内容正文:
图乙
(3)画出磁场区域面积最小时的
情形,如图乙所示.
在Ⅰ、Ⅱ区域的磁场中,由几何关
系可知带电粒子运动的轨迹半径
R3=r3,由洛伦兹力提供向心力
有qvB3=
mv2
R3
,解得B3=
mv
qr3
,Ⅱ
中磁 场 区 域 的 面 积 S1 =2×
1
4πr
2
3-
1
2r
2
3
æ
è
ç
ö
ø
÷ =
π
2-1
æ
è
ç
ö
ø
÷r23.
在Ⅲ、Ⅳ区域的磁场中,由几何关系可知带电粒子
运动的轨迹半径R4=r4,由洛伦兹力提供向心力有
qvB4=
mv2
R4
,解得 B4=
mv
qr4
,Ⅳ中磁场区域的面积
S4=2×
1
4πr
2
4-
1
2r
2
4
æ
è
ç
ö
ø
÷= π2-1
æ
è
ç
ö
ø
÷r24.
[答案] (1)mvqr1
(2)mvqr2
垂直于纸面向里 πr22
(3)mvqr3
mvqr4
(12π-1
)r23 (
1
2π-1
)r24
学生用书 P222
1.组合场:电场与磁场各位于一定的区域内,并不重
叠,或在同一区域,电场、磁场交替出现.
2.分析思路
(1)画运动轨迹:根据受力分析和运动学分析,大致画
出粒子的运动轨迹图.
(2)找关键点:确定带电粒子在场区边界的速度(包括
大小和方向)是解决该类问题的关键.
(3)划分过程:将粒子运动的过程划分为几个不同的
阶段,对不同的阶段选取不同的规律处理.
3.常见粒子的运动及解题方法
培优点一 磁场与磁场的组合
磁场与磁场的组合问题实质就是两个有界磁场
中的圆周运动问题,带电粒子在两个磁场中的速度大
小相同,但轨迹半径和运动周期往往不同.解题时要
充分利用两段圆弧轨迹的衔接点与两圆心共线的特
点,进一步寻找边角关系.
[典例 1] (2024 湖北卷,
T7)如图所示,在以O 点为圆
心、半径为R 的圆形区域内
有垂直于纸面向里的匀强磁
场,磁感应强度大小为B.圆形区域外有大小相等、
方向相反、范围足够大的匀强磁场.一质量为m、电
荷量为q(q>0)的带电粒子沿直径AC方向从A 点
射入圆形区域.不计重力,下列说法正确的是
( )
A.粒子的运动轨迹可能经过O 点
B.粒子射出圆形区域时的速度方向不一定沿该区
域的半径方向
C.粒子连续两次由A 点沿AC 方向射入圆形区域
的最小时间间隔为7πm
3qB
D.若粒子从A 点射入到从C 点射出圆形区域用时
最短,粒子运动的速度大小为 3qBR
3m
[解析] D [AB.在圆形匀强磁场区域内,沿着径
向射入的粒子,总是沿径向射出;根据圆的特点可
知粒子的运动轨迹不可能经过O 点,故 AB错误;
C.粒子连续两次由A 点沿AC 方向射入圆形区域,
时间最短,根据对称性可知轨迹如图①
图①
则最短时间有t=2T=4πmqB
,故 C错误;D.粒子从
592
第十一章 磁场
A 点射入到从C 点射出圆形区域用时最短,则轨迹
如图②所示
图②
设粒子在磁场中运动的半径为r,根据几何关系可
知r= 3R3
,
根据洛伦兹力提供向心力有qvB=mv
2
r
,
可得v= 3qBR3m
,故 D正确.]
[典例2] 如图所示,在无限长
的竖直边界AC 和DE 间,上、
下部分分别充满方向垂直于平
面ADEC向外的匀强磁场,上
部分区域的磁感应强度大小为
B0,OF 为上、下磁场的水平分界线.质量为 m、带
电荷量为+q的粒子从AC 边界上与O 点相距为a
的P 点垂直于AC 边界射入上方磁场区域,经OF
上的Q 点第一次进入下方磁场区域,Q 点与O 点
的距离为3a.不考虑粒子重力.
(1)求粒子射入时的速度大小;
(2)要使粒子不从AC 边界飞出,求下方磁场区域
的磁感应强度大小B1 应满足的条件;
(3)若下方区域的磁感应强度B=3B0,粒子最终垂
直DE 边界飞出,求边界 DE 与AC 间距离的可
能值.
[解析] (1)粒 子 在 OF 上 方 的 运 动 轨 迹 如 图
所示,
设粒子做圆周运动的半径为 R,由几何关系可知
R2-(R-a)2=(3a)2,则R=5a,由牛顿第二定律
可知qvB0=m
v2
R
,解得v=
5aqB0
m .
(2)当粒子恰好不从 AC 边界
飞出时,其运动轨迹如图所示,
设粒子在OF 下方做圆周运动
的半径为r1,
由 几 何 关 系 得 r1 +r1cosθ
=3a,
由(1)可知cosθ=OQR =
3
5
,所以r1=
15a
8
,
根据qvB1=
mv2
r1
,联立解得 B1=
8B0
3
,故当 B1≥
8B0
3
时,粒子不会从AC 边界飞出.
(3)当B=3B0 时,粒子的运动
轨迹如图所示,粒子在 OF 下
方的运动半径为r=53a
,设粒
子的速度方向再次与射入磁场
时的速度方向一致时,粒子的
位置为P1点,则P 点与P1点的连线一定与OF 平
行,根据几何关系知 PP1=4a,所以若粒子最终垂
直DE 边界飞出,边界 DE 与AC 间的距离为L=
nPP1=4na(n=1,2,3,).
[答案] (1)
5aqB0
m
(2)B1≥
8B0
3
(3)4na(n=1,
2,3,)
培优点二 电场与磁场的组合
1.带电粒子在匀强电场中做匀加速直线运动,在匀强
磁场中做匀速圆周运动,如图所示.
2.带电粒子在匀强电场中做类平抛(或类斜抛)运动,
在磁场做匀速圆周运动,如图所示
[典例3] (2025安徽师大
附中期末)如图所示,在平
面直角坐标系xOy 内,第
Ⅱ、Ⅲ象限内存在沿y轴正
方向的匀强电场,第Ⅰ、Ⅳ
象限内存在半径为L 的圆
形匀强磁场,磁场圆心在 M(L,0)点,磁场方向垂
直于坐标平面向外.一带正电粒子从第Ⅲ象限中的
Q(-2L,-L)点以速度v0 沿x 轴正方向射入电
场,恰好从坐标原点O 进入磁场,从P(2L,0)点射
出磁场,不计粒子重力,求:
(1)电场强度与磁感应强度大小的比值;
(2)粒子在磁场与电场中运动时间的比值.
692
高考总复习 物理
[解析] (1)画 出 带 电
粒子在电场和磁场中运
动的 轨 迹 示 意 图,如 图
所示.
设粒子的质量和所带电
荷量分别为m 和q,粒子在电场中做类平抛运动,则
有2L=v0t1,L=
1
2at
2
1,
根据牛顿第二定律有qE=ma,
粒子到达 O 点时沿y 轴正方向的分速度为vy=
at1,联立解得vy=v0,tanα=
vy
v0
=1,故粒子进入磁
场时速度方向与x轴的正方向的夹角α=45°,
粒子在磁场中的速度为v= 2v0,根据洛伦兹力提
供向心力有Bqv=mv
2
r
,
由几何关系得r= 2L,
联立解得E
B=
v0
2.
(2)带电粒子在电场中运动的时间t1=
2L
v0
带电粒子在磁场中运动的周期为T=2πrv
,带电粒子在
磁场中运动1
4
周期,则在磁场中运动的时间为
t2=
1
4T=
πL
2v0
,解得t2
t1
=π4.
[答案] (1)
v0
2
(2)π4
[典例4] (2025安徽芜湖
高三期末)如图所示,一对
足够长平行栅极板M、N 水
平放置,极板与可调电源相
连.极板外上方和下方分别
存在方向垂直纸面向外和向内的匀强磁场B1 和
B2,B1 和B2 的大小未知,但满足B2=
5
3B1
,磁场
左边界上距M 板距离为2l的A 点处的粒子源平
行极板向右发射速度为v 的带正电粒子束,单个粒
子的质量为m、电荷量为q,粒子第1次离开 M 板
的位置为C 点,已知C 点距离磁场左边界距离为
l.忽略栅极的电场边缘效应、粒子间的相互作用及
粒子所受重力.
(1)求磁感应强度B1 的大小;
(2)当两板间电势差UMN =0时,粒子经过下方磁
场一次偏转后恰能从C 点再次返回极板上方的磁
场,求两板间距d的大小;
(3)当两板间所加的电势差UMN =-
6mv2
5q
时,在 M
板上C 点右侧P 点处放置一粒子靶(忽略靶的大
小),用于接收从 M 板上方打入的粒子.问当P 点
离磁场左边界多远的地方能接收到粒子?
[解析] (1)粒子从A 点发射后运动到C 的过程,
洛伦兹力提供向心力qvB1=
mv2
R1
,
由几何知识可得R21=(2l-R1)2+l2,解得R1=
5
4l
,
B1=
4mv
5ql
(2)粒子经过C 点时的速度方向与竖直方向的夹角
为θ,则cosθ=lR1
=08,
粒子进入磁场B2 之后,圆周运动半径为
R2=
mv
qB2
=35R1=
3
4l
,
又因为dtanθ=R2cosθ,解得d=08l
由R2=
3
4l
得,粒 子 在 B2 磁 场 中 不 会 从 左 边 界
飞出.
(3)粒子到达 C 点后第一
次在电场中向左运动距离
Δx = vsin θ 2vcosθUq
dm
=064l
粒子在B1 磁场中运动到最左边时,距C 点距离
xC=Δx+R1-l=089l<R1
所以不会从左边界飞出,P 点离磁场左边界的距离
为xP=l+n(2l-064l)=(1+136n)l,n=0、1、
2、3、
[答案] (1)4mv5ql
(2)08l
(3)(1+136n)l,n=0、1、2、3、
“5步”突破带电粒子在组合场中的运动问题
792
第十一章 磁场
培优点二 带电粒子在立体空间中的运动
分析带电粒子在立体空间中的运动时,要发挥空
间想象力,确定粒子在空间的位置关系.带电粒子依
次通过不同的空间,运动过程分为不同的阶段,只要
分析出每个阶段上的运动规律,再利用两个空间交界
处粒子的运动状态和关联条件即可解决问题.有时需
要将粒子的运动分解为两个互相垂直的平面内的运
动(比如螺旋线运动和旋进运动)来求解.
[典例5] 中国“人造太阳”
在核聚变实验方面取得新
突破,该装置中用电磁场
约束和加速高能离子,其
部分电磁场简化模型如图
所示,在三维坐标系Oxyz
中,0<z≤d 空间内充满匀强磁场Ⅰ,磁感应强度
大小为B,方向沿x 轴正方向;-3d≤z<0,y≥0
的空间内充满匀强磁场Ⅱ,磁感应强度大小为 22
B,方向平行于xOy 平面,与x 轴正方向夹角为
45°;z<0,y≤0的空间内充满沿y轴负方向的匀强
电场.质量为m、带电量为+q的离子甲,从yOz平
面第三象限内距y 轴为L 的点A 以一定速度出
射,速度方向与z轴正方向夹角为β,在yOz平面
内运动一段时间后,经坐标原点O 沿z轴正方向进
入磁场Ⅰ.不计离子重力.
(1)当离子甲从A 点出射速度为v0 时,求电场强度
的大小E;
(2)若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动,求
进入磁场时的最大速度vm;
(3)离子甲以qBd2m
的速度从O 点沿z 轴正方向第一
次穿过xOy 面进入磁场Ⅰ,求第四次穿过xOy平
面的位置坐标(用d表示);
(4)当离子甲以qBd2m
的速度从O 点进入磁场Ⅰ时,
质量为4m、带电量为+q的离子乙,也从O 点沿z
轴正方向以相同的动能同时进入磁场Ⅰ,求两离子
进入磁场后,到达它们运动轨迹第一个交点的时间
差Δt(忽略离子间相互作用).
图①
[解析] (1)如图①所示
将离子甲在 A 点的出射速
度v0 分解到沿y 轴方向和
z 轴方向,离子受到的静电
力沿y轴负方向,可知离子
沿z 轴 方 向 做 匀 速 直 线 运
动,沿y轴方向做匀减速直
线运动,从A 到O 的过程,有
L=v0cosβt,v0sinβ=at,a=q
E
m
,
联立解得E=
mv20sinβcosβ
qL
;
(2)如图②所示
图②
离子从坐标原点O 沿z 轴正
方向进入磁场Ⅰ中,由洛伦
兹力提供向心力可得
qv1B=
mv21
rⅠ
,
离子经过磁场Ⅰ偏转后从y
轴进入磁场Ⅱ中,由洛伦兹力
提供向心力可得qv1
2
2B=
mv21
rⅡ
,可得rⅡ = 2rⅠ ,
为了使离子在磁场中运动,需满足rⅠ ≤d,rⅡ ≤3d
则可得v1≤q
Bd
m
,
故要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动,进入
磁场时的最大速度为qBd
m
;
图③
(3)离子 甲 以v=qBd2m
的
速度从O 点 沿z 轴 正 方
向第一次 穿 过xOy 面 进
入磁场Ⅰ,离子在磁场Ⅰ
中的轨迹半径为
r1=
mv
qB=
d
2
,
离子在 磁 场 Ⅱ 中 的 轨 迹
半径为r2=
2d
2
,
离子从O 点第一次穿过到第四次穿过xOy 平面的
运动情景,如图③所示
离子第四次穿过xOy平面的x 坐标为
x4=2r2sin45°=d,
离子第 四 次 穿 过 xOy 平 面 的y 坐 标 为y4=2r1
=d,
故离子第四次穿过xOy平面的位置坐标为(d,d,0);
(4)设离子乙的速度为v′,根据离子甲、乙动能相
同,可得1
2mv
2=12×4mv′
2,
可得v′=v2=
qBd
4m
,
892
高考总复习 物理
离子乙在磁场Ⅰ中的轨迹半径为
r1′=
4mv′
qB =d=2r1
,
离子乙在磁场Ⅱ中的轨迹半径为
r2′=
4mv′
q 22B
= 2d=2r2
图④
根据 几 何 关 系 可 知 离 子 甲、
乙运动轨迹第一个交点如图
④所示,
从O 点进入磁场到轨迹第一
个交点的过程,有
t甲 = T1 + T2 =
2πm
qB +
2πm
q 22B
=(2+2 2)πmqB
,
t乙 =12T1′+
1
2T2′=
1
2×
2π×4m
qB +
1
2×
2π×4m
q× 22B
=(4+4 2)πmqB
,
可得离子甲、乙到达它们运动轨迹第一个交点的时
间差为 Δt=t乙 -t甲 =(2+2 2)πmqB.
[答案] (1)
mv20sinβcosβ
qL
(2)qBdm
(3)(d,d,0) (4)(2+2 2)πmqB
[典例6] (2024湖南
卷)如图,有一内半径
为2r、长为L的圆筒,
左、右端面圆心O′、O
处各开有一小孔.以
O 为坐标原点,取O′O方向为x 轴正方向建立OG
xyz坐标系.在筒内x≤0区域有一匀强磁场,磁感
应强度大小为B,方向沿x轴正方向;筒外x≥0区
域有一匀强电场,场强大小为E,方向沿y 轴正方
向.一电子枪在O′处向圆筒内多个方向发射电子,
电子初速度方向均在xOy 平面内,且在x 轴正方
向的分速度大小均为v0.已知电子的质量为m、电
量为e,设电子始终未与筒壁碰撞,不计电子之间的
相互作用及电子的重力.
(1)若所有电子均能经过O 进入电场,求磁感应强
度B 的最小值;
(2)取(1)问中最小的磁感应强度B,若进入磁场中
电子的速度方向与x 轴正方向最大夹角为θ,求
tanθ的绝对值;
(3)取(1)问中最小的磁感应强度B,求电子在电场
中运动时y轴正方向的最大位移.
[解析] (1)电子在匀强磁场中运动时,将其分解
为沿x轴的匀速直线运动和在yOz 平面内的匀速
圆周运动,设电子入射时沿y 轴的分速度大小为
vy,由电子在x轴方向做匀速直线运动得L=v0t,
在yOz平面内,设电子做匀速圆周运动的半径为
R,周期为T,由牛顿第二定律知Bevy=m
v2y
R
,可得
R=
mvy
Be
,T=2πRvy
=2πmBe
,
由题意可知所有电子均能经过O 进入电场,
则有t=nT(n=1,2,3,),
联立得B=
2πnmv0
eL
,当n=1时,B 有最小值,可得
Bmin=
2πmv0
eL .
(2)如图所示,tanθ=
vy
v0
,
当tanθ有最大值时,vy 最大,R
最大,此时R=r,
又B=
2πmv0
eL
,R=
mvy
Be
,
联立可得vym=
2πv0r
L
,
tanθ=2πrL
,
(3)当vy 最大时,电子在电场中运动时沿y轴正方
向有最大位移ym,根据匀变速直线运动规律有
ym=
v2ym
2a
,
由牛顿第二定律知a=Eem
,
又vym=
2πv0r
L
,
联立得ym=
2π2r2v20m
EeL2
.
[答案] (1)
2πmv0
eL
(2)2πrL
(3)
2π2r2v20m
EeL2
992
第十一章 磁场