探討帶電粒子在電、磁場中的運動

摘要：帶電粒子在電、磁場中的運動是高中物理的難點.深入探討帶電粒子在電、磁拼接場及疊加場運動的應用，并輔以例題解析，以期幫助學生更好地掌握帶電粒子在電、磁場中的運動規律，并為高中物理教學提供更豐富的教學資源.

關鍵詞：帶電粒子；電磁場；教學應用

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）25-0094-03

收稿日期：2024-06-05

作者簡介：曹莉（1978.12—），女，江蘇省蘇州人，本科，中學高級教師，從事物理教學研究.

在高中物理學習過程中，學生對帶電粒子在電、磁場中的運動問題往往感到困惑.為了幫助學生更好地理解和掌握這一知識點，本文著眼于帶電粒子在拼接場和疊加場中的應用.通過分析回旋加速器、質譜儀、速度選擇器等典型物理儀器的工作原理，揭示帶電粒子在電、磁場中的運動規律，并對相關物理問題進行解析.

1帶電粒子在拼接場運動的應用

1.1回旋加速器

回旋加速器是一種高效能的粒子加速裝置，整個裝置整體置于真空容器內，其核心構件是兩個D形扁金屬盒，分別連接在高頻交變電源兩極上，中間隔有一條細縫.這個縫隙內形成一個方向不斷變化的交變電場，通過粒子源釋放帶電粒子，每當這些粒子經過縫隙時，都會被電場加速，進而實現能量的逐級提升.因此，回旋加速器主要是通過電場對粒子的加速和磁場對運動電荷的偏轉，生成高能粒子.

點評解決本題的關鍵在于理解回旋加速器的工作原理和特性，即帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期與交流電場的周期相同，且當粒子圓周運動半徑等于金屬盒半徑R時，其速度達到最大[1].

1.2質譜儀

具有相同核電荷數而不同質量數的原子互稱同位素，質譜儀是一種用于分離各種元素的同位素并測量它們質量的儀器，其構成包括靜電加速器、速度選擇器、偏轉磁場、顯示屏等部件.質譜儀利用磁場中相同速率或相同動能的帶電粒子在軌跡上呈現出不同的偏轉，從而實現對不同質量的粒子的分離.高考中關于質譜儀的主要考查方向是基于軌跡半徑與粒子質量、比荷的關系進行分析.

點評本題目要求考生掌握粒子在電磁場中的運動規律.了解速度選擇器的原理對于正確解答至關重要.

2帶電粒子在疊加場運動的應用

2.1速度選擇器

速度選擇器涉及帶電粒子在電磁復合場中的運動，其中粒子能夠沿直線勻速通過疊加場區域.帶電粒子通過速度選擇器需要滿足兩個條件：一是粒子受到的電場力和洛倫茲力必須平衡；二是電場力對粒子不做功.而對于未能傳出速度選擇器的粒子，則可結合動能定理和動量定理進行處理[2].

點評本題主要考查帶電粒子在有界磁場中的運動，解題的關鍵是要畫出粒子軌跡過程圖，找到臨界幾何條件，再運用洛倫茲力提供向心力與幾何關系結合求解即可.

2.2電磁流量計、磁流體發電、霍爾效應

這類問題涉及電磁流量計、磁流體發電機和霍爾效應，共同原理在于帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力偏轉，在垂直于其運動方向的兩側積累異種電荷，形成電場，達到穩定狀態時洛倫茲力與電場力平衡，即qE=Bqv.

點評本題目要求學生掌握帶電粒子在電場與磁場的復合場中的運動規律、感應電流的產生條件以及渦流等知識點.學生需要熟練理解磁偏轉在現代科技中的應用及其基本原理[3].

3結束語

通過解析回旋加速器、質譜儀、速度選擇器等帶電粒子在電磁拼接場和疊加場中的具體應用，旨在幫助學生深化對帶電粒子在電、磁場中運動規律的理解，并掌握解決相關物理問題的方法，使其在解題過程中更加得心應手.

參考文獻：

［1］劉興.帶電粒子在電場中運動規律分類例析 [J].數理天地（高中版）， 2024（08）：18-19.

[2] 龔圣龍，楊天才.深度解析帶電粒子在勻強磁場中勻速圓周運動的三條解題思路[J].中學生理科應試，2024（03）：35-36.

[3] 史建華.帶電粒子（帶電體）在電場中運動的綜合問題[J].數理天地（高中版），2024（04）：12-13.

［責任編輯：李璟］