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高中物理:帶電粒子在磁場中的圓周運動的多解型問題

 太極混元天尊 2018-03-29

抓住多解的產(chǎn)生原因:

①速度方向的不確定引起的多解。

②與自然數(shù)相關的多解即粒子運動時間與運動周期的倍數(shù)不確定。


例1、如圖所示S為電子射線源能在圖示紙面上和360°范圍內(nèi)向各個方向發(fā)射速率相等的質(zhì)量為m、帶電-e的電子,MN是一塊足夠大的豎直檔板且與S的水平距離OS=L,檔板左側充滿垂直紙面向里的勻強磁場;①若電子的發(fā)射速率為V0,要使電子一定能經(jīng)過點O,則磁場的磁感應強度B的條件?②若磁場的磁感應強度為B,要使S發(fā)射出的電子能到達檔板,則電子的發(fā)射速率多大?③若磁場的磁感應強度為B,從S發(fā)射出的電子的速度為,則檔板上出現(xiàn)電子的范圍多大?

分析:電子從點S發(fā)出后必受到洛侖茲力作用而在紙面上作勻速圓周運動,由于電子從點S射出的方向不同將使其受洛侖茲力方向不同,導致電子的軌跡不同,分析知只有從點S向與SO成銳角且位于SO上方發(fā)射出的電子才可能經(jīng)過點O。

①要使電子一定能經(jīng)過點O,即SO為圓周的一條弦,則電子圓周運動的軌道半徑必滿足,由。

②要使電子從S發(fā)出后能到達檔板,則電子至少能到達檔板上的O點,故仍有粒子圓周運動半徑,由。

③當從S發(fā)出的電子的速度為時,電子在磁場中的運動軌跡半徑,但由于電子發(fā)射出的方向不同則其軌道不同,因而到達MN板的位置不同。由此作出圖示的二臨界軌跡,故電子擊中檔板的范圍在P1P2間;對SP1弧由圖知,且該電子的發(fā)射方向與SO必成30°向SO下方發(fā)射;對SP2弧由圖知,且該電子的發(fā)射方向與SO成α為而向SO的左上方發(fā)射。

例2、在“例1”中若將檔板取走,磁場磁感應強度為B,當電子以速率從點S射出后要擊中O點,則點S處電子的射出方向與OS的夾角為多少?從S到點O的時間多少?

分析:由已知條件知電子圓周運動的半徑,電子從點S射出后要經(jīng)過點O即直線SO為圓的一條弦,由圖知必有兩種運動軌跡存在;由于題中SO=L=r,故∠OSO2=60°,那么電子從點S的發(fā)射速度V2的方向與SO所成的夾角α=30°;圖中∠OSO1=60°,故電子的發(fā)射速度V1的方向與SO所成的夾角θ=150°。

例3、一質(zhì)量m帶電q的粒子以速率V垂直射入磁感應強度為B的勻強磁場中,粒子經(jīng)過一段時間受到的沖量的大小為mv,粒子重力不計。則此過程經(jīng)歷的時間為多少?

分析:粒子在磁場中作勻速圓周運動的半徑,右圖示設粒子的初位置為a,因其受沖量的大小為mv而方向未知故必有右圖中的兩種情況,即未動量的方向有P1、P2兩個,對應的沖量方向仍有I1、I2兩個。粒子作勻速圓周運動中動量的大小始終為mv不變,由動量定理可知;故粒子在該過程中經(jīng)歷的時間為,,其中。


例4、在半徑為r的圓筒中有沿筒軸線方向的勻強磁場,磁感應強度為B;一質(zhì)量為m帶電+q的粒子以速度V從筒壁A處沿半徑方向垂直于磁場射入筒中;若它在筒中只受洛侖茲力作用且與筒壁發(fā)生彈性碰撞,欲使粒子與筒壁連續(xù)相碰撞并繞筒壁一周后仍從A處射出;則B必須滿足什么條件?帶電粒子在磁場中的運動時間?

分析:由于粒子從A處沿半徑射入磁場后必作勻速圓周運動,要使粒子又從A處沿半徑方向射向磁場,且粒子與筒壁的碰撞次數(shù)未知,故設粒子與筒壁的碰撞次數(shù)為n(不含返回A處并從A處射出的一次),由圖可知,其中n為大于或等于2的整數(shù)(當n=1時即粒子必沿圓O的直徑作直線運動,表示此時B=0);由圖知粒子圓周運動的半徑R為,再由粒子在磁場中的運動半徑可求出。

粒子在磁場中的運動周期為,粒子每碰撞一次在磁場中轉過的角度由圖得,粒子從A射入磁場再從A沿半徑射出磁場的過程中將經(jīng)過n+1段圓弧,故粒子運動的總時間為:,將前面B代入T后與共同代入前式得

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