人教版高二物理选修3-1： 3.6 带电粒子在磁场中的运动 课件(共60张PPT)

(共60张PPT)
带电粒子在磁场中的运动
一.
洛仑兹力
1.洛仑兹力的性质：
大小：f=qvB
sinθ
方向：左手定则-----注意四指指向电流的方向（负电荷运动的反方向）
特点:洛仑兹力对运动粒子不做功
2、磁场对带电粒子的作用力及运动情况分析
带电粒
子静止
带电粒
子在磁
场中运动
磁场不给
作用力
保持静止
速度与
磁场垂直
洛沦兹力
匀速圆
周运动
速度与
磁场平行
磁场不给
作用力
匀速
直线
速度与磁场
成一角度
洛沦
兹力
螺旋线
3、带电粒子（不计重力）在匀强磁场中的运动
①圆心的确定
a、两个速度方向垂直线的交点。（常用在有界磁场的入射与出射方向已知的情况下）
V
O
b、一个速度方向的垂直线和一条弦的中垂线的交点
O
基本思路：圆心一定在与速度方向垂直的直线上，通常有两种方法：
②半径的确定
主要由三角形几何关系求出（一般是三角形的边边关系、边角关系、全等、相似等）。例如：已知出射速度与水平方向夹角θ，磁场宽度为d，则有关系式r=d/sinθ，如图所示。再例如：已知出射速度与水平方向夹角θ和圆形磁场区域的半径r，则有关系式R=rcot
,如图所示。
③运动时间的确定
先确定偏向角。带电粒子射出磁场的速度方向对射入磁场的速度的夹角θ，即为偏向角，它等于入射点与出射点两条半径间的夹角（圆心角或回旋角）。由几何知识可知，它等于弦切角的2倍，即θ=2α=ωt,如图所示。
然后确定带电粒子通过磁场的时间。粒子在磁场中运动一周的时间为
,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为θ
时，其运动时间由下式表示：
1、直线边界（进出磁场具有对称性）
2、平行边界（存在临界条件）
3、圆形边界（沿径向射入必沿径向射出）
注意：①从一边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角（弦切角）相等。②带电粒子沿径向射入圆形磁场区域内，必从径向射出。③关注几种常见图形的画法，如图所示：
O
B
S
ν
ν
O1
◆带电粒子在半无界磁场中的运动
①如果垂直磁场边界进入，粒子作半圆运动后垂直原边界飞出；
②如果与磁场边界成夹角θ进入，仍以与磁场边界夹角θ飞出（有两种轨迹，图中若两轨迹共弦，则θ1＝θ2）。
ν
θ
α
α
α
O1
θ
B
θ
υ
02
α
ν
θ
．
．
300
M
N
B
r
r
O
600
O’
r
r
600
例1、
如图直线MN上方有磁感应强度为B的匀强磁场。正、负电子同时从同一点O以与MN成30°角的同样速度v
射入磁场（电子质量为m，电荷为e），它们从磁场中射出时相距多远？射出的时间差是多少？
针对训练、一个负离子，质量为m，电量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中，如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直，并垂直于图中纸面向里.
（1）求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离.
（2）如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P，证明:直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是
O
B
S
v
θ
P
例2．如图,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,有一个点状的放射源S,它向各个方向发射α粒子,α粒子的速度都是v=4.8x106
m/s,已知α粒子的电荷与质量之比q/m=5.0x107C/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.
s
a
b
L
.
解:粒子带正电,故在磁场中沿逆时针方向做匀速圆周运动,用R表示轨道半径,有
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ab上侧与ab相切,则此切点P1就是该粒子能打中的上侧最远点.
s
a
b
P1
再考虑ab的下侧.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ab下侧的P2点,此即下侧能打到的最远点.
P2
N
L
针对训练．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,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R=mv/qB.哪个图是正确的?
M
N
B
O
A
2R
R
2R
M
N
O
2R
R
2R
M
N
O
2R
2R
2R
M
N
O
R
2R
2R
M
N
O
D.
A.
B.
C.
解：
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,由R=mv/qB,各个粒子在磁场中运动的半径均相同,
在磁场中运动的轨迹圆圆心是在以O为圆心、
以R=mv/qB为半径的1/2圆弧上,如图虚线示:各粒子的运动轨迹如图实线示:带电粒子可能经过的区域阴影部分如图斜线示
2R
R
2R
M
N
O
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
S
B
P
S
S
Q
P
Q
Q
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
圆心在过入射点跟速度方向垂直的直线上
圆心在过入射点跟边界垂直的直线上
圆心在磁场原边界上
量变积累到一定程度发生质变，出现临界状态．
◆带电粒子在平行直线边界磁场区域中的运动
例3、如图所示,一束电子(电量为e)以速度V垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场,穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为300.求:
(1)电子的质量
m
(2)电子在磁场中的运动时间t
d
B
e
θ
v
v
θ
变化1：在上题中若电子的电量e，质量m，磁感应强度B及宽度d已知，若要求电子不从右边界穿出，则初速度V0有什么要求？
B
e
v0
d
B
变化2：若初速度向下与边界成
α
=
60
0，则初速度有什么要求？
变化3：若初速度向上与边界成
α
=
60
0，则初速度有什么要求？
o
B
d
a
b
c
θ
B
圆心在磁场原边界上
圆心在过入射点跟速度方向垂直的直线上
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。
①速度较小时粒子作部分圆周运动后从原边界飞出；②速度在某一范围内从侧面边界飞；③速度较大时粒子作部分圆周运动从另一侧面边界飞出。
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）
◆带电粒子在矩形磁场区域中的运动
例4.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方向垂直磁场射入一速度方向跟ad边夹角θ=300
、大小为v0的带电粒子，已知粒子质量为m、电量为q，ab边足够长，ad边长为L，粒子的重力不计。求：⑴.粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围。⑵.如果带电粒子不受上述v0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间。
V0
O
a
b
c
d
V0
O
a
b
c
d
θ
300
600
V0
θ
2θ
2θ
穿过圆形磁场区。画好辅助线（半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线）。
偏向角可由
求出。
经历
时间由
得出。
注意:由对称性,射出线的反向延长线必过磁场圆的圆心。
v
R
v
O′
O
r
θ
θ
◆带电粒子在圆形磁场区域中的运动
例5、圆形区域内存在垂直纸面的半径为R的匀强磁场，磁感强度为B，现有一电量为q、质量为m的正离子从a点沿圆形区域的直径射入，设正离子射出磁场区域的方向与入射方向的夹角为600，求此离子在磁场区域内飞行的时间及射出的位置。
B
?
600
600
P(x
y)
y
x
O’
x
y
o
O
针对训练、如图所示，虚线所围区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。一束电子沿圆形区域的直径方向以速度v射入磁场，电子束经过磁场区后，其运动的方向与原入射方向成θ角。设电子质量为m，电荷量为e，不计电子之间的相互作用力及所受的重力。求：
（1）电子在磁场中运动轨迹的半径R；
（2）电子在磁场中运动的时间t；
（3）圆形磁场区域的半径r。
B
O
v
v
θ
r
解：
（1）由牛顿第二定律和洛沦兹力公式得　
解得
（2）设电子做匀速圆周运动的周期为T，
由如图所示的几何关系得：圆心角
所以
（3）由如图所示几何关系可知，
所以
B
O
v
v
θ
r
R
O′
α
则
D
例6．如图所示，在边长为2a的等边三角形△ABC内存在垂直纸面向里磁感应强度为B的匀强磁场，有一带电量为q、质量为m的粒子从距A点
的D点垂直于AB方向进入磁场。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？
◆带电粒子在三角形磁场区域中的运动
答案：要粒子能从ＡＣ间离开磁场，粒子速率应满足
粒子从距Ａ点
的
间射出
　带电粒子在有界磁场中运动的临界、极值问题，注意下列结论，再借助数学方法分析．
(1)刚好不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(或弦长)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，圆心角越大，运动时间越长．
4、带电粒子在磁场中的临界、极值问题
例7、如图所示，在边界为AA′、DD′狭长区域内，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于纸面向里，磁场区域宽为d，电子枪S发出质量为m、电荷量为e、速率均为v0的电子．当把电子枪水平放置发射电子时，在边界DD′右侧发现了电子；当把电子枪在竖直平面内转动到某一位置时，刚好在左侧发现了电子
(1)试画出刚好在左侧发现的电子在磁场中运动的轨迹；
(2)计算该电子在边界AA′的射入点与射出点间的距离．
◆带电粒子在磁场中运动的临界
1．带电粒子电性不确定形成多解
受洛伦兹力作用的带电粒子，可能带正电，也可能带负电，当粒子具有相同速度时，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致多解．
如图带电粒子以速率v垂直进入匀强磁场，若带正电，其轨迹为a，若带负电，其轨迹为b.
2．磁场方向不确定形成多解
磁感应强度是矢量，如果题述条件只给出磁感应强度大小，而未说明磁感应强度方向，则应考虑因磁场方向不确定而导致的多解．
如图带正电粒子以速率v垂直进入匀强磁场，若B垂直纸面向里，其轨迹为a，若B垂直纸面向外，其轨迹为b.
◆带电粒子在磁场中运动的多解问题
3．临界状态不惟一形成多解
带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，由于粒子运动轨迹是圆弧状，因此，它可能穿过去了，也可能转过180°从入射面边界反向飞出，如图所示，于是形成了多解．
4．运动的往复性形成多解
带电粒子在部分是电场，部分是磁场的空间运动时，运动往往具有往复性，从而形成多解．如图所示．
例8、如图(甲)所示，M、N为竖直放置彼此平行的两块平板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O′正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图(乙)所示．有一群正离子在t＝0时垂直于M板从小孔O射入磁场．已知正离子质量为m、带电荷量为q，正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力．求：
(1)磁感应强度的大小B0.
(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．
针对训练
如图所示，MN表示真空中垂直于纸面的平板，它的一侧有匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B，一质量为m，电荷量为q的粒子从平板上的狭缝O处以垂直于平板的速度射入磁场区域．已知粒子与平板的碰撞无电荷量及能量损失，要使粒子最后打到P点，已知P到O的距离为L，不计重力，求此粒子的速度可能值．
例9．如图所示，一个质量为m、电量为q的正离子，在小孔S处正对着圆心O以速度v射入半径为R的绝缘圆筒中。圆筒内存在垂直纸面向里的匀强磁场，要使带电粒子与圆筒内壁碰撞多次后仍从s点射出，求正离子在磁场中运动的时间t.设粒子与圆筒内壁碰撞时无能量和电量损失，不计粒子的重力。
O
B
·
R
S
．
解:粒子经过与圆筒发生n（n=2,3,4……）次与圆筒碰撞从原孔射出，其在圆筒磁场中运动的轨迹为n+1段对称分布的圆弧，
每段圆弧的圆心角为
正离子在磁场中运动的时间
O’
r
r
O
B
·
R
S
．
针对训练．如图所示，在半径为R的圆筒内有匀强磁场，质量为m、带电量为q的正离子在小孔S处，以速度v0向着圆心射入，施加的磁感应强度为多大，此粒子才能在最短的时间内从原孔射出？（设相碰时电量和动能均无损失）
O’
r
r
O
B
·
R
S
．
解:粒子经过n=2,3,4……次与圆筒碰撞从原孔射出，其运动轨迹具有对称性．当发生最少碰撞次数n=2时
O
B
·
R
S
．
O’
r
r
当发生碰撞次数n=3时
可见发生碰撞次数越多，所用时间越长，故当n=2时所用时间最短
O’
r
r
O
B
·
R
S
．
思考：求碰撞次数n=2时粒子在磁场中运动的时间．
2．如图所示，宽h＝2
cm的有界匀强磁场，纵向范围足够大，磁感应强度的方向垂直于纸面向里，现有一群正粒子从O点以相同的速率沿纸面不同方向进入磁场，若粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径均为r＝5
cm，则(　D　)
①右边界：－4
cm≤y<4
cm有粒子射出
②右边界：y>4
cm和y<－4
cm有粒子
射出　③左边界：y>8
cm有粒子射出　④左边界：0cm有粒子射出
A．①②
B．③④
C．②③
D．①④
解析：经分析可知当射入速度方向为－y方向时，粒子从右边界射出，如图所示，由几何关系可得y1＝－4
cm
当粒子轨迹恰好与右边界相切时，粒子恰好不从右边界射出，从左边界射出，如图所示，由几何关系，y2＝4
cm，轨迹与y轴交点y3＝8
cm，由题意可得右边界－4
cm≤y<4
cm有粒子射出，左边界0cm有粒子射出．
6．如图所示，在真空中半径r＝3.0×10－2
m的圆形区域内，有磁感应强度B＝0.2
T、方向如图所示的匀强磁场，一批带正电的粒子以初速度v0＝1.0×106
m/s，从磁场边界上直径ab的一端a沿着各个方向射入磁场，且初速度方向与磁场方向都垂直，该批粒子的比荷为q/m＝1.0×108
C/kg，不计粒子重力．求：
(1)粒子的轨迹半径；
(2)粒子在磁场中运动的最长时间．
答案：(1)5.0×10－2
m　(2)6.5×10－8
s
7．一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向夹角30°，如图所示(粒子重力忽略不计)．试求：
(1)圆形磁场区域的最小面积．
(2)粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间．
(3)b点的坐标．
答案：见解析