(完整版)带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
(完整版)带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题当某种物理现象变化为另一种物理现象或物体从一种状态变化为另一种状态时，发生这种质的飞跃的转折状态通常称为临界状态。
粒子进入有边界的磁场，由于边界条件的不同，而出现涉及临界状态的临界问题，如带电粒子恰好不能从某个边界射出磁场，可以根据边界条件确定粒子的轨迹、半径、在磁场中的运动时间等。
如何分析这类相关的问题是本文所讨论的内容。
一、带电粒子在有界磁场中运动的分析方法1．圆心的确定因为洛伦兹力F指向圆心，根据F⊥v，画出粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入和射出磁场两点），先作出切线找出v的方向再确定F的方向，沿两个洛伦兹力F的方向画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上，作出圆心位置，如图1所示。
2．半径的确定和计算利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角），并注意以下两个重要的几何特点：①粒子速度的偏向角φ等于转过的圆心角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）θ的2倍，如图2所示，即φ=α=2θ。
②相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ′互补，即θ+θ′=180°。
3．粒子在磁场中运动时间的确定若要计算转过任一段圆弧所用的时间，则必须确定粒子转过的圆弧所对的圆心角，利用圆心角α与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角α的大小，并由表达式，确定通过该段圆弧所用的时间，其中T即为该粒子做圆周运动的周期，转过的圆心角越大，所用时间t越长，注意t与运动轨迹的长短无关。
4．带电粒子在两种典型有界磁场中运动情况的分析①穿过矩形磁场区：如图3所示，一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角由sinθ=L/R求出；（θ、L和R见图标）b、带电粒子的侧移由R2=L2-（R-y）2解出；（y见所图标）c、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
②穿过圆形磁场区：如图4所示，画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）。
磁场临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题湖北省黄梅县第五中学石成美“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。
专题八 带电粒子在有界磁场中的临界极值问题讲解
方法二 旋转圆法
粒子速度大小不变，方向改变，则 r＝mqBv大小不变，但轨迹 的圆心位置变化，相当于圆心在绕着入射点滚动(如图所示)．
例 2 (2015·四川理综)(多选)如图所示，S 处有一电子源，可
向纸面内任意方向发射电子，平板 MN 垂直于纸面，在纸面内的 长度 L＝9.1 cm，中点 O 与 S 间的距离 d＝4.55 cm，MN 与直线 SO 的夹角为 θ，板所在平面有电子源的一侧区域有方向垂直于 纸面向外的匀强磁场，磁感应强度 B＝2.0×10－4T.电子质量 m＝ 9.1×10－31 kg，电荷量 e＝－1.6×10－19C，不计电子重力．电子 源发射速度 v＝1.6×106 m/s 的一个电子，该电子打在板上可能 位置的区域的长度为 l，则( )
B．从 ac 边中点射出的粒子，在磁场中的运动时间为 2πm 3qB
C．从 ac 边射出的粒子的最大速度值为23qmBL D．bc 边界上只有长度为 L 的区域可能有粒 子射出
[解析] 带电粒子在磁场中运动的时间是看圆心角的大小， 而不是看弧的长短，A 项错误；作出带电粒子在磁场中偏转的示 意图，从 ac 边上射出的粒子，所对的圆心角都是 120°，所以在 磁场中运动的时间为 t＝13T＝23πqmB，B 项正确；从 ac 边射出的最 大速度粒子的弧线与 bc 相切，如图所示，半径为 L，由 R＝mqBv⇒ v＝qBmR＝qmBL，C 项错误；如图所示，在 bc 边上只有 Db＝L 长 度区域内有粒子射出，D 项正确，选 B、D 项．
例1 (多选)如图所示，在直角三角形 abc 中，有垂直纸面的匀强
磁场，磁感应强度为 B.在 a 点有一个粒子发射源，可以沿 ab 方向源 源不断地发出速率不同，电荷量为q(q>0)、质量为 m 的同种粒子．已 知∠a＝60°，ab＝L，不计粒子的重力，下列说法正确的是( )
带电粒子在有界匀强磁场中运动的临界问题
分析方法：
(1)找圆心的集合， 画各个v方向的圆， 找临界圆
（2）先画某个v方向 上的圆，再将圆绕入 射点旋转，找临界圆 （“硬币法”）
应用2.如图所示，真空室内存在匀强磁场，磁场方向垂
直于纸面向里，磁感应强度的大小B=0.60T，磁场内有
O
几何法求半径（抓住弦、弧、半
径、角度的关系；
3、找回旋角 确定运动时间
(α单位为弧度） S为弧长
类型一：给定有界匀强磁场，研究带电粒子运动情况
情景1：带正电粒子入射速度方向确定，而大小变化，垂直进入无
界匀强磁场后所有可能的运动轨迹，这些轨迹有什么共同点
粒子进入单
边磁场时,入
射速度与边 界夹角等于
a
b
L
C s
解答：
DB
a
A
D
Bb
R L 2R
C s
情景3 ：入射粒子的速度大小、方向都改变，那会是什么情况？
如图所示，两个同心圆为匀强磁场的内外边界，内半径为R1，外 半径为R2，磁场方向垂直纸面向里，已知带正电粒子的电荷为q, 质量为m，匀强磁场的磁感应强度为B，带正电的粒子以某一速 度v从内边界上的A点射入磁场区域。
y
已知圆的一条弦，以此弦为 直径的圆的面积是最小的
30°
a
v
R
r O’
O
b
x
v 60°
思考：若磁场区域是矩形，求最小的矩形面积
小结
带电粒子在有界磁场中运动时，经常会有极 值与临界问题的出现。--找临界圆是关键
类型一：给定有界磁场，研究带电粒子运动情况
情景1：入射速度方向确定，而大小变化
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题1
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题（1）“临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，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）三、应用举例：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？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=__________。
【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。
粒子入射方向在与磁场B垂直的平面内，且散开在与PC夹角为θ的范围内，则在屏MN上被粒子打中的区域的长度为（）A． B．C． D．第三类问题：例3（2009年山东卷）如图甲所示，建立Oxy坐标系，两平行极板P、Q垂直于y轴且关于x轴对称，极板长度和板间距均为L，第一、四象限有磁场，方向垂直于Oxy平面向里。
位于极板左侧的粒子源沿x轴向右连续发射质量为m、电量为+q、速度相同、重力不计的带电粒子。
2013带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题一、带电粒子在有界磁场中运动的分析方法1．圆心的确定因为洛伦兹力F指向圆心，根据F⊥v，画出粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入和射出磁场两点），先作出切线找出v的方向再确定F的方向，沿两个洛伦兹力F的方向画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上，作出圆心位置，如图1所示。
2．半径的确定和计算利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角），并注意以下两个重要的几何特点：①粒子速度的偏向角φ等于转过的圆心角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）θ的2倍，如图2所示，即φ=α=2θ。
②相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ′互补，即θ+θ′=180°。
3．粒子在磁场中运动时间的确定若要计算转过任一段圆弧所用的时间，则必须确定粒子转过的圆弧所对的圆心角，利用圆心角α与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角α的大小，并由表达式，确定通过该段圆弧所用的时间，其中T即为该粒子做圆周运动的周期，转过的圆心角越大，所用时间t越长，注意t与运动轨迹的长短无关。
4．带电粒子在两种典型有界磁场中运动情况的分析①穿过矩形磁场区：如图3所示，一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角由sinθ=L/R求出；（θ、L和R见图标）b、带电粒子的侧移由R2=L2-（R-y）2解出；（y见所图标）c、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
②穿过圆形磁场区：如图4所示，画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角可由求出；（θ、r和R见图标）b、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
二、带电粒子在有界磁场中运动类型的分析1．给定有界磁场（1）确定入射速度的大小和方向，判定带电粒子出射点或其它【例1】（2001年江苏省高考试题）如图5所示，在y<0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，磁感应强度为B。
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题1
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题一、带电粒子在有界磁场中运动的分析方法1．圆心的确定因为洛伦兹力F指向圆心，根据F⊥v，画出粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入和射出磁场两点），先作出切线找出v的方向再确定F的方向，沿两个洛伦兹力F的方向画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上，作出圆心位置，如图1所示。
2．半径的确定和计算利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角），并注意以下两个重要的几何特点：①粒子速度的偏向角φ等于转过的圆心角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）θ的2倍，如图2所示，即φ=α=2θ。
②相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ′互补，即θ+θ′=180°。
3．粒子在磁场中运动时间的确定若要计算转过任一段圆弧所用的时间，则必须确定粒子转过的圆弧所对的圆心角，利用圆心角α与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角α的大小，并由表达式，确定通过该段圆弧所用的时间，其中T即为该粒子做圆周运动的周期，转过的圆心角越大，所用时间t越长，注意t与运动轨迹的长短无关。
4．带电粒子在两种典型有界磁场中运动情况的分析①穿过矩形磁场区：如图3所示，一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角由sinθ=L/R求出；（θ、L和R见图标）b、带电粒子的侧移由R2=L2-（R-y）2解出；（y见所图标）c、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
②穿过圆形磁场区：如图4所示，画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角可由求出；（θ、r和R见图标）b、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
二、带电粒子在有界磁场中运动类型的分析1．给定有界磁场（1）确定入射速度的大小和方向，判定带电粒子出射点或其它【例1】（2001年江苏省高考试题）如图5所示，在y<0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，磁感应强度为B。
2放缩圆,收缩圆带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题带电粒子（质量m 、电量q 确定）在有界磁场中运动时，涉及的可能变化的参量有——入射点、入射速度大小、入射方向、出射点、出射方向、磁感应强度大小、磁场方向等，其中磁感应强度大小与入射速度大小影响的都是轨道半径的大小，可归并为同一因素（以“入射速度大小”代表），磁场方向在一般问题中不改变，若改变，也只需将已讨论情况按反方向偏转再分析一下即可。
在具体问题中，这五个参量一般都是已知两个，剩下其他参量不确定（但知道变化范围）或待定，按已知参数可将问题分为如下10类（25C ），并可归并为6大类型。
所有这些问题，其通用解法是：①第一步，找准轨迹圆圆心可能的位置，②第二步，按一定．．．顺序．．尽可能多地作不同圆心对应的轨迹圆（一般至少5画个轨迹圆），③第三步，根据所作的图和题设条件，找出临界轨迹圆，从而抓住解题的关键点。
类型一：已知入射点和入射速度方向，但入射速度大小不确定（即轨道半径不确定） 这类问题的特点是：所有轨迹圆圆心均在过入射点、垂直入射速度的同一条直线上。
【例1】如图所示，长为L 的水平极板间有垂直于纸面向内的匀强磁场，磁感应强度为B ，板间距离也为L ，板不带电．现有质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v 水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是A ．使粒子的速度v <BqL 4mB ．使粒子的速度v >5BqL4mC ．使粒子的速度v >BqL mD ．使粒子的速度BqL 4m <v <5BqL4m【分析】粒子初速度方向已知，故不同速度大小的粒子轨迹圆圆心均在垂直初速度的直线上（如图甲），在该直线上取不同点为圆心，半径由小取到大，作出一系列圆（如图乙），其中轨迹圆①和②为临界轨迹圆。
轨道半径小于轨迹圆①或大于轨迹圆②的粒子，均可射出磁场而不打在极板上。
类型 已知参量类型一 ①⑩ 入射点、入射方向；出射点、出射方向 类型二 ②⑧ 入射点、速度大小；出射点、速度大小 类型三 ③ 入射点、出射点 类型四 ⑦入射方向、出射方向类型五 ⑤⑨ 入射方向、速度大小；出射方向、速度大小； 类型六 ④⑥ 入射点、出射方向；出射点，入射方向图乙图甲 ①②入射点 入射方向入射速度大出射点出射方向① ② ③ ④ ⑧ ⑨⑤⑥⑦⑩【解答】 AB粒子擦着板从右边穿出时，圆心在O 点，有 r 12＝L 2＋(r 1－L 2)2 ， 得 r 1＝5L4由 r 1＝mv 1Bq ，得 v 1＝5BqL 4m ，所以v >5BqL4m时粒子能从右边穿出．粒子擦着上板从左边穿出时，圆心在O ′点，有 r 2＝L4由 r 2＝mv 2Bq ，得 v 2＝BqL 4m ，所以v <BqL4m时粒子能从左边穿出．【易错提醒】容易漏选A ，错在没有将r 先取较小值再连续增大，从而未分析出粒子还可以从磁场左边界穿出的情况。
带电粒子在磁场中运动的临界值与多解专题课件
例 7 如图所示，宽度为 d 的有界匀强磁 场，磁感应强度为 B，MM′和 NN′是它的 两条边界．现有质量为 m，电荷量为 q 的带电 粒子沿图示方向垂直磁场射入．要使粒子不能 从边界 NN′射出，则粒子入射速率 v 的最大 值可能是多少．
【答案】 (2＋ 2)Bmqd(q 为正电荷)或(2－ 2)Bmqd(q 为负电
(四)三角形边界磁场 例 4 如图，直角三角形 abc 内有方向垂直 纸面向外的匀强磁场，磁感应强度的大小为 B， ∠a＝30°，ac＝2L，P 为 ac 的中点．在 P 点 有一粒子源可沿平行 cb 方向发出动能不同的 同种正粒子，粒子的电荷量为 q、质量为 m， 且粒子动能最大时，恰好垂直打在 ab 上．不考 虑重力，下列判断正确的是( )
(一)单面边界磁场 例 1 (多选)如图所示，S 处有一电子源， 可向纸面内任意方向发射电子，平板 MN 垂 直于纸面，在纸面内的长度 L＝9.1 cm，中 点 O 与 S 间的距离 d＝4.55 cm，MN 与 SO 直线的夹角为θ，板所在平面有电子源的一侧 区域有方向垂直于纸面向外的匀强磁场，磁感应强度 B＝2.0×10 －4 T，电子质量 m＝9.1×10－31 kg，电量 e＝－1.6×10－19 C，不 计电子重力，电子源发射速度 v＝1.6×106 m/s 的一个电子，该 电子打在板上可能位置的区域的长度为 l，则( )
已知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a2到 a 之间，从发射粒 子到粒子全部离开磁场经历的时间，恰好为粒子在磁场中做圆周 运动周期的四分之一．求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时：
(1)速度的大小； (2)速度方向与 y 轴正方向夹角的正弦值．
【答案】
(1)(2－ 26)amqB
6－ 6 (2) 10
超全带电粒子在有界磁场中运动的临界问题极值问题和多解问题
二．带电粒子在平行直线边界磁场中的运动
QP
P
QPQ
B
S 圆心在磁场
原边界上
S
圆心在过入射点跟 边界垂直的直线上
S
圆心在过入射点跟跟速 度方向垂直的直线上
①速度较小时，作半圆 运动后从原边界飞出； ②速度增加为某临界值 时，粒子作部分圆周运 动其轨迹与另一边界相 切；③速度较大时粒子 作部分圆周运动后从另 一边界飞出
பைடு நூலகம்
后从原边界飞出；②速度在某一范
围内从上侧面边界飞；③速度较大
时粒子做部分圆周运动从右侧面边
界飞出；④速度更大时粒子做部分
圆周运动从下侧面边界飞出。
量变积累到一定程度发生质变，出现临界状态（轨迹与边界相切）
(1)若使电子源发射的电子能到达挡 板，则发射速度最小为多大？
(2)如果电子源S发射电子的速度为 第(1)问中的2倍，则挡扳上被电子击中 的区域范围有多大？
(2)要使正离子从O′孔垂直于N 板射出磁场，正离子射入磁场时的速 度v0的可能值．
量变积累到一定程度发生质变，出现临界状态
三．带电粒子在矩形边界磁场中的运动
B
o
圆心在磁场原边界上
①速度较小时粒子作半圆 运动后从原边界飞出；② 速度在某一范围内时从侧 面边界飞出；③速度较大 时粒子作部分圆周运动从 对面边界飞出。
圆心在
过入射
点跟速
d
c 度方向
垂直的
直线上 B
θ
a
b
①速度较小时粒子做部分圆周运动
①速度较小时，作圆 周运动通过射入点； ②速度增加为某临界 值时，粒子作圆周运 动其轨迹与另一边界 相切；③速度较大时 粒子作部分圆周运动 后从另一边界飞出
带电粒子在有界磁场中的运动的临界问题PPT课件
决定，和磁感应强度B 决定。
角速度： ω qB m
频率： f 1 qB
T 2 m
5 动能： Ek
1 mv 2 2
(qBR)2 2m 2019/12/14
解题的基本过程与方法
1 找圆心：
vθ
已知任意两点速度方向：作垂线
可找到两条半径，其交点是圆心。
v
已知一点速度方向和另外一点的
面内，与x轴正向的夹角为θ 。若粒子射出磁场
的位置与O点的距离为L，求该粒子的比荷q/m。
y
p
o
θ
x
v
1
6
2019/12/14
入射速度与边界夹角=
出射速度与边界夹角
y
R sin L
4
v pθ
o
θ
q 2v sin
m
LB x
θθ
f洛
v
1
7
2019/12/14
带电粒子在圆形磁场中的运动
2.解题的基本步骤为：找圆心——画轨迹——定半径
3.注意圆周运动中的对称性:
(1) 粒子进入单边磁场时,入射速度与边界夹角等于出射 速度与边界的夹角,并且两个速度移到共点时，具有轴 对称性。
(2) 在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射 出. 4、解题经验：运动轨迹的半径R往往跟线速度V联系在一起， 进而跟磁感应强度B 、质荷比q/ml有关。运动轨迹对应的圆心
例、一正离子,电量为q ,质量为m， 垂直射入磁感应强度为B、宽度为d
的匀强磁场中，穿出磁场时速度方向 与其原来入射方向的夹角是30°，
d
v v30°
（1）离子的运动半径是多少？
θ
2015高考物理二轮复习：带电粒子在有界磁场中运动的临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题的解题技巧带电粒子（质量m 、电量q 确定）在有界磁场中运动时，涉及的可能变化的参量有——入射点、入射速度大小、入射方向、出射点、出射方向、磁感应强度大小、磁场方向等，其中磁感应强度大小与入射速度大小影响的都是轨道半径的大小，可归并为同一因素（以“入射速度大小”代表），磁场方向在一般问题中不改变，若改变，也只需将已讨论情况按反方向偏转再分析一下即可。
在具体问题中，这五个参量一般都是已知两个，剩下其他参量不确定（但知道变化范围）或待定，按已知参数可将问题分为如下10类（25C ），并可归并为6大类型。
所有这些问题，其通用解法是：①第一步，找准轨迹圆圆心可能的位置，②第二步，按一．．定顺序．．．尽可能多地作不同圆心对应的轨迹圆（一般至少5画个轨迹圆），③第三步，根据所作的图和题设条件，找出临界轨迹圆，从而抓住解题的关键点。
类型一：已知入射点和入射速度方向，但入射速度大小不确定（即轨道半径不确定） 这类问题的特点是：所有轨迹圆圆心均在过入射点、垂直入射速度的同一条直线上。
【例1】如图所示，长为L 的水平极板间有垂直于纸面向内的匀强磁场，磁感应强度为B ，板间距离也为L ，板不带电．现有质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v 水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是A ．使粒子的速度v <BqL 4mB ．使粒子的速度v >5BqL4mC ．使粒子的速度v >BqL mD ．使粒子的速度BqL 4m <v <5BqL4m【分析】粒子初速度方向已知，故不同速度大小的粒子轨迹圆圆心均在垂直初速度的直线上（如图甲），在该直线上取不同点为圆心，半径由小取到大，作出一系列圆（如图乙），其中轨迹圆①和②为临界轨迹圆。
轨道半径小于轨迹圆①或大于轨迹圆②的粒子，均可射出磁场而不打在极板上。
【解答】 AB粒子擦着板从右边穿出时，圆心在O 点，有 r 12＝L 2＋(r 1－L2)2 ，得 r 1＝5L 4由 r 1＝mv 1Bq ，得 v 1＝5BqL 4m ，所以v >5BqL4m时粒子能从右边穿出．类型已知参量类型一 ①⑩ 入射点、入射方向；出射点、出射方向 类型二 ②⑧ 入射点、速度大小；出射点、速度大小 类型三 ③ 入射点、出射点 类型四 ⑦入射方向、出射方向类型五 ⑤⑨ 入射方向、速度大小；出射方向、速度大小； 类型六 ④⑥ 入射点、出射方向；出射点，入射方向图乙图甲 ①②入射点入射方向 入射速度大出射点出射方向 ①② ③ ④ ⑧ ⑨ ⑤⑥⑦⑩粒子擦着上板从左边穿出时，圆心在O ′点，有 r 2＝L4由 r 2＝mv 2Bq ，得 v 2＝BqL 4m ，所以v <BqL4m时粒子能从左边穿出．【易错提醒】容易漏选A ，错在没有将r 先取较小值再连续增大，从而未分析出粒子还可以从磁场左边界穿出的情况。
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题0001
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题带电粒子在有界磁场中运动的临界问题当某种物理现象变化为另一种物理现象或物体从一种状态变化为另一种状态时，发生这种质的飞跃的转折状态通常称为临界状态。
粒子进入有边界的磁场，由于边界条件的不同，而出现涉及临界状态的临界问题，如带电粒子恰好不能从某个边界射出磁场，可以根据边界条件确定粒子的轨迹、半径、在磁场中的运动时间等。
如何分析这类相关的问题是本文所讨论的内容。
一、带电粒子在有界磁场中运动的分析方法1.圆心的确定因为洛伦兹力F指向圆心，根据F丄V,画出粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入和射出磁场两点），先作出切线找出v的方向再确定F的方向，沿两个洛伦兹力F的方向画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线2.半径的确定和计算1所示。
上，作出圆心位置,利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角），并注意以下两个重要的几何特点：①粒子速度的偏向角©等于转过的圆心角a,并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）B 的2倍，如图2所示，即© = a =20o②相对的弦切角B相等，与相邻的弦切角9，互补，即9 + £ =1803・粒子在磁场中运动时间的确定若要计算转过任一段圆弧所用的时间，则必须确定粒子转过的圆弧所对的圆心角，利用圆心角a与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算f - ¥出圆心角a的大小，并由表达式一，确定通过该段圆弧所用的时间，其中T即为该粒子做圆周运动的周期，转过的圆心角越大，所用时间与运动t越长，注意t 轨迹的长短无关。
4.带电粒子在两种典型有界磁场中运动情况的分析①穿过矩形磁场区：如图3所示，一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角由sin 0二L/R求出；（氏L和R见图标）b、带电粒子的侧移由F2二L2- （R-y）彳解出；（y见所图标）/吃c、带电粒子在磁场中经历的时间由一得出②穿过圆形磁场区：如图4所示，画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）knH 丄a 、带电粒子在穿过磁场时的偏向角可由1丄求出；（B. r 和R 见图标）b 、带电粒子在磁场中经历的时间由・\得出。
带电粒子在有界磁场中运动临界问题
带电粒子在有界磁场中运动的临界问题的解题技巧带电粒子（质量m 、电量q 确定）在有界磁场中运动时，涉及的可能变化的参量有——入射点、入【分析】粒子初速度方向已知，故不同速度大小的粒子轨迹圆圆心均在垂直初速度的直线上（如图，作出一系列圆（如图乙），其中轨迹圆①和②为临界轨迹圆。
轨道半径小于轨迹圆①或大于轨迹圆②的粒子，均可射出磁场而不打在极板上。
【解答】AB粒子擦着板从右边穿出时，圆心在O 点，有r 12＝L 2＋(r 1－L 2)2，得r 1＝5L4图乙图甲由r 1＝mv 1Bq ，得v 1＝5BqL 4m ，所以v >5BqL 4m时粒子能从右边穿出．粒子擦着上板从左边穿出时，圆心在O ′点，有r 2＝L4由r 2＝mv 2Bq ，得v 2＝BqL 4m ，所以v <BqL 4m时粒子能从左边穿出．类型二：已知入射点和入射速度大小（即轨道半径大小），但入射速度方向不确定这类问题的特点是：所有轨迹圆的圆心均在一个“圆心圆”上——所谓“圆心圆”，是指以入射点为圆心，以mvr qB=为半径的圆。
【例2】如图所示，在0≤x≤a 、0≤y≤2a范围内有垂直手xy 平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B 。
坐标原点O 处有一个粒子源，在某时刻发射大量质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子，它们的速度大小相同，速度方向均在xOy 平面内，与y 轴正方向的夹角分布在0～090范围内。
己知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a /2到a 之间，从发射粒子到粒子全部离开磁场经历的时间恰好为粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之一。
求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的(1)速度的大小；(2)速度方向与y 轴正方向夹角的正弦。
【分析】本题给定的情形是粒子轨道半径r 大小确定但初速度方向不确定，所有粒子的轨迹圆都要经过入射点O ，入射点O 到任一圆心的距离均为r ，故所有轨迹圆的圆心均在一个“圆心圆”——以入射点O 为圆心、r 为半径的圆周上（如图甲）。
人教版高中物理选择性必修第二册精品课件 第1章 带电粒子在有界匀强磁场中运动的临界和多解问题
2
1
- 2 ,得
5
R =d +
R=4d
0 2
质子在磁场中有 ev0B=
0
5
0
40
所以 R= ,即 d= ,B1=
4
1
5
2
2
B 较大时,质子从 N 点射出,此时质子运动了半个圆周,轨道半径
1
0
所以 d= ,即
4
2
中学高二校考)如图所示,空间存在四分之一圆形磁场区域,半径为R,磁感
应强度为B,磁场方向垂直纸面向外。电子以初速度v从圆心O沿OC方向射
入磁场,恰好由A点射出。不计电子的重力,弧AD对应的圆心角为60°,要使
电子从弧AD之间射出,电子从O点射入的初速度可能是(
A.2
3
B. 2
C.2v
D.3v
1 2 3 4
大的匀强磁场区域的边界(边界无磁场),内部磁感应强度方向垂直纸面向
外。带等量异种电荷的粒子a、b先后以相同的速度,从BC边上的某点D垂
直BC边射入磁场,两粒子均恰好从AC边射出。忽略粒子重力及粒子间相
互作用力,下列说法正确的是(
)
AB
A.a粒子带负电
B.a、b两粒子运动轨迹半径之比为3∶1
C.a、b两粒子质量之比为1∶3
v0=
(1+cos)
为使电子能从磁场的另一侧 EF 射出,电子的速率 v0 应满足
v0>(1+cos)。
(2)电子在磁场中做圆周运动的周期为
2π
T=
当电子能从左侧边界射出时,圆心角最大,运动的时间最长。由几何关系得
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带电粒子在有界磁场中运动的临界问题当某种物理现象变化为另一种物理现象或物体从一种状态变化为另一种状态时，发生这种质的飞跃的转折状态通常称为临界状态。
粒子进入有边界的磁场，由于边界条件的不同，而出现涉及临界状态的临界问题，如带电粒子恰好不能从某个边界射出磁场，可以根据边界条件确定粒子的轨迹、半径、在磁场中的运动时间等。
如何分析这类相关的问题是本文所讨论的内容。
一、带电粒子在有界磁场中运动的分析方法1．圆心的确定因为洛伦兹力F 指向圆心，根据F⊥v ，画出粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入和射出磁场两点），先作出切线找出v 的方向再确定F 的方向，沿两个洛伦兹力F 的方向画其延长线，两延长线的交点即为圆心，或利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上，作出圆心位置，如图1 所示。
2．半径的确定和计算利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角），并注意以下两个重要的几何特点：①粒子速度的偏向角φ等于转过的圆心角α，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）θ的2 倍，如图2 所示，即φ=α=2θ。
②相对的弦切角θ相等，与相邻的弦切角θ′互补，即θ+θ′ =180°。
3．粒子在磁场中运动时间的确定若要计算转过任一段圆弧所用的时间，则必须确定粒子转过的圆弧所对的圆心角，利用圆心角α与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角α的大小，并由表达式，确定通过该段圆弧所用的时间，其中T 即为该粒子做圆周运动的周期，转过的圆心角越大，所用时间t 越长，注意t 与运动轨迹的长短无关。
4．带电粒子在两种典型有界磁场中运动情况的分析①穿过矩形磁场区：如图3 所示，一定要先画好辅助线（半径、速度及延长线）。
a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角由sin θ=L/ R 求出；（θ、L 和R 见图标）b、带电粒子的侧移由R2=L2-（R-y）2解出；（y 见所图标）c、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
②穿过圆形磁场区：如图4 所示，画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）a、带电粒子在穿过磁场时的偏向角可由求出；（θ、r 和R 见图标）b、带电粒子在磁场中经历的时间由得出。
二、带电粒子在有界磁场中运动类型的分析1．给定有界磁场1 ）确定入射速度的大小和方向，判定带电粒子出射点或其它【例1】（2001 年江苏省高考试题）如图5 所示，在y<0 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，磁感应强度为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 轴正向的夹角为θ。
若粒子射出磁场时的位置与O点的距离为l ，求该粒子的电量和质量之比q/m。
解析：带正电粒子射入磁场后，由于受到洛仑兹力的作用，粒子将沿图6 所示的轨迹运动，从A点射出磁场，O、A间的距离为l ，射出时速度的大小仍为v0，射出方向与x 轴的夹角仍为θ。
由洛仑兹力公式和牛顿定律可得，，（式中R为圆轨道的半径）解得R=m0v/qB①圆轨道的圆心位于OA的中垂线上，由几何关系可得l/ 2=Rsin θ②联立①、②两式，解得点评：本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射点和出射点，求该粒子的电量和质量之比，也可以倒过来分析，求出射点的位置。
在处理这类问题时重点是画出轨迹图，根据几何关系确定轨迹半径。
（2）确定入射速度的方向，而大小变化，判定粒子的出射范围【例2】如图7 所示，矩形匀强磁场区域的长为L，宽为L/2 。
磁感应强度为B，质量为m，电荷量为e 的电子沿着矩形磁场的上方边界射入磁场，欲使该电子由下方边界穿出磁场，求：电子速率v 的取值范围？解析：（1）带电粒子射入磁场后，由于速率大小的变化，导致粒子轨迹半径的改变，如图所示。
当速率最小时，粒子恰好从 d 点射出，由图可知其半径R1=L/4，再由R1=mv1/eB，得由此得 R=mv/qB ，代入数值得 R=10cm 。
R 2=5L/ 4，再由 R 2=mv 2/eB ，得电子速率 v 的取值范围为：点评 ：本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的方向， 由于入射速度的大小发 生改变， 从而改变了该粒子运动轨迹半径， 导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时 重点是画出临界状态粒子运动的轨迹图， 再根据几何关系确定对应的轨迹半径， 最后求解临 界状态的速率。
3）确定入射速度的大小，而方向变化，判定粒子的出射范围【例 3】（2004 年广东省高考试题）如图 8 所示，真空室内存在匀强磁场，磁场方向垂 直于纸面向里，磁感应强度的大小 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 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粒子的电荷与质量之比q/m=5． 0× 107C/kg ，现 只考虑在图纸平面中运动的α粒子，求 ab 上被α粒子打中的区域的长度。
解析 ：α粒子带正电，故在磁场中沿逆时针方向做匀速圆周运动，用2 有 qvB=mv/R ，当速率最大时，粒子恰好从R 表示轨道半径，c 点射出，由图可知其半径可见，2R>l>R，如图9 所示，因朝不同方向发射的α粒子的圆轨迹都过S，由此可知，某一圆轨迹在图中N左侧与ab 相切，则此切点P1就是α粒子能打中的左侧最远点。
为定出P1点的位置，可作平行于ab的直线cd，cd到ab的距离为R，以S为圆心，R为半径，作弧交cd 于Q点，过Q 作ab 的垂线，它与ab 的交点即为P1。
，再考虑N 的右侧。
任何α粒子在运动中离S的距离不可能超过2R，以2R 为半径、S为圆心作圆，交ab于N右侧的P2点，此即右侧能打到的最远点。
由图中几何关系得，所求长度为P1P2=NP1+NP2，代入数值得P1P2=20cm。
点评：本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的大小，其对应的轨迹半径也就确定了。
但由于入射速度的方向发生改变，从而改变了该粒子运动轨迹图，导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出临界状态粒子运动的轨迹图（对应的临界状态的速度的方向），再利用轨迹半径与几何关系确定对应的出射范围。
2．给定动态有界磁场（1 ）确定入射速度的大小和方向，判定粒子出射点的位置【例4】（2006年天津市理综试题）在以坐标原点O为圆心、半径为r 的圆形区域内，存在磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场，如图10 所示。
一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x 轴的交点A处以速度v 沿-x 方向射入磁场，恰好从磁场边界与y 轴的交点C 处沿+y 方向飞出。
（1）请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷q/m；（2）若磁场的方向和所在空间范围不变，而磁感应强度的大小变为B′，该粒子仍从A 处以相同的速度射入磁场，但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60 °角，求磁感应强度B′多大？此次粒子在磁场中运动所用时间t 是多少？解析：（1）由粒子的飞行轨迹，利用左手定则可知，该粒子带负电荷。
如图11 所示，粒子由A 点射入，由C点飞出，其速度方向改变了90°，则粒子轨迹半径r=R ，又，则粒子的荷质比为。
（2）粒子从D点飞出磁场速度方向改变了60°角，故AD弧所对圆心角60°，粒子做圆周运动的半径，又，所以，粒子在磁场中飞行时间：点评：本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度的大小和方向，但由于有界磁场发生改变（包括磁感应强度的大小或方向的改变），从而改变了该粒子在有界磁场中运动的轨迹图，导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出磁场发生改变后粒子运动的轨迹图，再利用轨迹半径与几何关系确定对应的出射点的位置。
（2）确定入射速度和出射速度的大小和方向，判定动态有界磁场的边界位置【例5】（1994 年全国高考试题）如图12 所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox 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Ox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。
解析：质点在磁场中作半径为R的圆周运动，qvB=（Mv2）/R，得R=（MV）/ （qB）。
根据题意，质点在磁场区域中的轨道是半径等于R的圆上的1/4 圆周，这段圆弧应与入射方向的速度、出射方向的速度相切。
如图13 所示，过a点作平行于x 轴的直线，过b点作平行于y轴的直线，则与这两直线均相距R的O′点就是圆周的圆心。
质点在磁场区域中的轨道就是以O′为圆心、R为半径的圆（图中虚线圆）上的圆弧MN，M点和N点应在所求圆形磁场区域的边界上。
在通过M、N两点的不同的圆周中，最小的一个是以MN连线为直径的圆周。
所以本题所求的圆形磁场区域的最小半径为：所求磁场区域如图13 所示中实线圆所示。
点评：本题给定带电粒子在有界磁场中运动的入射速度和出射速度的大小和方向，但由于有界磁场发生改变（磁感应强度不变，但磁场区域在改变），从而改变了该粒子在有界磁场中运动的轨迹图，导致粒子的出射点位置变化。
在处理这类问题时重点是画出磁场发生改变后粒子运动的轨迹图，确定临界状态的粒子运动轨迹图，再利用轨迹半径与几何关系确定对应的磁场区域的位置。
综上所述，运动的带电粒子垂直进入有界的匀强磁场，若仅受洛仑兹力作用时，它一定做匀速圆周运动，这类问题虽然比较复杂，但只要准确地画出运动轨迹图，并灵活运用几何知识和物理规律，找到已知量与轨道半径R、周期T 的关系，求出粒子在磁场中偏转的角度或距离以及运动时间不太难。
【巩固练习】1．（2005年理综I）如图14 所示，在一水平放置的平板MN的上方有匀强磁场，磁感应强度的大小为B，磁场方向垂直于纸面向里。
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。
哪个图是正确的？A．B．C．D．答案：A2．（1999 年全国高考试题）如图15 所示中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线，在平面右侧的半空间存在一磁感强度为 B 的匀强磁场，方向垂直纸面向外是MN上的一点，从O 点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为v 的粒子，粒子射入磁场时的速度可在纸面内各个方向已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇，P到O的距离为L 不计重力及粒子间的相互作用。
（1）求所考察的粒子在磁场中的轨道半径；（2）求这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔。