高中物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧及练习题

高中物理带电粒子在磁场中的运动解题技巧及练习题

一、带电粒子在磁场中的运动专项训练

1．如图所示，一质量为m 、电荷量为+q 的粒子从竖直虚线上的P 点以初速度v 0水平向左射出，在下列不同情形下，粒子经过一段时间后均恰好经过虚线右侧的A 点．巳知P 、A 两点连线长度为l ，连线与虚线的夹角为α=37°，不计粒子的重力，(sin 37°=0.6，cos 37°=0.8).

(1)若在虚线左侧存在垂直纸面向外的匀强磁场，求磁感应强度的大小B 1；

(2)若在虚线上某点固定一个负点电荷，粒子恰能绕该负点电荷做圆周运动，求该负点电荷的电荷量Q (已知静电力常量为是）；

(3)若虚线的左侧空间存在垂直纸面向外的匀强磁场，右侧空间存在竖直向上的匀强电场，粒子从P 点到A 点的过程中在磁场、电场中的运动时间恰好相等，求磁场的磁感应强度的大小B 2和匀强电场的电场强度大小E .

【答案】（1）01

5

2mv B ql = （2）2

058mv l Q kq = （3）0253mv B ql π= 2

20(23)9mv E ql

ππ-=

【解析】 【分析】 【详解】

（1)粒子从P 到A 的轨迹如图所示：

粒子在磁场中做匀速圆周运动，设半径为r 1 由几何关系得112cos 25

r l l α=

= 由洛伦兹力提供向心力可得2

011

v qv B m r =

解得:

0 1

5

2

mv B

ql

=

(2)粒子从P到A的轨迹如图所示：

粒子绕负点电荷Q做匀速圆周运动，设半径为r2

由几何关系得

2

5

2cos8

l

r l

α

==

由库仑力提供向心力得

2

2

22

v

Qq

k m

r r

=

解得:

2

5

8

mv l

Q

kq

=

(3)粒子从P到A的轨迹如图所示：

粒子在磁场中做匀速圆周运动，在电场中做类平抛运动

粒子在电场中的运动时间

00

sin3

5

l l

t

v v

α

==

根据题意得，粒子在磁场中运动时间也为t，则

2

T

t=

又

2

2m

T

qB

π

=

解得0

2

5

3

mv

B

ql

π

=

设粒子在磁场中做圆周运动的半径为r，则0v t r

π

=

解得:35l r π

=

粒子在电场中沿虚线方向做匀变速直线运动，21cos 22qE l r t m

α-=

⋅ 解得:2

20(23)9mv E ql

ππ-=

2．欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，其原理可简化如下：两束横截面积极小，长度为l -0质子束以初速度v 0同时从左、右两侧入口射入加速电场，出来后经过相同的一段距离射入垂直纸面的圆形匀强磁场区域并被偏转，最后两质子束发生相碰。已知质子质量为m ，电量为e ；加速极板AB 、A′B′间电压均为U 0，且满足eU 0=

3

2

mv 02。两磁场磁感应强度相同，半径均为R ，圆心O 、O′在质子束的入射方向上，其连线与质子入射方向垂直且距离为H=7

2

R ；整个装置处于真空中，忽略粒子间的相互作用及相对论效应。

(1)试求质子束经过加速电场加速后(未进入磁场)的速度ν和磁场磁感应强度B ；

(2)如果某次实验时将磁场O 的圆心往上移了2

R

，其余条件均不变，质子束能在OO′ 连线的某位置相碰，求质子束原来的长度l 0应该满足的条件。

【答案】(1) 02v v =；02mv B eR =(2) 0336

12

l π+≥ 【解析】 【详解】

解：(1)对于单个质子进入加速电场后，则有：22

0011eU mv mv 22

=

-

又：2003eU mv 2

=

解得：0v 2v =；

根据对称，两束质子会相遇于OO '的中点P ，粒子束由CO 方向射入，根据几何关系可知必定沿OP 方向射出，出射点为D ，过C 、D 点作速度的垂线相交于K ，则K ，则K 点即为轨迹的圆心，如图所示，并可知轨迹半径r=R

根据洛伦磁力提供向心力有：2

v evB m r

=

可得磁场磁感应强度：0

2mv B eR

=

(2)磁场O 的圆心上移了

R

2

，则两束质子的轨迹将不再对称，但是粒子在磁场中运达半径认为R ，对于上方粒子，将不是想着圆心射入，而是从F 点射入磁场，如图所示，E 点是原来C 点位置，连OF 、OD ，并作FK 平行且等于OD ，连KD ，由于OD=OF=FK ，故平行四边形ODKF 为菱形，即KD=KF=R ，故粒子束仍然会从D 点射出，但方向并不沿OD 方向，K 为粒子束的圆心

由于磁场上移了R 2，故sin ∠COF=R

2R

=12，∠COF=π6，∠DOF=∠FKD=π

3

对于下方的粒子，没有任何改变，故两束粒子若相遇，则只可能相遇在D 点，