匀强磁场中两例运动学问题的深入分析

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  摘要:为了让学生真正体会某些复杂运动的过程,通过利用在线网络画板将两道例题进行深入分析并展示,并由数学证明让学生简单体会学科交融的思想。
  关键词:带电粒子的运动;匀强磁场;临界问题;多解问题
  为了更好的研究运动的规律,尤其是带电粒子在磁场中的运动的临界问题,我们可以用“网络画板”(www.netpad.net.cn)或者“几何画板”来解决,再利用数学知识加以证明,让学生真正体会这种身临其境的感觉。
  一、圆形磁场边界的临界问题
  例:半径为R、2R的两个同心圆,圆心为O,大圆和小圆之间区域有垂直于纸面向外的匀强磁场,其余区域无磁场。一重力不计的带电粒子从大圆边缘的P点沿与PO连线成某一夹角θ(θ>45°)以速度v射入磁场,若恰好不进入小圆,求半径的取值范围?
  分析:一看到此题的关键条件“若恰好不进入小圆”,我们脑海里应该会想到两个临界位置,外切与内切以N、M分别为外切与内切的切点,O为轨迹圆心,设图1中轨迹半径为r1,图2中轨迹半径为r2,显然:
  但是半径的取值范围是否为(r1,r2)呢?其实不然,我们不妨移动圆心O’,看另外一种情况(如图1)
  在图1中,不断改变轨迹圆心O’的位置并保证轨迹圆与小圆相切,可以无限增大半径r,因此轨迹圆与小圆外切时,r取值范围为:
  那么内切时的范围是否也类似呢?通过改变轨迹圆心的位置发现半径r2为内切情形的最小值,我们不妨研究一下当θ=45°时的临界情况(如图2);
  在图2中,设轨迹半径为r3,根据几何关系,在△POO’中,由余弦定理不难得到以下方程:
  因此,轨迹圆与小圆内切时,半径的取值范围为:
  综合(2)(4)可以发现,最终取值范围即是(2).
  二、带电粒子在组合场中的运动
  例:某兴趣小组用带电粒子在如图所示的电场和磁场中模拟蜜蜂的8字形运动,即在y>0的空间中和y<0的空间内同时存在着如下图所示大小相等,方向相反的匀强电场,上、下电场以x轴为分界线,y轴左侧和图中竖直虚线MN右侧均无电场,但有方向垂直纸面向里、和向外的大小相等的匀强磁场,MN与y轴的距离为2d.一重力不计的负电荷从y轴上的P(0,d)点以沿x轴正方向的初速度v0开始运动,经过一段时间后,又以相同的速度回到P点,则下列说法正确的是( )
  分析:本题一眼看去仿佛一个多解问题,带电粒子从P点开始做一个类平抛运动,设在x轴上方的电场中运动时的水平位移为x1,不难得到以下方程:
  带电粒子在左侧磁场运动时半径为d,速度大小为v0,因此可以得到以下方程:
  联立(5)(6)两式可得,
  三、结论
  本文主要通过对学生存在的误区进行探讨,目的在于让学生了解其本质,同时培养其逻辑性,通过好玩生动的工具让学生对物理产生兴趣。在教学中,我们应该对某些问题的本质进行二次探讨,也许在矛盾中就会有意想不到的收获!
  参考文献
  [1]孟憲松,陈景太.MATLAB软件在中学物理中应用举例[J].中学物理(高中版),2012,30(6):40-41.
  [2]许国梁.中学物理教学法[M].高等教育出版社,1981.
  重庆市云阳双江中学校
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