带电粒子在匀强磁场中的运动(含各种情况)

带电粒子在有界匀强磁场中的运动归类解析一、单直线边界磁场1．进入型：带电粒子以一定速度υ垂直于磁感应强度B 进入磁场. 规律要点：（1）对称性：若带电粒子以与边界成θ角的速度进入磁场，则一定以与边界成θ角的速度离开磁场.如图1所示.（2）完整性：比荷相等的正、负带电粒子以相同速度进入同一匀强磁场，则它们运动的圆弧轨道恰构成一个完整的圆；正、负带电粒子以相同速度进入同一匀强磁场时，两粒子轨道圆弧对应的圆心角之和等于2πrad ，即2+-+=ϕϕπ，且2-=ϕθ（或2+=ϕθ）.2．射出型：粒子源在磁场中，且可以向纸面内各个方向以相同速率发射同种带电粒子.规律要点：（以图2中带负电粒子的运动轨迹为例）（1）最值相切：当带电粒子的运动轨迹小于12圆周时且与边界相切（如图2中a 点），则切点为带电粒子不能射出磁场的最值点（或恰能射出磁场的临界点）；（2）最值相交：当带电粒子的运动轨迹大于或等于12圆周时，直径与边界相交的点（图2中的b 点）为带电粒子射出边界的最远点.图2中，在ab 之间有带电粒子射出，设ab 距离为x ，粒子源到磁场边界的距离为d ，带电粒子的质量为m ，速度为υ，则m υr=Bqa O r-d二、双直线边界磁场规律要点：最值相切：当粒子源在一条边界上向纸面内各个方向以相同速率发射同一种粒子时，粒子能从另一边界射出的上、下最远点对应的轨道分别与两直线相切.图3所示.对称性：过粒子源S 的垂线为ab 的中垂线.在图3中，ab 之间有带电粒子射出，可求得ab=最值相切规律可推广到矩形区域磁场中.例1．一足够长的矩形区域abcd 内充满磁感应强度为B 、方向垂直纸面向里的匀强磁场，矩形区域的左边界ad 宽为L ，现从ad 中点O 垂直于磁场射入一带电粒子，速度大小为0υ方向与ad 边夹角为30°，如图4所示。

已知粒子的电荷量为q ，质量为m （重力不计）。

（1）若粒子带负电，且恰能从d 点射出磁场，求0υ的大小；（2）若粒子带正电，使粒子能从ab 边射出磁场，求0υ的取值范围以及此范围内粒子在磁场中运动时间t 的范围。

匀强磁场中带电粒子运动的分析
带电粒子在匀强磁场中的运动情况跟带电粒子射入磁场中的速度方向与磁场方向有关。

1、带电粒子平行射入匀强磁场中时，带电粒子不受洛伦兹力，做匀速直线运动。

2、带电粒子垂直射入匀强磁场中时，带电粒子做匀速圆周运动，做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供。

这是考试的重点！！
3、带电粒子以一定夹角θ射入匀强磁场中时，带电粒子做螺旋运动。

重点讨论带电粒子垂直射入匀强磁场中时的运动情况（高考的重点！！）
带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动，那么要描述这个匀速圆周运动，我们需要哪些物理量呢？
1、匀速圆周运动的半径R、周期T。

由粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，可得：Bqν=mν²/R
可得带电粒子运动的半径R=mν/Bq
又由T=2πR/ν，联立R=mν/Bq
可得带电粒子运动的周期T=2πm/Bq（周期T与速度无关！）2、找圆心、定半径、求运动时间t。

找圆心：
（1）圆周上两个速度方向的垂线的交点必为圆心。

如下图
（2）已知圆周上的两点，两点连线的垂线必定通过圆心。

定半径：
（1）通过公式计算，如R=mν/Bq。

（2）通过几何关系计算，如勾股定理、三角函数、几何证明等。

如下图所示，先定圆心，然后通过几何关系可求得半径R=2d
求运动时间t:
由公式T=2πm/Bq，可得带电粒子在磁场中运动的时间t=θT/2π（θ为弧度制），或者t=θT/360（θ为度数）。

第六节带电粒子在匀强磁场中的运动第一部分1、洛伦兹力演示实验（1）电子束由电子枪产生，玻璃泡内充有稀薄的气体，不加磁场时,在电子束通过是能够显示电子的轨迹是一条直线。

（2）一前一后相互平行的励磁线圈电流方向相同（相当于通电螺线管的一部分），两线圈之间可以产生匀强磁场, 带电粒子垂直于磁场方向进入磁场后将做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。

（3）粒子运动方向与磁场有一夹角（大于0度小于90度）轨迹为螺旋线，如下图注意：①带电粒子射入匀强磁场轨迹有三种情况：直线、圆、螺旋线②洛伦兹力永远不做功（a）不管其他力做不做功，洛伦兹力不做功（b）无论粒子做匀速圆周运动、非圆周曲线运动（如螺旋运动、）还是直线运动（还有其他力），洛伦兹力不做功2、匀速圆周运动的向心力、轨道半径、周期（1）洛伦兹力提供向心力：2224 ==v r F F qvB m mr Tπ==洛向（2）轨道半径：m v rqB =（3）周期：22r m Tv qBππ==专题一 半径大小变化（1）速度与半径成正比（质量、电荷量、磁感应强度不变条件下） 例如，铅板阻碍作用使粒子速度变小、半径也变小 周围空气阻碍作用使粒子速度变小，半径也变小 （2）磁感应强度与半径成反比例如，磁感应强度变强，半径反而变小（洛伦兹力不做功。

速度大小不变） 磁感应强度变弱，半径反而变大（洛伦兹力不做功。

速度大小不变）专题二 几个基本概念①动能： ②动量：Pm v=③荷质比：m qX下q 上m④向心力：专题三 磁场有一个边界1、三步走①找圆心、画弧 ②通过解三角形求半径③通过轨迹对应的圆心角求穿越时间2、确定轨迹所对圆心角的“两句口诀”①从一条边界射入且磁场足够大时，与边界多少度进就得多少度出 ②末速度相对于初速度偏转的角度一定等于轨迹所对圆心角（1）与边界090夹角射入匀强磁场①正电、y 轴、点磁场；负电、y 轴、点磁场；已知初末位置距离a ，求半径r ，求穿越磁场所用时间m v r qB=212K E m v =q m2=vF ma mr=向向②正电、x轴、叉磁场；负电、x轴、叉磁场；已知初末位置距离a，求半径r，求穿越磁场所用时间（2）与边界0120）夹角射入匀强磁场60（0正电、y轴、点磁场；负电、y轴、点磁场；已知初末位置距离a，求半径r，求穿越磁场所用时间（3）与边界0150）夹角射入匀强磁场30（0正电、x轴、叉磁场；负电、x轴、叉磁场；已知初末位置距离a，求半径r，求穿越磁场所用时间（4）与边界0135）夹角射入匀强磁场45（0正电、圆心、点磁场；负电、圆心、点磁场已知：速度、质量、电量、磁感应强度求：与x轴和y轴交点坐标，穿越时间专题四穿过矩形磁场1、三步走（1）找圆心、画弧：三垂线定理定圆心初位置垂线、末位置垂线、初末位置中垂线，三线中两线交点定圆心（有时需要把三线中的某一个平移）（2）通过解三角形求半径有时需要做辅助线（3）通过轨迹对应的圆心角求穿越时间2、两句口诀“第二句”①从一条边界射入且磁场足够大时，与边界多少度进就得多少度出②末速度相对于初速度偏转的角度一定等于轨迹所对圆心角例：专题五初速度指向圆形磁场的圆心1、三步走（1）三垂线定理：找圆心、画弧初位置垂线、末位置垂线、初末位置中垂线注意：末速度反向延长线过磁场圆心（2）通过解三角形求半径（3）通过轨迹对应的圆心角求穿越时间2、确定轨迹所对圆心角的“两句口诀”①从一条边界射入且磁场足够大时，与边界多少度进就得多少度出②末速度相对于初速度偏转的角度一定等于轨迹所对圆心角例：专题六 临界问题三步走注意：画弧时，按照半径从小到大画弧，一般画到恰好与边界相切 例： ①负电、y 轴、090进入叉磁场；②正电、y 轴、060进入点磁场；专题七 有电场力和磁场力时，带电粒子做圆周运动一定还有重力，并且重力等于电场力，只有洛伦兹力提供向心力（不像绳拉小球） 若除了洛伦兹力以外的力的合力不是零，则带电粒子不可能做圆周运动专题八 复合场计算题1、磁场中：末速度相对于初速度偏转的角度一定等于轨迹所对圆心角 （1）洛伦兹力提供向心力2224==vr F F qvB mmrTπ==洛向（2）轨道半径m v r qB=（3）周期22r m T vqBππ==2、加速电场中粒子从静止加速到0v ，电场力做正功220011=22U q m v F s E qs m v ==或3、偏转电场中 （1）位移关系①水平位移： 0x L v t == （用来算穿过时间） ②竖直位移（偏移量）： 212y a t =③加速度： 2U q F E q a mmdm===（电场力是合外力，分子两个量、分母两个量）（2）速度关系①水平速度：0x v v = ②竖直速度：y v at =③加速度2U q F E q a m mdm===（电场力是合外力，分子两个量、分母两个量）④时间0x L t v v ==（穿过时间）⑤偏转角正切：tan y xv v θ=注意：末速度反向延长线把水平位移平分（3）电场力做正功求末速度大小、末动能大小 （1）2201122K W E m v m v =∆=-（2）电场力做功可以用力乘位移算、也可以用电压乘电荷量算 ①2201122W F y E qy m v m v ===-②12,,y W U q W U q W U q d===3、质谱仪（1）组成：粒子源O ，加速场U ，速度选择器（E,B ），偏转场B 2，胶片。

带电粒子在匀强磁场中的运动（知识小结）一．带电粒子在磁场中的运动（1）带电粒子在磁场中运动时，若速度方向与磁感线平行，则粒子不受磁场力，做匀速直线运动；即 ① 为静止状态。

② 则粒子做匀速直线运动。

（2）若速度方向与磁感线垂直，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力起向心力作用。

（3）若速度方向与磁感线成任意角度，则带电粒子在与磁感线平行的方向上做匀速直线运动，在与磁感线垂直的方向上做匀速圆周运动，它们的合运动是螺线运动。

二、带电粒子在匀强磁场中的圆周运动1．运动分析：洛伦兹力提供向心力，使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动．(4)运动时间： (Θ 用弧度作单位 )1．只有垂直于磁感应强度方向进入匀强磁场的带电粒子，才能在磁场中做匀速圆周运动．2．带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入磁场时速率的大小有关，而周期与速率、半径都无关．三、带电粒子在有界匀强磁场中的匀速圆周运动(往往有临界和极值问题)(一)边界举例:1、直线边界（进出磁场有对称性）规律：如从同一直线边界射入的粒子，再从这一边射出时，速度与边界的夹角相等。

速度与边界的夹角等于圆弧所对圆心角的一半，并且如果把两个速度移到共点时，关于直线轴对称。

2、平行边界（往往有临界和极值问题）（在平行有界磁场里运动，轨迹与边界相切时，粒子恰好不射出边界）3、矩形边界磁场区域为正方形，从a 点沿ab 方向垂直射入匀强磁场：若从c 点射出，则圆心在d 处若从d 点射出，则圆心在ad 连线中点处4.圆形边界（从平面几何的角度看，是粒子轨迹圆与磁场边界圆的两圆相交问题。

）特殊情形：在圆形磁场内,沿径向射入时，必沿径向射出一般情形：磁场圆心O 和运动轨迹圆心O ′都在入射点和出射点连线AB 的中垂线上。

或者说两圆心连线OO ′与两个交点的连线AB 垂直。

（二）求解步骤：（1）定圆心、（2）连半径、（3）画轨迹、（4）作三角形．（5）据半径公式求半径，2．其特征方程为：F 洛＝F 向． 3．三个基本公式： (1)向心力公式：qvB ＝m v 2R ； (2)半径公式：R ＝mv qB ； (3)周期和频率公式：T ＝2πm qB ＝1f ； 222m t qB m qB T θππθπθ==⨯=⨯v L =t再解三角形求其它量；或据三角形求半径，再据半径公式求其它量（6）求时间1、确定圆心的常用方法：(1)已知入射方向和出射方向(两点两方向)时，可以作通过入射点和出射点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3－6－6甲所示，P 为入射点，M 为出射点，O 为轨道圆心．(2)已知入射方向和出射点的位置时(两点一方向)，可以通过入射点作入射方向的垂线，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3－6－6乙所示，P 为入射点，M 为出射点，O 为轨道圆心．(3)两条弦的中垂线(三点)：如图3－6－7所示，带电粒子在匀强磁场中分别经过O 、A 、B 三点时，其圆心O ′在OA 、OB 的中垂线的交点上．(4)已知入射点、入射方向和圆周的一条切线：如图3－6－8所示，过入射点A 做v 垂线AO ， 延长v 线与切线CD 交于C 点，做∠ACD 的角平分线交AO 于O 点，O 点即为圆心，求解临界问题常用到此法．(5)已知入射点，入射速度方向和半径大小2．求半径的常用方法 ：由于已知条件的不同，求半径有两种方法：一是：利用向心力公式求半径；二是：利用平面几何知识求半径。

匀强磁场中带电粒子的运动
带电粒子在匀强磁场中的运动是如下。

匀速直线运动：当v∥B时，带电粒子以速度v做匀速直线运动。

匀速圆周运动：当v⊥B时，带电粒子在垂直于磁感线的平面内以入射速度做匀速圆周运动。

带电粒子的运动问题
1、电场中的加速问题
带电粒子在电场中只受电场力作用的问题。

如果在匀强电场中问题可以根据牛顿运动定律结合运动学公式或动能定理进行处理。

但对于非匀强电场中的问题只能根据动能定理来解决了。

2、电场中的偏转问题
带电粒子以一定的速度和电场成一定角度进入电场，这样带电粒子的受力方向与速度方向不在同一直线上，粒子将做曲线运动。

常见的是带电粒子垂直电场方向射入电场，这类问题的分析方法和平抛运动问题的分析方法一样，把粒子的运动分解成沿受力方向的匀加速运动和沿初速度方向的匀速运动。

主要解决的问题是带电粒子的末速度、偏转距离、偏转角度。

3、磁场中的偏转问题
射入磁场的带电粒子，只要它的速度方向与磁场成一定的角度。

它就受到磁场对它的洛伦兹力作用。

如果垂直射入匀强磁场的带电粒子，它的初速度方向和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场方向垂直的平面内，没有作用使粒子离开这个平面，所以粒子只能在这个平面运动。

4、复合场中的运动问题
所谓复合场中的运动，就是在两个或两个以上的场中运动的问题。

带电粒子在复合场中要受到两个或两个以上的力的作用，运动情况一般比较复杂，高中阶段很难解决。

但可设计出粒子匀速运动或匀速圆周运动的问题。

解题方法是分析出受力情况，根据粒子的运动特点来判断未知量。

带电粒子在磁场中运动一、不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动1．匀速直线运动：若带电粒子的速度方向与匀强磁场的方向平行，则粒子做匀速直线运动．2．匀速圆周运动：若带电粒子的速度方向与匀强磁场的方向垂直，则粒子做匀速圆周运动．质量为m、电荷量为q的带电粒子以初速度v垂直进入匀强磁场B中做匀速圆周运动，其角速度为ω，轨道半径为R，运动的周期为T，推导半径和周期公式：推导过程：运动时间t=3．对于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的问题，应注意把握以下几点．(1)粒子圆轨迹的圆心的确定的常规方法①若已知粒子在圆周运动中的两个具体位置与通过某一位置时的速度方向，可在已知的速度方向的位置作速度的垂线，同时作两位置连线的中垂线，两垂线的交点为圆轨迹的圆心，如图4－2 所示．②若已知做圆周运动的粒子通过某两个具体位置的速度方向，可在两位置上分别作两速度的垂线，两垂线的交点为圆轨迹的圆心，如图4－3所示．③若已知做圆周运动的粒子通过某一具体位置的速度方向与圆轨迹的半径R，可在该位置上作速度的垂线，垂线上距该位置R处的点为圆轨迹的圆心(利用左手定则判断圆心在已知位置的哪一侧)，如图4－4所示．图4－2图4－3图4－4例1 、一个质量为m电荷量为q的带电粒子从x轴上的P〔a，0〕点以速度v，沿与x正方向成60°的方向射入第一象限内的匀强磁场中，并恰好垂直于y轴射出第一象限。

求3〕〕匀强磁场的磁感应强度B和射出点的坐标。

〔坐标为〔0，a例2、电子自静止开始经M、N板间〔两板间的电压为U〕的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中，电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L，如图2所示，求：〔1〕正确画出电子由静止开始直至离开磁场时的轨迹图； 〔2〕匀强磁场的磁感应强度.〔已知电子的质量为m ，电量为e 〕emUd L L 2222(2)利用速度的垂线与角的平分线的交点找圆心当带电粒子通过圆形磁场区后又通过无场区，如果只知道射入和射出时的速度的方向和射入时的位置，而不知道射出点的位置，应当利用角的平分线和半径的交点确定圆心。