字词模式
句模式
段模式
系统设置
更多按钮
网址切换
保存状态
用户反馈
页面收藏
-AA+
带电粒子在洛伦兹力作用下的多解问题

1.解决多解性问题的注意事项:

( 1)分析题目特点,确定题目多解性形成的原因.

( 2)作出粒子运动轨迹示意图(全面考虑多种可能性).

( 3)如果是周期性重复的多解问题,应列出通项式,如果是出现几种解的可能性,注意每种解出现的条件.

2.当带电粒子在分区域匀强电场、匀强磁场运动时,应注意:

( 1)分清运动过程,明确各过程的运动性质.一般情况下,带电粒子在电场中做类平抛运动,在匀强磁场中做匀速圆周运动.

注意这两种运动轨迹都是曲线,但性质不同.

( 2)在分析问题时,应注意培养思维的逻辑性,按顺序往后分析.要学会进行推理与判断.

3. 带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,由于多种因素的影响,使问题形成多解,多解形成原因一般包含下述几个方面:

( 1)带电粒子电性不确定形成多解;

( 2)磁场方向不确定形成多解;

( 3)临界状态不唯一形成多解;

( 4)运动的重复性形成多解。

4.下面就以上四个方面进行讲解:

( 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,可能带正电荷,也可能带负电荷,在相同的初速度下,正、负粒子在磁场中运动轨迹不同,导致形成双解.

【例 1】如图所示,第一象限范围内有垂直于 xOy平面的匀强磁场,磁感应强度为 B质量为 m,电量大小为 q的带电粒子在 xOy平面里经原点 O射入磁场中,初速度 v0x轴夹角θ= 600 ,试分析计算:

1)带电粒子从何处离开磁场,其穿越磁场时运动方向发生的偏转角多大?

2)带电粒子在磁场中运动时间多长?

分析:如下图所示

若带电粒子带负电,进入磁场后做匀速圆周运动,圆心为 O 1,粒子向 x轴偏转,并从 A点离开磁场。

若带电粒子带正电,进入磁场后做匀速圆周运动,圆心为 O 2,粒子向 y轴偏转,并从 B点离开磁场。不论粒子带何种电荷,其运动轨道半径均为,

且有 O 1 O= O 2 O= OB= ROA=

带电粒子沿半径为 R的圆周运动一周所用的时间为

解:( 1)若粒子带负电,它将从 x轴上 A点离开磁场,运动方向发生的偏转角θ 1= 1200 A点与 O点相距:

若粒子带正电,它将从 y轴上 B点离开磁场,运动方向发生的偏转角θ 2= 600B点与 O点相距:

( 2)若粒子带负电,它从 OA所用的时间为

若粒子带正电,它从 OB所用的时间为

( 2)磁场方向不确定形成多解:有些题目只告诉了磁感应强度大小,而未具体指出磁感应强度方向,此时必须要考虑磁感应强度方向,由磁场方向不确定而形成的双解.

【例 2】一质量为 m,电量为 q的负电荷在磁感应强度为 B的匀强磁场中绕固定的正电荷沿固定的光滑轨道做匀速圆周运动,若磁场方向垂直于它的运动平面,且作用在负电荷的电场力恰好是磁场力的 3倍,则负电荷做圆周运动的角速度可能是()

A.

B.

C.

D.

分析:依题中条件“磁场方向垂直于它的运动平面”,磁场方向有两种可能,且这两种可能方向相反。

在方向相反的两个匀强磁场中,由左手定则可知负电荷所受的洛仑兹力的方向也是相反的。

当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相同时,

根据牛顿第二定律可知

此种情况下,负电荷运动的角速度为

当负电荷所受的洛仑兹力与电场力方向相反时,

此种情况下,负电荷运动的角速度为

应选 AC

答案: AC

( 3)临界状态不唯一形成多解: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,它可能穿过磁场,可能转过 180°从入射界面这边反向飞出,如图 3所示,于是形成多解.

3

【例 3】如下图所示,一带正电的质子以速度 v0O点垂直射入,两个板间存在垂直纸面向里的匀强磁场.已知两板之间距离为 d,板长为 dO点是板的正中间,为使粒子能从两板间射出,试求磁感应强度 B应满足的条件(已知质子的带电荷量为 e,质量为 m).

解析: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,它可能穿过磁场,可能转过 180°从入射界面这边反向飞出。

1)粒子穿过磁场

此时粒子的运动轨迹如下图所示的虚线

轨迹半径为 R 1= d /4,

f= e v0 B 1= m v0 2/ R 1

B 1=

2)粒子转过 180°从入射界面这边反向飞出

此时粒子的运动轨迹如下图所示的黑色虚线

由几何知识可得出 R 2= 5 d /4

f= e v0 B 2= m v0 2/ R 2

B 2=

综上可得

答案:

( 4)运动的重复性形成多解:带电粒子在部分是电场、部分是磁场空间运动时,往往运动具有往复性,因而形成多解.

【例 4】如图所示,在 x轴上方有一匀强电场,场强为 E,方向竖直向下。x轴下方有一匀强磁场,磁感应强度为 B,方向垂直纸面向里。x轴上有一点 P,离原点的距离为 a现有一带电量+ q的粒子,质量为 m,从静止开始释放,要使粒子能经过 P点,其初始坐标应满足什么条件?(重力作用忽略不计)

分析:要使粒子能经过 P点,其初始位置必须在匀强电场区域里。由于没有明确粒子所在位置,讨论如下:

1)若粒子从 y轴上由静止释放,在电场加速下沿 y轴从原点 O进入磁场做半径为 R的匀速圆周运动。由于粒子可能偏转一个、二个……半圆到达 P点,

a= 2 nR( n= 1,2…)①

设释放处距 O的距离为 y 1,则有

由①、②、③式有

( 2)若粒子在电场中的起点坐标为( xy 2),依题意,有

x> a,粒子不可能经过 P点;

x= a,不论取值如何,粒子均能经过 P点;

x< a,则

同理可得: