帶電粒子在速度選擇器中的運動
——對人教版普通高中物理教材一題的改進分析及建議

周建新　劉黎紅

(武漢市新洲區第一中學　湖北 武漢　430415)

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帶電粒子在速度選擇器中的運動
——對人教版普通高中物理教材一題的改進分析及建議

周建新劉黎紅

(武漢市新洲區第一中學湖北 武漢430415)

摘 要：人教版普通高中《物理·選修3-1》第98頁“問題與練習”中的第3題，是一道帶電粒子在速度選擇器中運動的問題.本文提出若帶電粒子不是速度選擇器所選擇的速度時，帶電粒子做什么樣的運動？并就此問題做出了分析,利用幾何畫板軟件畫出圖像做了驗證，提出改進速度選擇器精度的意見.

關鍵詞：速度選擇器帶電粒子運動

1問題提出

圖1

帶電粒子以初速v0進入磁場，v0⊥E,v0⊥B，

設粒子電荷量+q，則受洛倫茲力f洛=Bqv0，方向向上，電場力F電=qE，方向向下.當粒子沿圖中虛線做直線運動時，由二力平衡有

若帶電粒子的速度不是v0，那帶電粒子做什么樣的運動呢？它還有可能從右邊的小孔中射出嗎？

2問題分析

(1)

(2)

粒子在t時刻的位置坐標

(3)

(4)

上面式(3)、(4)中r為粒子的分速度(v-v0)產生的洛倫茲力作用而做勻速圓周運動的軌跡半徑

(5)

從式(4)、(5)可知粒子回到x軸上的時刻為

此時的速度恰好為v；粒子離開x軸的最大距離為

3問題驗證

根據上面式(3)、(4)、(5)，利用幾何畫板軟件，試著畫出帶電粒子在速度選擇器中的運動軌跡(參數設置均為v>v0).各參數設置：q=1 C,m=4 kg,E=1 N/C,B=1 T.

(1)若v與v0比較接近，可以描繪出粒子的運動軌跡，如圖2所示.

圖2　v=20 m/s

(2)若v與v0相差較多，可以描繪出粒子的運動軌跡，如圖3所示.

圖3　v=50 m/s

(3)若v與v0相差很大，也可以描繪出粒子的運動軌跡，如圖4所示.

圖4　v=80 m/s

當然，如果帶電粒子的入射速度v

4問題改進

鑒于上面的分析，要提高速度選擇器選擇速度的精度，可以采取兩種措施：

(1)減小平行板器件間距；

這樣可以最大限度地避免帶電粒子從右邊小孔中水平射出.當然，筆者認為課本在該題中，應該有意強調平行板器件間的間距很小，而不是在圖中用一個容易產生誤解的帶小孔的右擋板，旨在擋住發生偏轉的粒子.至于中學階段，在平行板器件間距很小這種理想情況下，第二條措施就沒有意義了.個人觀點，如有不當，歡迎大家批評指正！

(收稿日期：2015-11-07)