怎樣分析與解決帶電粒子在勻強磁場中的運動問題
2007-12-31 00:00:00謝飛宇
物理教學探討 2007年10期
帶電粒子在勻強磁場中運動是高中物理的一個難點，也是高考考查的重點和熱點，在歷年的高考試題中幾乎年年都有這方面的考題。因此，如何指導學生掌握解決此類問題的解法很重要。
帶電粒子垂直進入勻強磁場區域，在磁場區域內經歷一段勻速圓周運動。帶電粒子從不同的方向進入磁場，它在磁場中的運動圓弧軌道各有不同。盡管帶電粒子在磁場中的運動軌道不同，但解決這類問題的基本思路都是按“一找圓心，二找半徑R=mv/Bq，三找周期T=2πm/Bq或時間”的規律解決，其確定的方法如下：
(1)圓心的確定：從勻強磁場邊緣垂直磁場射入的帶電粒子，它在磁場中的運動軌跡一般不是一個完整的圓，而是一段圓弧，在實際問題中圓心位置的確定極為重要。因洛倫茲力F指向圓心，即F⊥v，若已知圓軌道上的入射點和出射點及帶電粒子在此兩點的速度方向，可分別作這兩點速度方向的垂線，兩垂線的交點即為該粒子做圓周運動的圓心，如圖1。若已知軌跡上兩點，但只知道帶電粒子在其中一點的速度方向，則可先連接這兩點，然后作這兩點連線(實際上是圓弧的弦)的中垂線，中垂線與另一速度方向垂線的交點即為圓心，如圖2。若已知軌跡上兩點，但帶電粒子在這兩點的速度方向都不知道，在半徑r可由已知條件求出時，則可分別以這兩點為圓心，以半徑r為半徑畫弧，則兩弧的交點即為圓心（有2個）如圖3。
(2)半徑的確定和計算：利用平面幾何知識，求出該圓的可能半徑(或圓心角α)。并注意以下重要的幾何特點：粒子速度的偏向角(φ)等于圓心角(α)，并等AB弦與切線的夾角(弦切角θ)的2倍，即φ=α=2θ=ωt如圖4。
(3)帶電粒子在磁場中運動時間的確定：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時，轉一周所用時間的可用公式T=2πm/qB確定，若要計算轉過任一段圓弧所用的時間，則可利用圓心角α(如圖4)與弦切角的關系，或利用四邊形內角和360°等計算出圓心角α的大小，再由表達式t=α/360°T求出粒子通過該段圓弧所用的時間，其中T為該粒子做圓周運動的周期。轉過的圓心角越大，所用時間越長，注意與運動軌跡的長短無關。
例1如圖5所示，一束電子(電量為e)以速度v0垂直射入磁感應強度為B，寬度為d的勻強磁場中，射出磁場時的速度方向與電子原來入射方向夾角為30°，則電子的質量是_________，穿過磁場的時間是_________。
解析電子在勻強磁場中只受洛倫茲力作用，洛倫茲力提供向心力，根據洛倫茲力的特點可知，圓心必在入射點和出射點速度方向兩垂線的交點上(如圖6所示)。由幾何關系可得，圓心角θ=30°。在Rt△OBC中，有r=d/sin30°=2d，又r=mv0/eB， 解之得m=2dBe/v0，電子穿過磁場的時間為t=θ/360°#8226;T=1/12×2πm/eB=πd/3v0。
例2如圖7所示，一帶正電的質子從O點垂直射入兩個板間存在垂直紙面向里的勻強磁場，已知兩板之間的距離為d，板長為d，O點是板的正中間，為使粒子能從兩板間射出，試求磁感應強度B應滿足的條件(已知質子的帶電量為e，質量為m)。
解析由于質子在O點的速度垂直于NP，所以粒子在磁場中做圓周運動的圓心O'，一定位于NP所在的直線上，如果直徑小于ON，則軌跡將是圓心位于ON之間的一個半圓弧。隨著磁場B的減弱，其半徑r=mv/qB逐漸增大，當半徑r=ON／2時，質子恰從N點射出；當B減小到某一值時，質子恰從M點射出。如果B再減小，質子將打在MQ板上而不能飛出，因此質子分別從N點和M點射出是B所對應的兩個臨界值。
第一種情況是質子從N點射出，此時質子軌跡是半個圓，半徑為ON/2=d/4
所以R1=mv0/qB1=d/4
B1=4mv0/de
第二種情況是質子恰好從M點射出，軌跡如圖7中所示。由平面幾何知識可得：
R22=d2+(R
又R2=mv0/qB2②
由①②得：B2=4mv0/5de
所以磁感應強度B應滿足的條件：
4mv0/5de≤B≤4mv0/de
帶電粒子在磁場中運動的題型較多，但解題的基本方法都相同，只要按以上思路解題，這類問題是不難解決的。
