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- 2021-05-26 发布
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第2讲 磁场对运动电荷的作用
考点1 洛伦兹力的方向和大小
1.洛伦兹力:磁场对_________的作用力运动电荷
2.洛伦兹力的方向
(1)判断方法:左手定则.
磁感线垂直穿过_____
四指指向___________的方向
拇指指向___________________的方向
(2)方向特点:F⊥B,F⊥v.即F垂直于_____决定的平面.(注意:B
和v不一定垂直).
掌心
正电荷运动
正电荷所受洛伦兹力
B和v
3.洛伦兹力的大小
F=_________,θ为v与B的夹角,如图所示qvBsinθ
(1)v∥B时,θ=0°或180°,洛伦兹力F=__.
(2)v⊥B时,θ=90°,洛伦兹力F=____.
(3)v =0时,洛伦兹力F=__.
0
qvB
0
1.洛伦兹力方向的特点
(1)洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确
定的平面.
(2)当电荷运动方向发生变化时,洛伦兹力的方向也随之变化.
(3)用左手定则判断负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力方向时,
要注意判断结果与正电荷恰好相反.
2.洛伦兹力与电场力的比较
洛伦兹力F 电场力F
性质
产生条件
大小
力方向与场
方向的关系
做功情况
对 应 力
内
容
项 目
磁场对在其中运动电
荷的作用力
电场对放入其中电荷的
作用力
v≠0且v不与B平行
电场中的电荷一定受到
电场力作用
F=qvB(v⊥B) F=qE
一定是F⊥B,F⊥v
与电荷电性无关
正电荷受力与电场方向相同,
负电荷受力与电场方向相反
任何情况下都不做功 可能做正功、负功,也可
能不做功
初速度为v0的电子,沿平行于通电长直导线的方
向射出,直导线中电流方向与电子的初始运动方
向如图所示,则( )
A.电子将向右偏转,速率不变
B.电子将向左偏转,速率改变
C.电子将向左偏转,速率不变
D.电子将向右偏转,速率改变
【解析】选A.导线在电子附近产生的磁场方向垂直纸面向里,由
左手定则知,电子受到的洛伦兹力方向向右,电子向右偏转,但由
于洛伦兹力不做功,电子速率不变,A正确.
考点2 带电粒子在匀强磁场中的运动
1.洛伦兹力的特点
洛伦兹力不改变带电粒子速度的_____,或者说,洛伦兹力对带电
粒子不做功.
大小
2.粒子的运动性质
(1)若v0∥B,则粒子_____________,在磁场中做匀速直线运动.
(2)若v0⊥B,则带电粒子在匀强磁场中做_____________.
不受洛伦兹力
匀速圆周运动
3.半径和周期公式
(1)洛伦兹力方向总与速度方向垂直,正好起到了向心力的作用.
根据牛顿第二定律,表达式为 .
(2)半径公式r= ,周期公式T= .
2vqvB m r
__________
mv
qB____
2 m
qB
_____
1.圆心的确定
(1)基本思路:与速度方向垂直的直线和图中弦的中垂线一定过
圆心.
(2)两种常见情形.
①已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点分别作垂
直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道
的圆心(如图甲(a)所示,图中P为入射点,M为出射点).
②已知入射点和出射点的位置时,可以先通过入射点作入射方向
的垂线,再连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点
就是圆弧轨道的圆心(如图甲(b)所示,图中P为入射点,M为出射
点).
2.带电粒子在三种有界磁场中的运动
(1)直线边界(进出磁场具有对称性,如图乙).
(2)平行边界(存在临界条件,如图丙).
(3)圆形边界(沿径向射入必沿径向射出,如图丁).
3.运动时间的确定
粒子在磁场中运动一周的时间为T,当粒子运动的圆弧所对应的
圆心角为α时,其运动时间由下式表示:
t= (或) .T360
t T2
如图中MN表示真空室中垂直于纸面的平
板,它的一侧有匀强磁场,磁场方向垂直
于纸面向里,磁感应强度大小为B.一带
电粒子从平板上的狭缝O处以垂直于平
板的初速度v射入磁场区域,最后到达平
板上的P点.已知B、v以及P到O的距离l,不计重力,求此粒子的电
荷量q与质量m之比.
【解析】粒子初速度v垂直于磁场,粒子在磁
场中受洛伦兹力而做匀速圆周运动,设其半径
为R,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律,
有 因粒子经O点时的速度垂
直于OP,故OP为径,l=2R,由此得
答案:
2vqvB m R
q 2v
m B
l2v
Bl
考点3 质谱仪和回旋加速器
1.质谱仪
(1)构造:如图所示,由粒子源、_________、_________和照相
底片等构成.
加速电场 偏转磁场
(2)原理.
①电场中加速:根据动能定理qU= .
②磁场中偏转:粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转,做匀速圆
周运动,根据牛顿第二定律得关系式qvB= .
(3)应用:分析粒子的比荷 或质量,确定_______的存在.
21 mv2_____
2vm r_____q
m
同位素
2.回旋加速器
(1)构造:如图所示,D1、D2是半圆金属盒,D形盒的缝隙处接____
电源.D形盒处于匀强磁场中.
交流
(2)原理:交流电的周期和粒子做圆周运动的周期_____,粒子在
圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙,两盒间的电场强
度方向周期性地发生变化,粒子就会被一次一次地加速.
相等
1.根据质谱仪原理可以得出需要研究的物理量,如粒子轨道半径、
粒子质量、比荷等
(1) .
(2) .
(3) .
1 2mUr B q
2 2qr Bm 2U
2 2
q 2U
m B r
2.回旋加速器的最大动能
根据 ,得 ,可见,
(1)粒子最大动能与加速电压无关.
(2)最大动能由D形盒的最大半径和磁感应强度决定.
2mvqvB R
2 2 2
km
q B RE 2m
(多选)劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所
示.这台加速器由两个铜质D形盒构成,其间留有空隙.下列说法
正确的是( )
A.离子由加速器的中心附近进入加速器
B.离子由加速器的边缘进入加速器
C.离子从磁场中获得能量
D.离子从电场中获得能量
【解析】选A、D.离子在磁场中做匀速圆周运动,速度越大,轨
道半径越大,所以离子要从加速器的中心附近进入加速器.洛伦
兹力总是垂直于速度的方向,所以磁场是不对离子做功的,它
的作用只是改变离子的速度方向,而电场的作用才是加速离
子,使之获得能量.由此可见,选项A、D是正确的.
带电粒子在磁场中运动情况的讨论
【例证1】(多选)(2011·浙江高考)利用
如图所示装置可以选择一定速度范围内的
带电粒子.图中板MN上方是磁感应强度大
小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场,板
上有两条宽度分别为2d和d的缝,两缝近端
相距为L.一群质量为m、电荷量为q,具有不同速度的粒子从宽
度为2d的缝垂直于板MN进入磁场.对于能够从宽度为d的缝射出
的粒子,下列说法正确的是( )
A.粒子带正电
B.射出粒子的最大速度为
C.保持d和L不变,增大B,射出粒子的最大速度与最小速度之差增
大
D.保持d和B不变,增大L,射出粒子的最大速度与最小速度之差增
大
qB 3d L
2m
【解题指南】解答本题应注意以下两点:
(1)根据粒子偏转方向,由左手定则确定粒子带电性质.
(2)确定最大半径和最小半径,从而计算最大速度和最小速度分
析速度差.
【自主解答】选B、C.根据题意,粒子进入磁场后向右偏转,所受
洛伦兹力方向向右,根据左手定则,粒子应带负电,A错误.粒子能
够从右边缝中射出,则最大半径为 ,最小半径为 ,由于洛
伦兹力充当向心力,所以 ,可得:
所以, .分析可得,B、C正确,D错误.
3d L
2 2
L
22vBqv m r
max min
Bq 3d L BqLv ,v2m 2m
,
max min
3Bqdv v 2m
【互动探究】保持d、L不变,若先进入磁场的是电子,后改为质
子,要想使射出粒子速度之差的最大值保持不变,应怎样调整磁
场?
【解析】根据 ,质子比荷较小,故应增大磁感应强度
B.由于质子和电子电性相反,故还应将磁场的方向改为垂直于纸
面向外.
答案:见解析
3Bqdv 2m
【总结提升】带电粒子在磁场中运动情况的讨论
(1)粒子偏转方向由洛伦兹力方向决定,与磁场方向、粒子的速
度方向及带电正、负有关.
(2)粒子运动半径与速度大小、磁感应强度大小和比荷有关.
(3)粒子运动周期与速度大小无关,只与磁感应强度大小和比荷
有关.
带电粒子在不同有界匀强磁场中的运动
【例证2】(15分)如图所示,在空间有一直角
坐标系xOy,直线OP与x轴正方向的夹角
为30°,第一象限内有两个方向都垂直纸
面向外的匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ,直线OP是
它们的理想边界,OP上方区域Ⅰ中磁场的
磁感应强度为B.一质量为m,电荷量为q的质子(不计重力,不计质
子对磁场的影响)以速度v从O点沿与OP成30°角的方向垂直磁场
进入区域Ⅰ,质子先后通过磁场区域Ⅰ和Ⅱ后,恰好垂直打在x轴
上的Q点(图中未画出),试求:
【解题指南】解答本题应注意以下四点:
(1)根据边界条件和粒子入射方向确定粒子在磁场中运动的轨迹、
圆心、圆心角等.
(2)根据几何关系确定粒子运动轨迹的半径.
(3)根据洛伦兹力提供向心力列出关系式确定区域Ⅱ的磁感应强
度.
(4)根据几何关系确定Q点到O点的距离.
(1)区域Ⅱ中磁场的磁感应强度大小;
(2)Q点到O点的距离.
【规范解答】(1)设质子在匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ中做匀速圆周运
动的轨道半径分别为r1和r2,区域Ⅱ中磁感应强度为B′,由牛顿
第二定律得
qvB= (2分)
qvB′= (2分)
2
1
vm r 2
2
vm r
质子在两区域运动的轨迹如图所示,
由几何关系可知,质子从A点出匀强磁场区域Ⅰ时的速度方向与
OP的夹角为30°,故质子在匀强磁场区域Ⅰ中运动轨迹对应的圆
心角为θ=60°
则△O1OA为等边三角形,即OA=r1
(2分)
r2=OAsin30°= r1 (2分)
解得区域Ⅱ中磁感应强度为B′=2B (2分)
(2)Q点到O点的距离为
(5分)
答案:(1)2B (2)
1
2
2
3 1 mvx OAcos30 r ( ) .2 qB
3 1 mv ( )2 qB
【总结提升】带电粒子在匀强磁场中运动问题的规范求解
1.一般解题步骤
(1)分析磁场的边界条件,结合粒子进出磁场的条件画出带电粒
子运动轨迹,确定圆心.根据几何关系求解半径、圆心角等.
(2)根据洛伦兹力提供向心力建立动力学方程,分析已知量和未
知量的关系.
(3)求解未知量,并进行必要的分析验证.
2.三点注意
(1)不同边界条件,粒子运动临界条件不同,应画图加以说明.
(2)所用几何关系不需要进行证明.
(3)多个粒子参与运动,运动过程比较复杂时,各物理量符号要提
前设定,以免混淆.
【变式训练】如图所示,在直角坐标系的第Ⅱ象限和第Ⅳ象限中
的直角三角形区域内,分布着磁感应强度均为B=5.0×10-3 T的
匀强磁场,方向分别垂直纸面向外和向里.质量为m=6.64×
10-27 kg、电荷量为q=+3.2×10-19 C的α粒子(不计α粒子的重
力),由静止开始经加速电压为U=1 205 V的电场(图中未画出)
加速后,从坐标点M(-4, )处平行于x轴向右运动,并先后通过
两个匀强磁场区域.
2
(1)求α粒子在磁场中的运动半径;
(2)在图中画出α粒子从直线x=-4到直线x=4之间的运动轨迹,并
在图中标明轨迹与直线x=4交点的坐标;
(3)求出α粒子在两个磁场区域偏转所用的总时间.
【解析】(1)粒子在电场中被加速,
由动能定理得
α粒子在磁场中偏转,由牛顿第二定律得
联立解得
21qU mv2
2vqvB m r
27
19
1 2mU 1 2 6.64 10 1 205r 2 m .B q 0.005 3.2 10
(2)由几何关系可得,α粒子恰好垂直穿过分界线,故正确图象如
图所示.
(3)带电粒子在磁场中的运动周期
α粒子在两个磁场中分别偏转的弧度为 ,在磁场中的运动总时
间
=
答案:(1) m (2)见解析 (3)6.5×10-6 s
2 r 2 mT v qB
4
1 mt T4 2qB
27
6
19 3
3.14 6.64 10 6.5 10 s .2 3.2 10 5 10
2
【变式备选】在真空中,半径为R的圆形
区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场,
磁感应强度大小为B,在此区域外围
足够大空间有垂直纸面向里的大小也
为B的匀强磁场,一个带正电的粒子
从边界上的P点沿半径向外,以速度v0进入外围磁场,已知带电
粒子质量m=2×10-10 kg,带电量q=5×10-6 C,不计重力,磁感
应强度B=1 T,粒子运动速度v0=5×103 m/s,圆形区域半径
R=0.2 m,试画出粒子运动轨迹并求出粒子第一次回到P点所需
时间(计算结果可以用π表示).
【解析】由洛伦兹力提供向心力:
qv0B=
r=0.2 m=R
2
0mv
r
轨迹如图所示.
T=
运动周期为t=2T=16π×10-5 s
答案:轨迹见解析图 16π×10-5 s
5
0
2 r 8 10 sv
带电粒子在磁场中运动的实际应用
【例证3】回旋加速器是用于加速带电粒
子流,使之获得很大动能的仪器,其核心
部分是两个D形金属扁盒,两盒分别和一
高频交流电源两极相接,以便在盒间狭缝
中形成匀强电场,使粒子每次穿过狭缝都
得到加速;两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面,粒子
源置于盒的圆心附近,若粒子源射出的粒子电荷量为q、质量为
m,粒子最大回旋半径为Rm,磁场的磁感应强度为B,其运动轨
迹如图所示,问:
(1)粒子在盒内磁场中做何种运动?
(2)粒子在两盒间狭缝内做何种运动?
(3)所加交变电压频率为多大?粒子运动角速度为多大?
(4)粒子离开加速器时速度为多大?
(5)设两D形盒间电场的电势差为U,盒间距离为d,求加速到上
述能量所需的时间.
【解题指南】在回旋加速器中,粒子处于电磁场中,在电场中
被加速做直线运动,在磁场中偏转做匀速圆周运动.粒子在电场
中被加速的时间极短,磁场中做圆周运动的周期应和所加交变
电压周期一致.D形盒的半径决定粒子的最大速度,粒子每旋转
一周增加能量为2qU,由最终的能量可求出粒子被加速的次数.
【自主解答】(1)D形盒由金属导体制成,可屏蔽外电场,因而盒
内无电场.盒内存在垂直盒面的磁场,故粒子在盒内磁场中做匀
速圆周运动.
(2)两盒间狭缝内存在匀强电场,且粒子速度方向与电场方向在
同一条直线上,故粒子做匀加速直线运动.
(3)粒子在电场中运动时间极短,高频交变电压频率要符合粒子
回旋频率
回旋频率
角速度 .
(4)因粒子最大回旋半径为Rm,故
Rm= ,即vm= .
1 qBf T 2 m
qB2 f m
mmv
qB
mqBR
m
(5)粒子每旋转一周增加能量为2qU,设粒子在加速器中回旋次
数为n,则
n=
粒子在磁场中运动时间为
t1=
2
m
1 mv n 2qU2
2
2 2m
m
1 mv qB R2
2qU 4mU
2 2 2
m mqB R BR2 mnT 4Um qB 2U
粒子在电场中的运动可等效为初速度为零的匀加速直线运动,
设其运动时间为t2.
粒子在回旋加速器中运动的总时间为
t=t1+t2=
答案:(1)、(2)见自主解答
(3) (4) (5)
2
2 m
2 2
dBR1 Uq 4n d m2n d t t2 dm qU U
,
m mBR 2d R .2U
qB
2 m
qB
m
mqBR
m
m mBR 2d R
2U
【总结提升】洛伦兹力应用问题的分析方法
(1)洛伦兹力的应用包括回旋加速器、质谱仪、速度选择器等
(2)回旋加速器中经常遇到的问题是粒子获得的最大动能、加速
的次数、运动时间等,分析的方法是电场对粒子加速,每次做功
相同,粒子在磁场中做匀速圆周运动,周期相同,其半径最大时动
能最大
(3)质谱仪中粒子在磁场中运动的轨迹不同,其原因是粒子的质
量不同
【变式训练】(多选)(2012·扬州模拟)如图
所示,带有正电荷的A粒子和B粒子同时以同
样大小的速度从宽度为d的有界匀强磁场的
边界上的O点分别以30°和60°(与边界
的夹角)射入磁场,又恰好不从另一边界
飞出,则下列说法中正确的是( )
A.A、B两粒子在磁场中做圆周运动的半径之比是
B.A、B两粒子在磁场中做圆周运动的半径之比是
C.A、B两粒子的 之比是
D.A、B两粒子的 之比是
1
3
3
2 3
m
q
1
3
m
q
3
2 3
【解析】选B、D.RAcos30°+RA=d,RBcos60°+RB=d,
解得 A错B对;因 故 故
C错D对.
A
B
R 1 cos60 3 ,R 1 cos30 2 3
mvR ,qB
m RB R,q v
A A
B B
m / q 3
m / q 2 3
,
【例证】如图甲所示,MN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:
考查内容 带电粒子在磁场中运动的多解问题
(1)磁感应强度B0的大小.
(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.
【规范解答】设垂直于纸面向里的磁场方向为正方向.
(1)正离子射入磁场,洛伦兹力提供向心力
B0qv0=
做匀速圆周运动的周期T0=
由两式得磁感应强度B0=
2
0mv
R
0
2 R
v
0
2 m
qT
(2)要使正离子从O′孔垂直于N板射出磁场,v0的方向应如图所
示,
两板之间正离子只运动一个周期即T0时,有
当两板之间正离子运动n个周期,即nT0时,
有R= (n=1,2,3…)
联立求解,得正离子的速度的可能值为
v0= (n=1,2,3…)
答案:(1) (2) (n=1,2,3…)
dR 4
d
4n
0
0
B qR d
m 2nT
0
2 m
qT
0
d
2nT
1.(多选)如图所示,带负电的粒子以速度
v从粒子源P处射出,若图中匀强磁场范围
足够大(方向垂直纸面),则带电粒子的可
能轨迹是( )
A.a B.b C.c D.d
【解析】选B、D.根据磁场方向(可能垂直纸面向里,也可能垂直
纸面向外)和粒子速度方向,由于粒子带负电,应用左手定则可以
确定洛伦兹力方向向左或向右,故圆心在P点左边或右边,B、D正
确.
2.如图所示,MN为两个匀强磁场的分
界面,两磁场的磁感应强度大小的关
系为B1=2B2,一带电荷量为+q、质量为
m的粒子从O点垂直MN进入磁感应强度
为B1的磁场,则经过多长时间它将向
下再一次通过O点( )
A. B.
C. D. 1
2 m
qB
2
2 m
qB
1 2
2 m q(B B )
1 2
m
q(B B )
【解析】选B.粒子在磁场中的运动轨迹
如图所示.由周期公式T= 知,
粒子从O点进入磁场到再一次通过O点的
时间 ,所以B选项正确.
2 m
qB
1 2 2
2 m m 2 mt qB qB qB
3.(2012·镇江模拟)如图所示,在x轴上
方存在着垂直于纸面向里、磁感应强度
为B的匀强磁场,一个不计重力的带电粒
子从坐标原点O处以速度v进入磁场,粒
子进入磁场时的速度方向垂直于磁场
且与x轴正方向成120°角,若粒子穿过y轴正半轴后在磁场中到x
轴的最大距离为a,则该粒子的比荷和所带电荷的正负是( )
A. ,正电荷 B. ,正电荷
C. ,负电荷 D. ,负电荷
3v
2aB
v
2aB
3v
2aB
v
2aB
【解析】选C.由题意可知粒子向右侧偏转,
洛伦兹力指向运动方向的右侧,由左手定则
可判定粒子带负电,作出粒子运动轨迹示意
图如图.根据几何关系有r+rsin30°=a,
再结合半径表达式r= 可得 ,故C项正确.mv
qB
q 3v
m 2aB
4.如图是质谱仪工作原理的示意图.
带电粒子a、b经电压U加速(在A点初
速度为零)后,进入磁感应强度为B的
匀强磁场做匀速圆周运动,最后分别
打在感光板S上的x1、x2处.图中半圆形的虚线分别表示带电粒
子a、b所通过的路径,则( )
A.a的质量一定大于b的质量
B.a的电荷量一定大于b的电荷量
C.a运动的时间大于b运动的时间
D.a的比荷(qa/ma)大于b的比荷(qb/mb)
【解析】选D.根据动能定理qU= mv2,再根据牛顿第二定律
qvB= ,解得:r= ,由于x2>x1,故r2>r1,即a的比荷大
于b的比荷,故A、B错误,D正确.再根据t= ,a的运动时间
小于b的运动时间,C错误.
1
2
2mv
r
1 2mU
B q
1 mT2 qB
5.电子质量为m、电荷量为q,以速度v0与
x轴成θ角射入磁感应强度为B的匀强磁
场中,最后落在x轴上的P点,如图所示,
求:
(1) 的长度;
(2)电子从由O点射入到落在P点所需的时间t.
OP
【解析】(1)过O点和P点作速度方向的垂
线,两线交点C即为电子在磁场中做匀速
圆周运动的圆心,如图所示,
则可知 =2R·sinθ
Bqv0=
解得:
OP
2
0vm R
02mvOP sinBq
(2)由图中可知:2θ=ωt= t
又v0=ωR=
解得:t=
答案:(1) (2)
2
T
2 R
T
2 m .Bq
02mv sinBq
2 m
Bq
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