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带电粒子做完整圆周运动时往往比较简单,但粒子如进入一有界磁场,其运动轨迹将是一段圆弧,这样的问题比较复杂,难度较大,同时也是高考的考查重点,处理方法一般有以下几种。
1.圆心的确定
方法1:若已知粒子轨迹上的两点的速度方向,则可根据洛伦兹力F⊥v,分别确定两点处洛伦兹力F的方向,其交点即为圆心。
方法2:若已知粒子轨迹上的两点和其中一点的速度方向,则可作出此两点的连线(即过这两点的圆弧的弦)的中垂线,再画出已知点v的垂线,中垂线与垂线的交点即为圆心
方法3:若已知粒子轨迹上的两点和能求得的半径R,则可作出此两点连线的中垂线,从连线的端点到中垂线上的距离为R的点即为圆心。
方法4:若已知粒子入射方向和出射方向,以及轨迹半径R,但不知粒子的运动轨迹,则可作出此两速度方向夹角的平分线,在角平分线上与两速度方向直线的距离为R的点即为圆心。
方法5:若已知粒子圆周运动轨迹上的两条弦,则两条弦的中垂线的交点即为圆心。
2.半徑的确定和计算
半径的计算一般可利用几何知识,通过解三角形的办法求解,并注意以下几何特点:
(1)粒子速度的偏向角φ等于圆心角α,并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍,即φ=α=2θ。如图1所示:
(2)相对的余切角θ 相等,与相邻的弦切角θ′互补,θ+θ′=180°。
3.运动时间的确定
利用圆心角与弦切角的关系,或者利用四边形的内角和等于360°计算出圆心角的大小。若α用角表示,则t=θ/360°·T。若α用弧度表示,则t=T·α/2π,可求出粒子在磁场中的运动时间
例1:如图2所示,在y<0的区域内存在匀强磁场,磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外,磁感强度为B,一带正电的粒子以速度V从O点射入磁场,入射方向在xy平面内,与x轴正方向的夹角为θ,若粒子射出磁场的位置与O点的距离为l,求该粒子的电量和质量之比q/m。
圆心位于OA的中垂线上,由图3所示几何关系得L/2=Rsinθ ②
例2:图4中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线,在平面右侧的半空间存在一磁感强度为B的匀强磁场,方向垂直纸面向外是MN上的一点,从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为θ的粒子,粒于射入磁场时的速度可在纸面内各个方向已知先后射人的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇,P到0的距离为L,不计重力及粒子间的相互作用。
(1)求所考察的粒子在磁场中的轨道径。
(2)求这两个粒子从O点射人磁场的时间间隔。
(2)如图5所示,以OP为弦可画两个半径相同的圆,分别表示在P点相遇的两个粒子的轨道。圆心和直径分别为O因Rcos(θ/2)=1/2L
得θ=2arccos(L/2R) ③
由①、①、③三式得:
△t=4marccos(lqB/2mv)/qB
1.圆心的确定
方法1:若已知粒子轨迹上的两点的速度方向,则可根据洛伦兹力F⊥v,分别确定两点处洛伦兹力F的方向,其交点即为圆心。
方法2:若已知粒子轨迹上的两点和其中一点的速度方向,则可作出此两点的连线(即过这两点的圆弧的弦)的中垂线,再画出已知点v的垂线,中垂线与垂线的交点即为圆心
方法3:若已知粒子轨迹上的两点和能求得的半径R,则可作出此两点连线的中垂线,从连线的端点到中垂线上的距离为R的点即为圆心。
方法4:若已知粒子入射方向和出射方向,以及轨迹半径R,但不知粒子的运动轨迹,则可作出此两速度方向夹角的平分线,在角平分线上与两速度方向直线的距离为R的点即为圆心。
方法5:若已知粒子圆周运动轨迹上的两条弦,则两条弦的中垂线的交点即为圆心。
2.半徑的确定和计算
半径的计算一般可利用几何知识,通过解三角形的办法求解,并注意以下几何特点:
(1)粒子速度的偏向角φ等于圆心角α,并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍,即φ=α=2θ。如图1所示:
(2)相对的余切角θ 相等,与相邻的弦切角θ′互补,θ+θ′=180°。
3.运动时间的确定
利用圆心角与弦切角的关系,或者利用四边形的内角和等于360°计算出圆心角的大小。若α用角表示,则t=θ/360°·T。若α用弧度表示,则t=T·α/2π,可求出粒子在磁场中的运动时间
例1:如图2所示,在y<0的区域内存在匀强磁场,磁场方向垂直于xy平面并指向纸面外,磁感强度为B,一带正电的粒子以速度V从O点射入磁场,入射方向在xy平面内,与x轴正方向的夹角为θ,若粒子射出磁场的位置与O点的距离为l,求该粒子的电量和质量之比q/m。
圆心位于OA的中垂线上,由图3所示几何关系得L/2=Rsinθ ②
例2:图4中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线,在平面右侧的半空间存在一磁感强度为B的匀强磁场,方向垂直纸面向外是MN上的一点,从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为θ的粒子,粒于射入磁场时的速度可在纸面内各个方向已知先后射人的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇,P到0的距离为L,不计重力及粒子间的相互作用。
(1)求所考察的粒子在磁场中的轨道径。
(2)求这两个粒子从O点射人磁场的时间间隔。
(2)如图5所示,以OP为弦可画两个半径相同的圆,分别表示在P点相遇的两个粒子的轨道。圆心和直径分别为O因Rcos(θ/2)=1/2L
得θ=2arccos(L/2R) ③
由①、①、③三式得:
△t=4marccos(lqB/2mv)/qB