必为圆心；或者用垂径定理及一处速度的垂线也可找出圆心；再利用数学知识求出圆周运动的半径及粒子经过的圆心角。
例、钍核发生衰变生成镭核并放出一个粒子。
设该粒子的质量为、电荷量为q，它进入电势差为U的带窄缝的平行平板电极和间电场时，其速度为，经电场加速后，沿方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场，垂直平板电极，当粒子从点离开磁场时，其速度方向与方位的夹角，如图所示，整个装置处于真空中。
（1）写出钍核衰变方程；（2）求粒子在磁场中沿圆弧运动的轨道半径R；（3）求粒子在磁场中运动所用时间。
解析:（1）钍核衰变方程①（2）设粒子离开电场时速度为，对加速过程有②粒子在磁场中有③由②、③得④（3）粒子做圆周运动的回旋周期⑤粒子在磁场中运动时间⑥由⑤、⑥得⑦二、带电粒子在磁场中轨道半径变化问题导致轨道半径变化的原因有：①带电粒子速度变化导致半径变化。
如带电粒子穿过极板速度变化；带电粒子使空气电离导致速度变化；回旋加速器加速带电粒子等。
②磁场变化导致半径变化。
如通电导线周围磁场，不同区域的匀强磁场不同；磁场随时间变化。
③动量变化导致半径变化。
如粒子裂变，或者与别的粒子碰撞；④电量变化导致半径变化。
如吸收电荷等。
总之，由看m、v、q、B中某个量或某两个量的乘积或比值的变化就会导致带电粒子的轨道半径变化。
（06年全国2）如图所示，在x＜0与x＞0的区域中，存在磁感应强度大小分别为B1与B2的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，且B1＞B2。
一个带负电的粒子从坐标原点O以速度v沿x轴负方向射出，要使该粒子经过一段时间后又经过O点，B1与B2的比值应满足什么条件？解析：粒子在整个过程中的速度大小恒为v，交替地在xy平面内B1与B2磁场区域中做匀速圆周运动，轨迹都是半个圆周。
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（1）刚好不从上边界穿出
（2）刚好不从下边界穿出
（3）能从左边界穿出。
练3.如图所示，在水平直线MN上方有一匀强磁场，磁感强度为B，方向垂直向里。一带电粒子质量为m、电量为q，从a点以与水平线MN成θ角度射入匀强磁场中，从右侧b点离开磁场。问：
（1）圆形磁场区域的最小半径（带电质点重力可忽略不计）
（2）写出b点的坐标
（3）计算出粒子在磁场中运动的时间。
拓展：如图所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行b于ox轴的速度V0从y轴上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ox轴的速度V0射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感强度为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（带电质点重力可忽略不计）。
2.(2004广东、广西)如图所示，真空室内存在匀强磁场，磁场方向垂直于图中纸面向里，磁感应强度大小B=0.60T。磁场内有一块平面感光板ab，板面与磁场方向平行。在距ab的距离为L=16cm处有一个点状的α放射源S，它向各个方向发射α粒子。α粒子的速度都是v=3.0×106m/s。已知α粒子的比荷为 。现只考虑在图纸平面中运动的α粒子，求ab上α粒子打中的区域的长度。
多方向的带电粒子专题
1.如图所示，在X轴上方（y0）存在着垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。在原点O有一离子源向各个方向发射出质量为m、电量为q的正离子，速率都是V0，对那些在xy平面内运动的离子，在磁场中，可能到达的最大x=__________，最大y=_________.画出粒子能到达的区域图。
(1)当两金属板电势差为U0时，求从小孔S2射出的电子速度V0
(2)求金属板间电势差U在什么范围内，电子不能穿过磁场区域。
(3)若电子能够穿过磁场区域而打到荧光屏上，试在图上定性画出电子运动的轨迹。
(4)求电子打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系。
练4.如图所示，abcd是一边长为L的正方形，它是磁感强度为B的匀强磁场横截面的边界线。一带电粒子从ad边的中点O与ad边成θ=30°角且垂直于磁场方向射入。若该带电粒子所带的电荷量为q，质量为m(重力不计)则该带电粒子在磁场中飞行时间最长是多少？若要带则粒子飞行时间最长，带电粒子的速度必须满足什么条件？
练3.(2005广东)如图所示，在一圆形区域内，两个方向相反且都垂直于纸面的匀强磁场分布在以直径为A2A4为边界的两个半圆形区域Ⅰ、Ⅱ中，A2A4与A1A3的夹角为60°。一质量为m，带电量为+q的粒子以某一速度从Ⅰ区的边缘A1处沿与A1A3成30°角的方向射入磁场，随后该粒子以垂直于A2A4的方向经过圆心O进入Ⅱ区，最后再从A4处射出磁场。已知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t，求Ⅰ区和Ⅱ区中磁感强度的大小(忽略粒子的重力)。
圆形边界磁场
一．找圆心、画轨迹、找角度。
数学模型：
三个结论：
（ห้องสมุดไป่ตู้）
（2）
（3）
例题1.电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O，半径为r。当不加时，电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P。需加磁场，使电子束偏转一已知角度θ。此时磁场的磁感强度B应为多少？
（1）带电粒子带何种电荷？
（2）带电粒子在磁场中运动的时间为多少？
练习.1.AB、CD、EF为三条平行的边界线，AB、CD、相距L1，CD、EF相距L2，如图所示，AB、CD之间有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B1，CD、EF之间也有垂直纸面向里的匀强磁场，磁惹感强度为B2。现从A点沿A方向垂直磁场射入一带负电的粒子，该粒子质量为m，带电量为-q，重力不计，求：
（1）若粒子运动到CD边时速度方向恰好与CD边垂直，则它从A点射入时速度V0为多少？
（2）若已知粒子从A点射入时速度为u（u>V0），则粒子运动到CD边界时，速度方向与CD边的夹角θ为多少？
（3）若已知粒子从A点射入时速度为u（u>V0）粒子运动到EF边界时恰好不穿出磁场，则CD、EF之间磁场的磁感强度B2为多少？
练1.如图所示，磁感强度B的匀强磁场存在于半径为R的光滑的圆环内部。圆环A处开一小孔，带电粒子经电压为U的电场加速后，沿着半径方向由小孔射入圆环。粒子在环内和圆环发生两次不损失能量的碰撞（碰撞过程中带电粒子电量不变，圆环固定不动）后仍从A孔射出环处，试求带电粒子的荷质比。
练2.带电粒子的质量为m，带电量为q，以速度V0从O点处进入磁感强度为B的匀强磁场，从磁场射出经过b点，射出方向与x轴成θ＝30°，试求，
3.（2005江苏）如图所示，M、N为两块带等量异种电荷的平行金属板，S1、S2为板上正对的小孔，N板右侧有两个宽度均为d的匀强磁场区域，磁感强度大小均为B，方向分别垂直于纸面向外和向里。磁场区域右侧有一个荧光屏，取屏上与S1、S2共线的O点为原点，向上为正方向建立x轴，M板左侧电子枪发射出的热电子经小孔S1进入两板间，电子的质量为m，电荷量为e，初速度可以忽略。
带电粒子在匀强磁场中作圆周运动的分析方法
一．找圆心、画轨迹、找角度。
数学模型：
（1）已知圆的两条切线，作它们垂线，交点为O，即为圆心。
（2）已知圆的一条切线，和过圆上的另一点B，作过圆切线的垂线，再作弦的中垂线。交点即为圆心O。
（3）偏向角补角的平分线，与另一条半径的交点
直线边界磁场
例1.找到下面题中粒子的圆心，画出轨迹。求从左边界或右边界射出时与竖直方向夹角φ以及粒子在磁场中经历的时间。(第3图作出粒子刚好不从右侧穿出磁场)
2.如图所示，M、N、P是三个足够长的互相平行的边界，M、N与N、P间距离分别为L1、L2，其间分别有磁感强度为B1、B2的匀强磁场区Ⅰ与区Ⅱ，磁场方向均垂直纸面向里。已知B1≠B2。一个带正电的粒子，质量为m，电量为q，以大小为V0的速度垂直于边界面M射入MN间的磁场区，讨论粒子速度V0应满足什么条件，才可通过这两个磁场区，并从边界面P射出（不计重力）？