带电粒子在磁场中运动最小面积问题.doc
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带电粒子在磁场中运动最小面积问题
例1.在xOy平面内有许多电子(质量为m,电荷量为e),从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.
例2.一质量为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.
例3.一个质量为m,带+q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。
为了使该粒子能在AC边上的N点图示(CM=CN)垂直于AC边飞出三角形ABC,可在适当的位置加一个垂直于纸面向里,磁感应强度为B的匀强磁场.若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内,且不计粒子的重力.试求:
(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T;
(2)该粒子在磁场里运动的时间t;
(3)该正三角形磁场区域的最小边长;
针对训练
1.(09年海南高考)如图甲所示,ABCD是边长为a的正方形.质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域.在正方形内适当区域中有匀强磁场.电子从BC边上的任意点入射,都只能从A点射出磁场.不计重力,求:
(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向.
(2)此匀强磁场区域的最小面积.
2.(09年福建卷)图为可测定比荷的某装置的简化示意图,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口,在Y上安放接收器,现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104m/s的速率从P处射入磁场,若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M处被观测到,且运动轨迹半径恰好最小,设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。
(1)求上述粒子的比荷q/m
(2)如果在上述粒子运动过程中的某个时刻,在第一象限内再加一个匀强电场,就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动,求该匀强电场的场强大小和方向,并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场;
(3)为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子,在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内,求此矩形磁场区域的最小面积,并在图中画出该矩形。
3、(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。
4.[2010·宁波模拟]如图甲所示,水平放置的平行金属板A和B间的距离为d,板长L=2d,B板的右侧边缘恰好是倾斜挡板NM上的一个小孔K,NM与水平挡板NP成60°角,K与N间的距离K=a.现有质量为m、带正电且电荷量为q的粒子组成的粒子束,从AB的中点O以平行于金属板方向OO′的速度v0不断射入,不计粒子所受的重力.
(1)若在A、B板上加一恒定电压U=U0,则要使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K,求U0的大小.
(2)若在A、B板上加上如图乙所示的电压,电压为正表示A板比B板的电势高,其中T=,且粒子只在0~时间内入射,则能打到小孔K的粒子在何时从O点射入?
(3)在NM和NP两挡板所夹的某一区域存在一垂直纸面向里的匀强磁场,使满足条件
(2)从小孔K飞入的粒子经过磁场偏转后能垂直打到水平挡板NP上(之前与挡板没有碰撞),求该磁场的磁感应强度的最小值.
5.如图,一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动,经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B的最小的圆形匀强磁场区域(图中未画出磁场区域),粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L的匀强电场,电场强度大小为E,方向竖直向上.当粒子穿出电场时速率变为原来的倍.已知带电粒子的质量为m,电荷量为q,重力不计.粒子进入磁场前的速度与水平方向成θ=60°角.试回答:
(1)粒子带什么电?
(2)带电粒子在磁场中运动时速度多大?
(3)该最小的圆形磁场区域的面积为多大?
参考答案
例1.在xOy平面内有许多电子(质量为m,电荷量为e),从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.
解:
由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R=mv0/Be是确定的,设磁场区域足够大,作出电子可能的运动轨道如图所示,因为电子只能向
第一象限平面内发射,所以电子运动的最上面一条轨迹必为圆O1,它就是磁场的上边界。
其它各圆轨迹的圆心所连成的线必为以点O为圆心,以R为半径的圆弧O1O2On。
由于要求所有电子均平行于x轴向右飞出磁场,故由几何知识有电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。
如对图中任一轨迹圆O2而言,要使电子能平行于x轴向右飞出磁场,过O2作弦的垂线O2A,则电子必将从点A飞出,相当于将此轨迹的圆心O2沿y方向平移了半径R即为此电子的出场位置。
由此可见我们将轨迹的圆心组成的圆弧O1O2On沿y方向向上平移了半径R后所在的位置即为磁场的下边界,图中圆弧OAP示。
综上所述,要求的磁场的最小区域为弧OAP与弧OBP所围。
利用正方形OO1PC的面积减去扇形OO1P的面积即为OBPC的面积;即R2-πR2/4。
根据几何关系有最小磁场区域的面积为S=2(R2-πR2/4)=(π/2-1)(mv0/Be)2。
例2.一质量为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.
解析:
(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R=
由图可知∠aO′b=60°
磁场区域最小半径
r=Rcos30°=
磁场区域最小面积S=πr2=.
(2)由O到a过程所经历的时间t1=
由几何关系得ab=R=
粒子由a到b所经历的时间t2==
∴粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间
t=t1+t2=(π+).
(3)因为sin30°=,
∴O′b=2R得Ob=3R=
故b点的坐标为(,0).
例3、一个质量为m,带+q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。
为了使该粒子能在AC边上的N点图示(CM=CN)垂直于AC边飞出三角形ABC,可在适当的位置加一个垂直于纸面向里,磁感应强度为B的匀强磁场.若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内,且不计粒子的重力.试求:
(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T;
(2)该粒子在磁场里运动的时间t;
(3)该正三角形磁场区域的最小边长;
针对训练
1.如图甲所示,ABCD是边长为a的正方形.质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域.在正方形内适当区域中有匀强磁场.电子从BC边上的任意点入射,都只能从A点射出磁场.不计重力,求:
甲
(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向.
(2)此匀强磁场区域的最小面积.
【答案】
(1) 方向垂直纸面向外
(2)a2
2.(09年福建卷)22.(20分)图为可测定比荷的某装置的简化示意图,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口,在Y上安放接收器,现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104m/s的速率从P处射入磁场,若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M处被观测到,且运动轨迹半径恰好最小,设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。
(1)求上述粒子的比荷;
(2)如果在上述粒子运动过程中的某个时刻,在第一象限内再加一个匀强电场,就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动,求该匀强电场的场强大小和方向,并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场;
(3)为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子,在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内,求此矩形磁场区域的最小面积,并在图中画出该矩形。
答案
(1)=4.9×C/kg(或5.0×C/kg);
(2);(3)
解析:
第
(1)问本题考查带电粒子在磁场中的运动。
第
(2)问涉及到复合场(速度选择器模型)第(3)问是带电粒子在有界磁场(矩形区域)中的运动。
(1)设粒子在磁场中的运动半径为r。
如图甲,依题意M、P连线即为该粒子在磁场中作匀速圆周运动的直径,由几何关系得
①
由洛伦兹力提供粒子在磁场中作匀速圆周运动的向心力,可得
②
联立①②并代入数据得
=4.9×C/kg(或5.0×C/kg)③
(2)设所加电场的场强大小为E。
如图乙,当粒子子经过Q点时,速度沿y轴正方向,依题意,在此时加入沿x轴正方向的匀强电场,电场力与此时洛伦兹力平衡,则有
④
代入数据得
⑤
所加电场的长枪方向沿x轴正方向。
由几何关系可知,圆弧PQ所对应的圆心角为45°,设带点粒子做匀速圆周运动的周期为T,所求时间为t,则有
⑥
⑦
联立①⑥⑦并代入数据得
⑧
(3)如图丙,所求的最小矩形是,该区域面积
⑨
联立①⑨并代入数据得
矩形如图丙中(虚线)、
3、(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