带电粒子在磁场中运动最小面积问题

带电粒子在磁场中运动最小面积问题

例1.在xOy平面内有许多电子（质量为m,电荷量为e）,从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.

例2．一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向夹角30°，如图所示(粒子重力忽略不计)．试求：

(1)圆形磁场区域的最小面积．

(2)粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间．

(3)b点的坐标．

例3．一个质量为m，带＋q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。为了使该粒子能在AC边上的N点图示 (CM＝CN)垂直于AC边飞出三角形ABC，可在适当的位置加一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场．若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重力．试求：

(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T；

(2)该粒子在磁场里运动的时间t；

(3)该正三角形磁场区域的最小边长；

针对训练

1．(09年海南高考)如图甲所示，ABCD是边长为a的正方形．质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域．在正方形内适当区域中有匀强磁场．电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场．不计重力，求：

(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向．

(2)此匀强磁场区域的最小面积．

2．（09年福建卷）图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=2.0×10-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口，在Y上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104m/s的速率从P处射入磁场，若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m 的M处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。

（1）求上述粒子的比荷q/m

（2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强电场，就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场；

（3）为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内，求此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。

3、（1994年全国高考试题）如图12所示，一带电质点，质量为m ，电量为q ，以平行于Ox 轴的速度v 从y 轴上的a 点射入图中第一象限所示的区域。为了使该质点能从x 轴上的b 点以垂直于Ox 轴的速度v 射出，可在适当的地方加一个垂直于xy 平面、磁感应强度为B 的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径。重力忽略不计。

4.[2010·宁波模拟] 如图甲所示，水平放置的平行金属板A 和B 间的距离为d ，板长L ＝23d ，B 板的右侧边缘恰好是倾斜挡板NM 上的一个小孔K ，NM 与水平挡板NP 成60°角，K 与N 间的距离K N ＝a.现有质量为m 、带正电且电荷量为q 的粒子组成的粒子束，从AB 的中点O 以平行于金属板方向OO′的速度v 0不断射入，不计粒子所受的重力．

(1)若在A 、B 板上加一恒定电压U ＝U 0，则要使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K ，求U 0的大小．

(2)若在A 、B 板上加上如图乙所示的电压，电压为正表示A 板比B 板的电势高，其中T ＝2L v 0

，且粒子只在0～T 2

时间内入射，则能打到小孔K 的粒子在何时从O 点射入？ (3)在NM 和NP 两挡板所夹的某一区域存在一垂直纸面向里的匀强磁场，使满足条件(2)从小孔K 飞入的粒子经过磁场偏转后能垂直打到水平挡板NP 上(之前与挡板没有碰撞)，求该磁场的磁感应强度的最小值．

5.如图，一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动，经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B 的最小的圆形匀强磁场区域(图中未画出磁场区域)，粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L 的匀强电场，电场强度大小为E ，方向竖直向上．当粒子穿出电场时速率变为原来的 2 倍．已知带电粒子的质量为m ，电荷量为q ，重力不计．粒子进入磁场前的速度与水平方向成θ＝60°角．试回答：

(1)粒子带什么电？

(2)带电粒子在磁场中运动时速度多大？

(3)该最小的圆形磁场区域的面积为多大？

参考答案

例1.在xOy 平面内有许多电子（质量为m,电荷量为e ）,从坐标原点O 不断以相同大小的速度v 0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加上一个垂直于xOy 平面的磁感应强度为B 的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于x 轴正方向运动,试求出符合条件的磁场最小面积.

解：由于电子在磁场中作匀速圆周运动的半径R ＝mv 0/Be 是确定的，设磁场区域足够大，作出电子可能的运动轨道如图所示，因为电子只能向

第一象限平面内发射，所以电子运动的最上面一条轨迹必为圆O 1，它就是磁场的上边界。其它各圆轨迹的圆心所连成的线必为以点O 为圆心，以R 为半径的圆弧O 1O 2O n 。由于要求所有电子均平行于x 轴向右飞出磁场，故由几何知识有电子的飞出点必为每条可能轨迹的最高点。如对图中任一轨迹圆O 2而言，要使电子能平行于x 轴向右飞出磁场，过O 2作弦的垂线O 2A ，则电子必将从点A 飞出，相当于将此轨迹的圆心O 2沿y 方向平移了半径R 即为此电子的出场位置。由此可见我们将轨迹的圆心组成的圆弧O 1O 2O n 沿y 方向向上平移了半径R 后所在的位置即为磁场的下边界，图中圆弧OAP 示。综上所述，要求的磁场的最小区域为弧

OAP 与弧OBP 所围。利用正方形OO 1PC 的面积减去扇形OO 1P 的面积即为OBPC 的面积；即R 2-πR 2/4。根据

几何关系有最小磁场区域的面积为S ＝2（R 2-πR 2/4）＝（π/2 -1）（mv 0/Be ）2。

例2. 一质量为m 、带电荷量为q 的粒子以速度v0从O 点沿y 轴正方向射入磁感应强度为B 的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b 处穿过x 轴，速度方向与x 轴正方向夹角30°，如图所示(粒子重力忽略不计)．试求：

(1)圆形磁场区域的最小面积．

(2)粒子从O 点进入磁场区域到达b 点所经历的时间．

(3)b 点的坐标．

解析：(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R ＝mv 0qB

由图可知∠aO′b＝60°

磁场区域最小半径

r ＝Rcos 30°＝3mv 02qB

磁场区域最小面积S ＝πr 2＝3πm 2v 204q 2B

2. (2)由O 到a 过程所经历的时间t 1＝2πm 3Bq

由几何关系得ab ＝3R ＝3mv 0Bq

粒子由a 到b 所经历的时间t 2＝ab v 0＝3m Bq

∴粒子从O 点进入磁场区域到达b 点所经历的时间

t ＝t 1＋t 2＝m Bq (23π＋3)． (3)因为sin 30°＝R O′b

， ∴O′b＝2R 得Ob ＝3R ＝3mv 0Bq

故b 点的坐标为(3mv 0qB

，0)． 例3、一个质量为m ，带＋q 电量的粒子在BC 边上的M 点以速度v 垂直于BC 边飞入正三角形ABC 。为了使该粒子能在AC 边上的N 点 图示 (CM ＝CN)垂直于AC 边飞出三角形ABC ，可在适当的位置加一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B 的匀强磁场．若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重力．试求：

(1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r 及周期T ；

(2)该粒子在磁场里运动的时间t ；

(3)该正三角形磁场区域的最小边长；

针对训练

1．如图甲所示，ABCD 是边长为a 的正方形．质量为m 、电荷量为e 的电子以大小为v 0的初速度沿纸面垂直于BC 边射入正方形区域．在正方形内适当区域中有匀强磁场．电子从BC 边上的任意点入射，都只能从A 点射出磁场．不计重力，求：

甲

(1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向．

(2)此匀强磁场区域的最小面积．

【答案】(1)mv 0ea 方向垂直纸面向外 (2)π－22a 2

分)图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面

向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=2.0×10-3T,在X 轴上距坐标原点L=0.50m 的P 处为离子的入射口，在

Y 上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104m/s 的速率从P 处射入磁场，若粒子在y 轴上距坐

标原点L=0.50m 的M 处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。

（1）求上述粒子的比荷q

m ；

（2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强

电场，就可以使其沿y 轴正方向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大

小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场；

（3）为了在M 处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限内的磁场

可以局限在一个矩形区域内，求此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。

答案（1）m q

=4.9×710C/kg （或5.0×710C/kg ）；（2）s t 6109.7-?= ； （3）225.0m S =

解析：第（1）问本题考查带电粒子在磁场中的运动。第（2）问涉及到复合场（速度选择器模型）第（3）问是带电粒子在有界磁场（矩形区域）中的运动。

（1）设粒子在磁场中的运动半径为r 。如图甲，依题意M 、P 连线即为该粒子在磁场中作匀速圆周运动的直径，由几何关系得

22L r = ①

由洛伦兹力提供粒子在磁场中作匀速圆周运动的向心力，可得

r v m qvB 2

= ② 联立①②并代入数据得

m q

=4.9×710C/kg （或5.0×710C/kg ） ③

（2）设所加电场的场强大小为E 。如图乙，当粒子子经过Q 点时，速度沿y 轴正方向，依题意，在此时加入沿x 轴正方向的匀强电场，电场力与此时洛伦兹力平衡，则有

qvB qE = ④

代入数据得

C N E /70= ⑤

所加电场的长枪方向沿x 轴正方向。由几何关系可知，圆弧PQ 所对应的圆心角为45°，设带点粒子做匀速圆周运动的周期为T ，所求时间为t ，则有

T t 00

36045= ⑥

v r T π2=

⑦

联立①⑥⑦并代入数据得

s t 6109.7-?= ⑧ （3）如图丙，所求的最小矩形是P P

MM 11，该区域面积

2

2r

S=⑨联立①⑨并代入数据得

2

25

.0m

S=

矩形如图丙中

P

P

MM

1

1（虚线）、

3、（1994年全国高考试题）如图12所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域。为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径。重力忽略不计。

解析：质点在磁场中作半径为R的圆周运动，

qvB=（Mv2）/R，得R=（MV）/（qB）。

根据题意，质点在磁场区域中的轨道是半径等于R的圆上的1/4圆周，这段圆弧应与入射方向的速度、出射方向的速度相切。如图13所示，过a点作平行于x轴的直线，过b点作平行于y轴的直线，则与这两直线均相距R的O′点就是圆周的圆心。质点在磁场区域中的轨道就是以O′为圆心、R为半径的圆（图中虚线圆）上的圆弧MN，M点和N点应在所求圆形磁场区域的边界上。

在通过M、N两点的不同的圆周中，最小的一个是以MN连线为直径的圆周。所以本题所求的圆形磁场区域的最小半径为：

，

所求磁场区域如图13所示中实线圆所示。

4 [2010·宁波模拟] 如图39－5甲所示，水平放置的平行金属板A和B间的距离为d，板长L＝23d，B

板的右侧边缘恰好是倾斜挡板NM 上的一个小孔K ，NM 与水平挡板NP 成60°角，K 与N 间的距离K N ＝a.现有质量为m 、带正电且电荷量为q 的粒子组成的粒子束，从AB 的中点O 以平行于金属板方向OO′的速度v 0不断射入，不计粒子所受的重力．

图39－5

(1)若在A 、B 板上加一恒定电压U ＝U 0，则要使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K ，求U 0的大小．

(2)若在A 、B 板上加上如图乙所示的电压，电压为正表示A 板比B 板的电势高，其中T ＝2L v 0

，且粒子只在0～T 2

时间内入射，则能打到小孔K 的粒子在何时从O 点射入？ (3)在NM 和NP 两挡板所夹的某一区域存在一垂直纸面向里的匀强磁场，使满足条件(2)从小孔K 飞入的粒子经过磁场偏转后能垂直打到水平挡板NP 上(之前与挡板没有碰撞)，求该磁场的磁感应强度的最小值．

例3 (1)mv 2012q (2)t x ＝T 4 (3)－2303qa

[解析] (1)A 、B 板间加上电压后，带电粒子做类平抛运动，则：

L ＝v 0t①

d 2＝12qU 0md t 2② 把L ＝23d 代入①②式可得：U 0＝md 2v 20qL 2＝mv 2012q ③ (2)粒子在水平方向做匀速直线运动，粒子运动的时间均为t ＝L v 0＝T 2，设粒子在t x 时刻进入金属板，则在T 2

－t x 时刻开始做类抛运动，平抛的时间为t x ，则：

d 2＝12q·4U 0md

t 2x ④ 把③代入④式可得：

t x ＝T 4

⑤ (3)在T 4

射入的粒子，在进入K 时竖直方向的分速度为v y ，则 v y ＝at x ＝q·4U 0md ·T 4＝v 03⑥ tan θ＝v y v 0＝33

⑦ v ＝v 20＋v 2y ＝233

v 0 则θ＝30°，即粒子垂直MN 板入射．如图甲所示，粒子从K 点入射后做匀速直线运动从D 点开始进入磁

场，粒子在进入磁场后，根据左手定则，所受的洛伦兹力斜向上，要使粒子能垂直打到水平挡板NP ，则粒子需偏转300°后从E 射出，做匀速直线运动垂直打到NP.

qvB ＝mv 2r

⑧ 可得B ＝mv qr

⑨ 要使B 最小，则要半径r 最大，临界情况是圆周运动的轨迹恰好跟两挡板相切，如图乙所示，根据对称性圆周运动的圆心C 、交点G 位于∠MNP 的角平分线上，则由几何关系可得：

CDKF 是边长为r 的正方形．则在三角形NCF 中，有

3r ＝a ＋r ，

可得r ＝a 3－1

， B ＝

3－qa ＝－2303qa

. 5．(2011年辽宁抚顺六校联合体模拟)如图8－3－5所示，一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动，经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B 的最小的圆形匀强磁场区域(图中未画出磁场区域)，粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L 的匀强电场，电场强度大小为E ，方向竖直向上．当粒子穿出电场时速率变为原来的 2 倍．已知带电粒子的质量为m ，电荷量为q ，重力不计．粒子进入磁场前的速度与水平方向成θ＝60°角．试回答：

(1)粒子带什么电？

(2)带电粒子在磁场中运动时速度多大？

(3)该最小的圆形磁场区域的面积为多大？

解析：(1)根据粒子在磁场中偏转的情况和左手定则可知，粒子带负电．

(2)由于洛伦兹力对粒子不做功，故粒子以原来的速率进入电场中，设带电粒子进入电场的初速度为v 0，在电场中偏转时做类平抛运动，由题意知粒子离开电场时的末速度大小为v t ＝2v 0，将v t 分解为垂直于电场方向(x 轴方向)和平行于电场方向(y 轴方向)的两个分速度：由几何关系知

v x ＝v y ＝v 0，v y ＝at ，v 0＝L t ，a ＝F m

，F ＝Eq 联立以上各式可解得：v 0＝

qEL m

. (3)如图所示，带电粒子在磁场中所受洛伦兹力提供向心力，设粒子在磁场中做圆周运动的半径为R ，圆形磁场区域的半径为r ，则：

Bqv 0＝mv 20R R ＝mv 0Bq ＝1B ELm q

由几何知识可得：r ＝Rsin30°

磁场区域的最小面积为S ＝πr 2

联立以上各式可解得S ＝πmEL 4B 2q

.

带电粒子在圆形磁场中运动的规律.

带电粒子在磁场中的运动 例 1. 如图所示,在宽度为 d 磁感应强度为 B 、水平向外的匀强磁场矩形区域内,一带电粒子以初速度 v 入射, 粒子飞出时偏离原方向60°,利用以上数据可求出下列物理量中的哪几个 A. 带电粒子的比荷 B. 带电粒子在磁场中运动的周期 C. 带电粒子的质量 D. 带电粒子在磁场中运动的半径变式 . 若带电粒子以初速度 v 从 A 点沿直径入射至磁感应强度为 B , 半径为 R 的圆形磁场, 粒子飞出时偏离原方向 60°,利用以上数据可求出下列物理量中的哪几个 应用 1、如图所示,长方形 abcd 长 ad = 0.6m ,宽 ab = 0.3m , O 、 e 分别是 ad 、bc 的中点,以 ad 为直径的半圆内有垂直纸面向里的匀强磁场(边界上无磁场 ,磁感应强度 B =0.25T 。一群不计重力、质

量 m =3 ×10-7 kg 、电荷量 q =+2×10- 3C 的带电粒子以速度 v =5×l02m/s 沿垂直 ad 方向且垂直于磁场射入磁场区域( A . 从 Od 边射入的粒子, 出射点全部分布在 Oa 边 B . 从 aO 边射入的粒子, 出射点全部分布在 ab 边 C .从 Od 边射入的粒子,出射点分布在 Oa 边和 ab 边 D .从 aO 边射入的粒子,出射点分布在 ab 边和 bc 边 应用 2. 在以坐标原点 O 为圆心、半径为 r 的圆形区域内,存在磁感应强度大小为 B 、方向垂直于纸面向里的匀强磁场,如图 10所示。一个不计重力的带电粒子从磁场边界与 x 轴的交点 A 处以速度 v 沿 -x 方向射入磁场,恰好从磁场边界与 y 轴的交点 C 处沿 +y方向飞出。 (1请判断该粒子带何种电荷,并求出其比荷 q/m; (2若磁场的方向和所在空间范围不变,而磁感应强度的大小变为B ′,该粒子仍从A 处以相同的速度射入磁场,但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了 60°角,求磁感应强度B ′多大?此次粒子在磁场中运动所用时间 t 是多少? 例 2. 如图所示, 一束电子流以不同速率, 由边界为圆形的匀强磁场的边界上一点 A , 沿直径方向射入磁场,已知磁感应强度方向垂直圆平面,则电子在磁场中运动时:( A 轨迹长的运动时间长 B 速率大的运动时间长 C 偏转角大的运动时间长 D 速率为某一值时不能穿出该磁场

磁场区域的最小面积问题

磁场区域的最小面积问题 考题中多次出现求磁场的最小围问题，这类题对学生的平面几何知识与物理知识的综合运用能力要求较高。其难点在于带电粒子的运动轨迹不是完整的圆，其进入边界未知的磁场后一般只运动一段圆弧后就飞出磁场边界，运动过程中的临界点（如运动形式的转折点、轨迹的切点、磁场的边界点等）难以确定。下面我们以实例对此类问题进行分析。 一、磁场围为树叶形 例1．如图所示的直角坐标系第I 、II 象限存在方向向里的匀强磁场，磁感应强度大小B =0.5T ，处于坐标原点O 的放射源不断地放射出比荷6104?=m q C/kg 的正离子，不计离子之间的相互作用。 ⑴求离子在匀强磁场中运动周期； ⑵若某时刻一群离子自原点O 以不同速率沿x 轴正方向射出，求经过6106 -?πs 时间这些离子所在位置 构成的曲线方程； ⑶若离子自原点O 以相同的速率v 0=2.0×106 m/s 沿不同方向射入第I 象限，要求这些离子穿过磁场区域后都能平行于y 轴并指向y 轴正方向运动，则题干中的匀强磁场区域应怎样调整（画图说明即可）？并求出调整后磁场区域的最小面积。 15（16分）解：⑴根据牛顿第二定律 有 2 mv qvB R =２分 运动周期22R m T v qB ππ==610s π-=? ２分 ⑵离子运动时间6 11066 t s T π-=?= ２分 根据左手定则，离子沿逆时针方向作半径不同的圆周运动， 转过的角度均为 126 3 π θπ?= ＝ １分 这些离子所在位置均在过坐标原点的同一条直线上， 该直线方程tan 2 y x x θ == ２分 ⑶离子自原点O 以相同的速率v 0沿不 同方向射入第一象限磁场，均做逆时 针方向的匀速圆周运动 根据牛顿第二定律 有 2mv qv B R = ０ ０ ２分 0 mv R qB = 1=ｍ １分 这些离子的轨道圆心均在第二象限的四分之一圆弧AC 上，欲使离子穿过磁场区域后都能平行于y 轴并指向y 轴正方向运动，离开磁场时的位置在以点（１,０）为圆心、半径Ｒ＝１m 的四分之一圆弧（从原点Ｏ起顺时针转动90?）上，磁场区域为两个四分之一圆的交集，如图所示 ２分 调整后磁场区域的最小面积2 2min 22()422 R R S ππ-=?-=m 2 ２分 例2．如图所示的直角坐标系中，在直线x=-2l 0到y 轴区域存在着两个大小相等、方向相反的有界匀强电场， 其中x 轴上方的电场方向沿y 轴负方向，x 轴下方的电场方向沿y 轴正方向。在电场左边界上A （-2l 0，-l 0）到C （-2l 0，0）区域的某些位置，分布着电荷量+q ．质量为m 的粒子。从某时刻起A 点到C 点间的粒子， x O y

带电粒子在圆形磁场中运动的规律

带电粒子在磁场中的运动 例1.如图所示，在宽度为d 磁感应强度为B 、水平向外的匀强磁场矩形区域内，一带电粒子以初速度v 入射，粒子飞出时偏离原方向60°，利用以上数据可求出下列物理量中的哪几个 A.带电粒子的比荷 B.带电粒子在磁场中运动的周期 C.带电粒子的质量 D.带电粒子在磁场中运动的半径 变式.若带电粒子以初速度v 从A 点沿直径入射至磁感应强度为B ，半径为R 的圆形磁场，粒子飞出时偏离原方向60°，利用以上数据可求出下列物理量中的哪几个 应用1、如图所示，长方形 abcd 长 ad = 0.6m ，宽 ab = 0.3m , O 、e 分别是 ad 、bc 的中点，以 ad 为直径的半圆内有垂直纸面向里的匀强磁场（边界上无磁场），磁感应强度 B ＝0.25T 。一群不计重力、质 量 m ＝3 ×10-7 kg 、电荷量 q ＝＋2×10－ 3C 的带电粒子以速度v ＝5×l02m/s 沿垂直 ad 方向且垂直于磁场射入磁场区域 ( ) A ．从 Od 边射入的粒子，出射点全部分布在 Oa 边 B ．从 aO 边射入的粒子，出射点全部分布在 ab 边 C ．从Od 边射入的粒子，出射点分布在Oa 边和 ab 边 D ．从aO 边射入的粒子，出射点分布在ab 边和bc 边 应用2.在以坐标原点O 为圆心、半径为r 的圆形区域内，存在磁感应强度大小为B 、方向垂直于纸面向里的匀强磁场，如图10所示。一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x 轴的交点A 处以速度v 沿-x 方向射入磁场，恰好从磁场边界与y 轴的交点C 处沿+y 方向飞出。 （1）请判断该粒子带何种电荷，并求出其比荷q/m ； （2）若磁场的方向和所在空间范围不变，而磁感应强度的大小变为B ′，该粒子仍从A 处以相同的速度射入磁场，但飞出磁场时的速度方向相对于入射方向改变了60°角，求磁感应强度B ′多大？此次粒子在磁场中运动所用时间t 是多少？ 例2.如图所示，一束电子流以不同速率，由边界为圆形的匀强磁场的边界上一点A ，沿直径方向射入磁场，已知磁感应强度方向垂直圆平面，则电子在磁场中运动时：（ ） A 轨迹长的运动时间长 B 速率大的运动时间长 C 偏转角大的运动时间长 D 速率为某一值时不能穿出该磁场 变式.如右图所示，直角三角形ABC 中存在一匀强磁场，比荷相同的两个粒子沿AB 方向射入磁场，分别从AC 边上的P 、Q 两点射出，则 A.从P 射出的粒子速度大 B.从Q 射出的粒子速度大 C.从P 射出的粒子，在磁场中运动的时间长 D.两粒子在磁场中运动的时间一样长 例3.如右图所示，在半径为R 的圆形区域内充满磁感应强度为B 的匀强磁场，MN 是一竖直放置的感光板.从圆形磁场最高点P 垂直磁场射入大量的带正电、电荷量为q 、质量为m 、速度为v 的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是 A.只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN 上 B.对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心 C.对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长 D.只要速度满足m qBR v / ，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN 上（出射速度有什么关系？）若相同速率平行经过p 点的直径进入磁场，出射点又有什么规律？

磁场最小面积的确定方法

磁场最小面积的确定方法 电磁场内容历来是高考中的重点和难点。近年来求磁场的问题屡屡成为高考中的热点，而这类问题单纯从物理的角度又比较难求解，下面介绍几种数学方法。 一、几何法 1. 一质量为m、电荷量为+q的粒子以速度v0，从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x轴，速度方向与x轴正方向的夹角为30°，同时进入场强为E、方向沿与x轴负方向成60°角斜向下的匀强电场中，通过了b点正下方的c点，如图1所示，粒子的重力不计，试求： （1）圆形匀强磁场区域的最小面积； （2）c点到b点的距离。 图1 1．解析：（1）先找圆心，过b点逆着速度v的方向作直线bd，交y轴于d，由于粒子在磁场中偏转的半径一定，且圆心位于Ob连线上，距O点距离为圆的半径，据牛顿第二定律有： Bqv m v R 2 =① 解得R mv qB =0② 过圆心作bd的垂线，粒子在磁场中运动的轨迹如图2所示：要使磁场的区域有最小面积，则Oa应为磁场区域的直径，由几何关系知： 图2 r R =cos30°③ 由②③得r mv qB = 3 2 所以圆形匀强磁场的最小面积为： S r m v q B min == π π 2 2 2 22 3 4

（2）带电粒子进入电场后，由于速度方向与电场力方向垂直，故做类平抛运动，由运动的合成知识有： s vt ·°sin30= ④ s at ·°cos30122= ⑤ 而 a qE m = ⑥ 联立④⑤⑥解得 s mv Eq = 4302 二、参数方法 2．在xOy 平面内有许多电子（质量为m 、电荷量为e ），从坐标原点O 不断地以相同的 速率v 0沿不同方向射入第一象限，如图3所示。现加一个垂直于xOy 平面向里，磁感应强度为B 的匀强磁场，要使这些电子穿过磁场区域后都能平行于x 轴向x 轴正向运动。求符合该条件磁场的最小面积。 图3 2．解析：由题意可知，电子是以一定速度从原点O 沿任意方向射入第一象限时，先考 察速度沿+y 方向的电子，其运动轨迹是圆心在x 轴上的A1点、半径为 R mv qB = 的圆。该 电子沿圆弧OCP 运动至最高点P 时即朝x 轴的正向，可见这段圆弧就是符合条件磁场的上边界，见图5。当电子速度方向与x 轴正向成角度θ时，作出轨迹图4，当电子达到磁场边界时，速度方向必须平行于x 轴方向，设边界任一点的坐标为S x y ()，，由图4可知： 图4 x R y R R ==-sin cos θθ，，消去参数θ得： x y R R 222+-=() 可以看出随着θ的变化，S 的轨迹是圆心为（0，R ），半径为R 的圆，即是磁场区域的下边界。 上下边界就构成一个叶片形磁场区域。如图5所示。则符合条件的磁场最小面积为扇形

带电粒子在有界磁场中运动(超经典)

带电粒子在有界磁场中运动的临界问题 “临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中， 如“圆周运动中小球能过最高点的速度条 件” “动量中的避免碰撞问题”等等， 这类题目中往往含有“最大”、 “最高”、“至少”、 “恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。带电粒子在有界磁 场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。 、解题方法 画图T 动态分析T 找临界轨迹。 （这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大 半，余下的就只有计算了——这一般都不难。 ） 、常见题型 （B 为磁场的磁感应强度，V 。为粒子进入磁场的初速度） r ①旳方向一定，大小不确定一第一类 I 』确宦 < ②V 。犬小 一亦方向不确定——第二类 ■③旳大小、方向都不确定一第三类 分述如下: 第一类问题： 例1如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为 B,宽度为d ,边界为CD 和EF 。一电子从 CD 边界 外侧以速率 V 。垂直匀强磁场射入，入射方向与CD 边界夹角为0。已知电子的质量为 m 电荷量为e ,为使电子能从磁场的另一侧 EF 射出，求电子的速率 v o 至少多大？ 2.行不确宦 -①巾确定 ——第四类 {——五类

例2如图3所示，水平线 MN 下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为 B 的匀强磁场，在 MN 线上某点O 正下方与之相距 L 的质子源S,可在纸面内360°范围内发射质量为 m 电量 为e 、速度为 V o =BeL / m 的质子，不计质子重力，打在 MN 上的质子在 O 点右侧最远距离 OP ，打在O 点左侧最 远距离 OO 。 分析：首先求出半径得r =L ,然后作出临界轨迹如图 4所示（所有从 S 发射出去的质子 做圆周运动的轨道圆心是在以 S 为圆心、以r =L 为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆 ——就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆） ，O 諒L , OQL 。 【练习】如图5所示，在屏MN 勺上方有磁感应强度为 B 的匀强磁场，磁场方向垂直纸面 向里。P 为屏上的一小孔，PC 与MN 垂直。一群质量为 m 带电荷量为一q 的粒子（不计重力）， 分析：如图2，通过作图可以看到：随着 界EF 相切，然后就不难解答了。 第二类问题： V o 的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边

求磁场区域最小面积的三类问题

求磁场区域最小面积的三类问题 1、右图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=2．0×10-3 T,在X 轴上距坐标原点L=0．50m 的P 处为离子的入射口，在Y 上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=3．5×104 m/s 的速率从P 处射入磁场，若粒子在y 轴上距坐标原点L=0．50m 的M 处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。 （1）求上述粒子的比荷； （2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强电场，就可以使其沿y 轴正方向做匀速直线运动，求匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场； （3）为了在M 处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内，求此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。 2、如图所示，在竖直平面内，虚线MO 与水平线PQ 相交于O ，二者夹角 θ=30°，在MOP 范围内存在竖直向下的匀强电场，电场强度为E ，MOQ 上方的某个区域有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B ，O 点处在磁场的边界上，现有一群质量为m 、电量为+q 的带电粒子在纸面内以速度v （0

磁场的最小面积

磁场的最小面积 1．一匀强磁场，磁场方向垂直于xoy 平面，在xy 平面上，磁场分布在以O 为中心的一个圆形区域内。一个质量为m 、电荷量为q 的电带粒子，由原点O 开始运动，初速度为v ，方向沿x 正方向。后来，粒子经过y 轴上的P 点，此时速度方向与y 轴的夹角为30°，P 到O 的距离为L ，如图所示。不计重力的影响。求磁场的磁感应强度B 的大小和xy 平面上磁场区域的半径R 。 2.如图所示，第四象限内有互相正交的匀强电场E 与匀强磁场B 1， E 的大小为×103 V/m, B 1 大小为；第一象限的某个矩形区域内，有方向垂直纸面向里的匀强磁场B 2，磁场的下边界与x 轴重合．一质量m =1×10-14 kg 、电荷量q =1×10-10 C 的带正电微粒以某一速度v 沿与y 轴正方向60°角从M 点沿直线运动，经P 点即进入处于第一象限内的磁场B 2区域．一段时间后，小球经过y 轴上的N 点并与y 轴正方向成60°角的方向飞出。M 点的坐标为(0，-10)，N 点的坐标为(0，30)，不计粒子重力，g 取10m/s 2 ． (1)请分析判断匀强电场E 1的方向并求出微粒的运动速度v ； (2)匀强磁场B 2的大小为多大； (3)B 2磁场区域的最小面积为多少 y x v 3 P O

3．一个质量为m,带+q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。为了使该粒子能在AC边上的N点垂直于AC边飞出该三角形，可在适当的位置加一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重力。试求： （1）该粒子在磁场里运动的时间t； （2）该正三角形区域磁场的最小边长； （3）画出磁场区域及粒子运动的轨迹。 4．如图，ABCD是边长为a的正方形。质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域。在正方形内适当区域中有匀强磁场。电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场。不计重力，求： ⑴此匀强磁场区域中磁感应强度的方向和大小； ⑵此匀强磁场区域的最小面积。 A B C D

带电粒子在有界磁场中运动(超经典)..

带电粒子在有界磁场中运动的临界问题 “临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条件”“动量中的避免碰撞问题”等等，这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。 一、解题方法 画图→动态分析→找临界轨迹。（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算了──这一般都不难。） 二、常见题型（B为磁场的磁感应强度，v0为粒子进入磁场的初速度） 分述如下： 第一类问题： 例1 如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。一电子从CD边界外侧以速率v0垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为θ。已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率v0至少多大？

分析：如图2，通过作图可以看到：随着v0的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边界EF相切，然后就不难解答了。 第二类问题： 例2如图3所示，水平线MN下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，在MN线上某点O正下方与之相距L的质子源S，可在纸面内360°范围内发射质量为m、电量为e、速度为v0=BeL/m的质子，不计质子重力，打在MN上的质子在O点右侧最远距离OP=________，打在O点左侧最远距离OQ=__________。 分析：首先求出半径得r=L，然后作出临界轨迹如图4所示（所有从S发射出去的质子做圆周运动的轨道圆心是在以S为圆心、以r=L为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆 ──就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），OP=，OQ=L。 【练习】如图5所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。P为屏上的一小孔，PC与MN垂直。一群质量为m、带电荷量为－q的粒子（不计重力），

带电粒子在磁场中运动最小面积问题

带电粒子在磁场中运动最小面积问题 例1.在xOy平面内有许多电子（质量为m,电荷量为e）,从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限,如图所示.现加 上一个垂直于xOy平面的磁感应强度为B的匀强磁场,要求这 些电子穿过该磁场后都能沿平行于x轴正方向运动,试求出符 合条件的磁场最小面积. 例2．一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x 轴，速度方向与x轴正方向夹角30°，如图所示(粒子重力忽略不计)．试求： (1)圆形磁场区域的最小面积． (2)粒子从O点进入磁场区域到达b点所经历的时间． (3)b点的坐标． 例3．一个质量为m，带＋q电量的粒子在BC边上的M点以速度v垂直于BC边飞入正三角形ABC。为了使该粒子能在AC边上的N点图示 (CM＝CN)垂直于AC边飞出三角形ABC，可在适当的位置加 一个垂直于纸面向里，磁感应强度为B的匀强磁场．若此磁 场仅分布在一个也是正三角形的区域内，且不计粒子的重 力．试求： (1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r及周期T； (2)该粒子在磁场里运动的时间t； (3)该正三角形磁场区域的最小边长；

针对训练 1．(09年海南高考)如图甲所示，ABCD是边长为a的正方形．质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方 形区域．在正方形内适当区域中有匀强磁场．电子从BC边上的 任意点入射，都只能从A点射出磁场．不计重力，求： (1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向． (2)此匀强磁场区域的最小面积． 2．（09年福建卷）图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小B=×10-3T,在X轴上距坐标原点L=0.50m的P处为离子的入射口，在Y上安放接收器，现将一带正电荷的粒子以v=×104m/s的速率从P处射入磁场，若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50m的M 处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为q,不记其重力。 （1）求上述粒子的比荷q/m （2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限内再加一个匀强电场，就可以使其沿y轴正方向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强电场； （3）为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子， 在第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内，求 此矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。 3、（1994年全国高考试题）如图12所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限 所示的区域。为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox 轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、

高中物理带电粒子在磁场中的运动知识点汇总

难点之九：带电粒子在磁场中的运动 一、难点突破策略 （一）明确带电粒子在磁场中的受力特点 1. 产生洛伦兹力的条件： ①电荷对磁场有相对运动．磁场对与其相对静止的电荷不会产生洛伦兹力作用． ②电荷的运动速度方向与磁场方向不平行． 2. 洛伦兹力大小： 当电荷运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力f=0； 当电荷运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大，f=qυB ； 当电荷运动方向与磁场方向有夹角θ时，洛伦兹力f= qυB ·sin θ 3. 洛伦兹力的方向：洛伦兹力方向用左手定则判断 4. 洛伦兹力不做功． （二）明确带电粒子在匀强磁场中的运动规律 带电粒子在只受洛伦兹力作用的条件下： 1. 若带电粒子沿磁场方向射入磁场，即粒子速度方向与磁场方向平行，θ＝0°或180°时，带电粒子粒子在磁场中以速度υ做匀速直线运动． 2. 若带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直，即θ＝90°时，带电粒子在匀强磁场中以入射速度υ做匀速圆周运动． ①向心力由洛伦兹力提供： R v m qvB 2 = ②轨道半径公式： qB mv R = ③周期： qB m 2v R 2T π=π= ，可见T 只与q m 有关，与v 、R 无关。 （三）充分运用数学知识（尤其是几何中的圆知识，切线、弦、相交、相切、磁场的圆、轨迹的圆）构建粒子运动的 物理学模型，归纳带电粒子在磁场中的题目类型，总结得出求解此类问题的一般方法与规律。 1. “带电粒子在匀强磁场中的圆周运动”的基本型问题 （1）定圆心、定半径、定转过的圆心角是解决这类问题的前提。确定半径和给定的几何量之间的关系是解题的基础， 有时需要建立运动时间t 和转过的圆心角α之间的关系（ T 2t T 360t πα=α= 或）作为辅助。圆心的确定，通常有以下 两种方法。 ① 已知入射方向和出射方向时，可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9-1中P 为入射点，M 为出射点）。 ② 已知入射方向和出射点的位置，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9-2,P 为入射点，M 为出射点）。 （2）半径的确定和计算：利用平面几何关系，求出该圆的可能半径或圆心角。并注意以下两个重要的特点： 图9-1 图9-2 图9-3

知识讲解_带电粒子在磁场中的运动 提高

带电粒子在磁场中的运动 编稿：周军审稿：隋伟 【学习目标】 1．掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的特点和解决此类运动的方法。 2．理解质谱仪和回旋加速器的工作原理和作用。 【要点梳理】 要点一：带电粒子在匀强磁场中的运动 要点诠释： 1．运动轨迹 带电粒子（不计重力）以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场中： （1）当v∥B时，带电粒子将做匀速直线运动； （2）当v⊥B时，带电粒子将做匀速圆周运动； （3）当v与B的夹角为θ（θ≠0°，90°，180°）时，带电粒子将做等螺距的螺旋线运动． 说明：电场和磁场都能对带电粒子施加影响，带电粒子在匀强电场中只在电场力作用下，可能做匀变速直线运动，也可能做匀变速曲线运动，但不可能做匀速直线运动；在匀强磁场中，只在磁场力作用下可以做曲线运动．但不可能做变速直线运动． 2．带电粒子在匀强磁场中的圆周运动 如图所示，带电粒子以速度v垂直磁场方向入射，在磁场中做匀速圆周运动，设带电粒子的质量为m，所带的电荷量为q． （1）轨道半径：由于洛伦兹力提供向心力，则有 2 v qvB m r =，得到轨道半径 mv r qB =． （2）周期：由轨道半径与周期之间的关系 2r T v π =可得周期 2m T qB π =． 说明：（1）由公式 mv r qB =知，在匀强磁场中，做匀速圆周运动的带电粒子，其轨道半径跟运动速率 成正比． （2）由公式 2m T qB π =知，在匀强磁场中，做匀速圆周运动的带电粒子，周期跟轨道半径和运动速率 均无关，而与比荷q m 成反比． 注意： mv r qB =与 2m T qB π =是两个重要的表达式，每年的高考都会考查．但应用时应注意在计算说明 题中，两公式不能直接当原理式使用． 要点二：带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的问题分析要点诠释：

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带电粒子在磁场中运动最小面积问题 例 1.在 xOy 平面有许多电子（质量为m, 电荷量为e） ,从坐标原点O不断以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第一象限 ,如图所示 .现加上一个垂直于 xOy 平面的磁感应强度为 B 的匀强磁场 ,要求这些电子穿过该磁场后都能沿平行于 x 轴向运动 ,试求出符合条件的磁场最小面积 . 例 2 ．一质量为m 、带电荷量为q 的粒子以速度v0 从 O 点沿 y 轴向射入磁感应强度为 B 的一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面，粒子飞出磁场区域后，从 b 处穿过 x 轴，速度方向与x 轴向夹角30°，如图所示 (粒子重力忽略不计)．试求： (1)圆形磁场区域的最小面积． (2)粒子从 O 点进入磁场区域到达 b 点所经历的时间． (3)b 点的坐标． 例 3 ．一个质量为 m，带＋ q 电量的粒子在 BC 边上的 M 点以速度 v 垂直于 BC 边飞入正三角形 ABC。为了使该粒子能在 AC 边上的 N 点图示 (CM ＝ CN)垂直于 AC 边飞出三角形 ABC，可在适当的位置加一个垂 直于纸面向里，磁感应强度为 B 的匀强磁场．若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域，且不计粒子的重 力．试求： (1)粒子在磁场里运动的轨迹半径r 及周期 T； (2)该粒子在磁场里运动的时间t ； (3)该正三角形磁场区域的最小边长； 针对训练 1． (09 年高考 )如图甲所示， ABCD 是边长为 a 的形．质量为 m、电荷量为 e 的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC 边射入形区域．在形适当区域中有匀强磁场．电子从BC 边上的任意点入射，都只能从A 点射出磁场．不计重力，求： (1)此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向． (2)此匀强磁场区域的最小面积． 2．（ 09 年卷）图为可测定比荷的某装置的简化示意图，在第一象限区域有垂直于纸面向里的匀强磁场， T,在 X 轴上距坐标原点 L=0.50m的 P 处为离子的入射口，在Y 上安放接收器，磁感应强度大小 B=2.0 ×10 -3 现将一带正电荷的粒子以v=3.5 ×104m/s 的速率从 P 处射入磁场，若粒子在y 轴上距坐标原点L=0.50m 的M 处被观测到，且运动轨迹半径恰好最小，设带电粒子的质量为m,电量为 q,不记其重力。 （ 1）求上述粒子的比荷q/m （ 2）如果在上述粒子运动过程中的某个时刻，在第一象限再加一个匀强电场，就可以使其沿y 轴向做匀速直线运动，求该匀强电场的场强大小和方向，并求出从粒子射入磁场开始计时经过多长时间加这个匀强 电场； （3）为了在 M 处观测到按题设条件运动的上述粒子，在第一象限的磁场可以局限在一个矩形区域，求此 矩形磁场区域的最小面积，并在图中画出该矩形。

带电粒子在有界磁场中运动(超经典)

带电粒子在有界磁场中运动(超经典)

带电粒子在有界磁场中运动的临界问题 “临界问题”大量存在于高中物理的许多章节中，如“圆周运动中小球能过最高点的速度条件”“动量中的避免碰撞问题”等等，这类题目中往往含有“最大”、“最高”、“至少”、“恰好”等词语，其最终的求解一般涉及极值，但关键是找准临界状态。带电粒子在有界磁场中运动的临界问题，在解答上除了有求解临界问题的共性外，又有它自身的一些特点。 一、解题方法 画图→动态分析→找临界轨迹。（这类题目关键是作图，图画准了，问题就解决了一大半，余下的就只有计算了──这一般都不难。） 二、常见题型（B为磁场的磁感应强度，v0为粒子进入磁场的初速度）

分述如下： 第一类问题： 例1 如图1所示，匀强磁场的磁感应强度为B，宽度为d，边界为CD和EF。一电子从CD边界外侧以速率v0垂直匀强磁场射入，入射方向与CD边界夹角为θ。已知电子的质量为m，电荷量为e，为使电子能从磁场的另一侧EF射出，求电子的速率v0至少多大？

分析：如图2，通过作图可以看到：随着v0的增大，圆半径增大，临界状态就是圆与边界EF相切，然后就不难解答了。 第二类问题： 例2 如图3所示，水平线MN下方存在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，在MN 线上某点O正下方与之相距L的质子源S，可在纸面内360°范围内发射质量为m、电量为e、速度为v0=BeL/m的质子，不计质子重力，打在MN 上的质子在O点右侧最远距离OP=________，打在O点左侧最远距离OQ=__________。

分析：首先求出半径得r=L，然后作出临界轨迹如图4所示（所有从S发射出去的质子做圆周运动的轨道圆心是在以S为圆心、以r=L为半径的圆上，这类问题可以先作出这一圆──就是圆心的集合，然后以圆上各点为圆心，作出一系列动态圆），OP=，OQ=L。 【练习】如图5所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向

求磁场最小的面积问题二轮复习专题练习(一)附答案高中物理选修3-1

高中物理专题复习选修3-1 磁场单元过关检测 考试范围：求磁场最小面积问题；满分：100分 注意事项： 1．答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息 2．请将答案正确填写在答题卡上 评卷人得分 一、计算题 1．如图甲所示，x轴正方向水平向右，y轴正方向竖直向上。在xoy平面内有与y轴平行的匀强电场，在半径为R的圆形区域内加有与xoy平面垂直的匀强磁场。在坐标原点O处放置一带电微粒发射装置，它可以连续不断地发射具有相同 质量m、电荷量q（ q）和初速为0v的带电粒子。已知重力加速度大小为g。 （1）当带电微粒发射装置连续不断地沿y轴正方向发射这种带电微粒时，这些带电微粒将沿圆形磁场区域的水平直径方向离开磁场，并继续沿x轴正方向运动。求电场强度和磁感应强度的大小和方向。 （2）调节坐标原点。处的带电微粒发射装置，使其在xoy平面内不断地以相同速率v0沿不同方向将这种带电微粒射入第1象限，如图乙所示。现要求这些带电微粒最终都能平行于x轴正方向运动，则在保证匀强电场、匀强磁场的强度及方向不变的条件下，应如何改变匀强磁场的分布区域?并求出符合条件的磁场区域的 最小面积。 2．如图，ABCD是边长为a的正方形。质量为m、电荷量为e的电子以大小为0 v 的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域。在正方形内适当区域中有匀强磁场。电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场。不计重力，求：

（1）此匀强磁场区域中磁感应强度的方向和大小； （2）此匀强磁场区域的最小面积。 3．如图4－12甲所示，质量为m 、电荷量为e 的电子从坐标原点O 处沿xOy 平面射入第一象限内，射入时的速度方向不同，但大小均为0v ．现在某一区域内加一方向向外且垂直于xOy 平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B ，若这些电子穿过磁场后都能垂直地射到与y 轴平行的荧光屏MN 上，求： (1)荧光屏上光斑的长度． (2)所加磁场范围的最小面积 一质量m 、带电q 的粒子以速度V 0从A 点沿等边三角形ABC 的AB 方向射入强度为B 的垂直于纸面的圆形匀强磁场区域中，要使该粒子飞出磁场后沿BC 射出，求圆形磁场区域的最小面积。 如图所示，直角坐标系xOy 第一象限的区域存在沿y 轴正方向的匀强电场。现有一质量为m ，电量为e 的电子从第一象限的某点)8 3 ,(L L P 以初速度0v 沿x 轴的负方向开始运动，经过x 轴上的点)0,4 ( L Q 进入第四象限，先做匀速直线运动然后 进入垂直纸面的矩形匀强磁场区域，磁场左边界和上边界分别与轴、 轴重 合，电子偏转后恰好经过坐标原点O ，并沿 轴的正方向运动，不计电子的重

确定磁场最小面积

确定磁场最小面积的方法 电磁场内容历来是高考中的重点和难点。近年来求磁场的问题屡屡成为高考中的热点，而这类问题单纯从物理的角度又比较难求解，下面介绍几种数学方法。 一、几何法 例1. 一质量为m电荷量为+q的粒子以速度巾，从0点沿y轴正方向射入磁感应强度 为B的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，粒子飞出磁场区域后，从b处穿过x 轴，速度方向与x轴正方向的夹角为30°，同时进入场强为E、方向沿与x轴负方向成60°角斜向下的匀强电场中，通过了b点正下方的c点，如图1所示，粒子的重力不计， 试求： （1）圆形匀强磁场区域的最小面积； （2）c点到b点的距离。 解析：（1）先找圆心，过b点逆着速度v的方向作直线bd,交y轴于d,由于粒子在磁场中偏转的半径一定，且圆心位于Ob连线上，距0点距离为圆的半径，据牛顿第二定律 有： 2 也心二 应① 解得,r" 过圆心作bd的垂线，粒子在磁场中运动的轨迹如图则Oa应为磁 场区域的直径，由几何关系知： 2所示：要使磁场的区域有最小面积,

-=cos3O0 应③ 由②③得」 所以圆形匀强磁场的最小面积为： 出_ 3_ z 4『於 （2）带电粒子进入电场后，由于速度方向与电场力方向垂直，故做类平抛运动，由运动 的合成知识有： s? cos30* =丄皿彳 ⑤ S- --------- -- 联立④⑤⑥解得’… 二、参数方法 例2.在xOy平面内有许多电子（质量为m电荷量为e），从坐标原点0不断地以相同的 速率?沿不同方向射入第一象限，如图3所示。现加一个垂直于.平面向里，磁感应强度为B的匀强磁场，要使这些电子穿过磁场区域后都能平行于x轴向x轴正向运动。 求符合该条件磁场的最小面积。 图3 解析：由题意可知，电子是以一定速度从原点0沿任意方向射入第一象限时，先考察速

《带电粒子在磁场中的运动》教案示例

《带电粒子在磁场中的运动》教案示例 北京市第九中学物理教师肖伟华 设计思想 本节课是一节新常规课，组织方式为课堂教学。在设计本课时，遵循了新课程理念中“学生为主体、教师为主导”的原则，体现了传统媒体、现代媒体与课堂教学恰当整合的思想。 一．学生主体、教师主导的实现 主要通过恰当地创设教学情景来体现学生的主体地位。本节课共创设了以下几个情景： 1．在观察电子射线管中电子在磁场中的圆周运动的基础上，提出：从理论上如何分析、论证带电粒子垂直射入匀强磁场中时，为什么是匀速圆周运动？引导学生分析、推理、论证。 2．在得出带电粒子做匀速圆周的结论后，提出：粒子在多大的圆周上运动？运动一周的时间是多少？引导学生运用牛顿第二定律，结合圆周运动的知识，推导带电粒子运动的轨道半径和运动周期。 3．最后，提出：带电粒子在磁场中运动规律在实际中有什么应用？引导学生运用所学知识，分析质谱仪、回旋加速器的原理。 在整个课堂教学过程中，通过教师的引导，学生观察实验；思考回答问题；分析、推理、论证；完成实验原理设计，在这一系列的活动中，学生始终处于主体地位，是活动的主体。应用所学知识解决实际问题的过程，充分调动了学生的主体参与，而教师则始终主导着课堂的进行，体现教师的主导作用。 二．现代媒体与课堂教学的整合 在现代课堂教学中，现代媒体已经成为一个重要的支持教学的工具，媒体与课堂教学的整合一般有以下几种方式： 1．模拟演示／多媒体展示 2．情境化学习 3．微型世界 4．虚拟实验 具体采用哪种整合方式应视教学目标而定。在本课的教学中，目标是让学生建立带电粒子垂直进入匀强磁场时的运动图景，掌握带电粒子的运动规律及其应用。图景的建立是难点，为了突破这个难点，我设计了一个模拟带电粒子在磁场中运动的软件，在学生观察了电子射线管中电子的圆周运动后，再让学生观察模拟运动，帮助学生建立动态图景，突破了思维障碍。为了展示质谱仪和螺旋加速器的原理，我制作了相应的课件，动态演示它们的工作原理，帮助学生建立直观的图景，降低了教学难度。在整堂的教学过程中，传统媒体、现代媒体有机融合，相辅相成，使课堂教学行云流水，提高了课堂教学质量和教学效果。

磁场最小面积史鸿耀

磁场最小面积史鸿耀 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

（2010南平模拟）（强化班学生做）如图所示，第 四象限内有互相正交的匀强电场E 与匀强磁场B 1，E 的大小为×103V/m ，B 1大小为．第一象限的某 个矩形区域内．．．．． ，有方向垂直纸面向里的匀强磁场B 2，磁场的下边界与x 轴重合．一质量m=1×10-14 kg 、电荷量q=1×10-10C 的带正电微粒以某一速 度v 沿与y 轴正方向60°角从M 点沿直线运动，经P 点 即进入处于第一象限内的磁场B 2区域．一段时间后，微粒经过y 轴上的N 点并与y 轴正方向成60°角的方向飞出．M 点的坐标为（0，-10），N 点的坐标为（0，30），不计微粒的重力，g 取10m/s 2．求： （1）请分析判断匀强电场E 1的方向并求出微粒的运动速度v ； （2）匀强磁场B 2的大小为多大； （3）B 2磁场区域的最小面积为多少 解：(1) 由于重力忽略不计，微粒在第四象限内仅受 ，且微粒做直线运动，速度的变化会引起洛仑兹力的变化，所以微粒必做匀速直线运动．这样，电场力和洛仑兹力大小相等，方向相反，电场E 的方向与微粒运动的方向垂直，即与y 轴负方向成60°角斜向下． 由力的平衡有 Eq =B 1qv ∴ (2) 画出微粒的运动轨迹如图．由几何关系可 知粒子在第一象限内做圆周运动的 半径为

微粒做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，即解之得 (3) 由图可知，磁场B2的最小区域应该分布在图示的矩形PACD内．由几何关系易得 所以，所求磁场的最小面积为 如图所示，一带电粒子以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动，经过一段时间后进入一垂直于纸面向里、磁感应强度为B的最小的圆形匀强磁场区域（图中未画出磁场区域），粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L的匀强电场. 电场强度大小为E，方向 竖直向上. 当粒子穿出电场时速度大小变为原来的倍. 已知带电粒子的质量为m，电量为q，重力不计. 粒子进入磁场前的速度与水平方向 成60°角. 试解答： （1）粒子带什么电 （2）带电粒子在磁场中运动时速度多大 （3）该最小的圆形磁场区域的面积为多大 ?解析: （1）根据粒子在磁场中偏转的情况和左手定则可知，粒子带负电. （2分） （2）由于洛伦兹力对粒子不做功，故粒子以原来的速率进入电场中，设带电粒 子进入 电场的初速度为v0，在电场中偏转时做类平抛运动，由题意知粒子离开电场时的

磁场区域的最小面积.

磁场区域的最小面积 传统的磁场题一般是已知磁场,画轨迹,本部分题目是由轨迹反推磁场区域,是逆向推理,难度较大。 1.一匀强磁场,磁场方向垂直于 xoy 平面,在 xy 平面上,磁场分布在以 O 为中心的一个圆形区域内。一个质量为 m 、电荷量为 q 的电带粒子,由原点 O 开始运动, 初速度为 v ,方向沿 x 正方向。后来,粒子经过 y 轴上的 P 点,此时速度方向与 y 轴 的夹角为 30°, P 到 O 的距离为 L ,如图所示。不计重力的影响。求磁场的磁感应强度 B 的大小和 xy 平面上磁场区域的半径 R 。 2. 如图所示,第四象限内有互相正交的匀强电场 E 与匀强磁场 B 1, E 的大小为0.5×103V/m, B 1大小为 0.5T ;第一象限的某个矩形区域内,有方向垂直纸面向里的匀强磁场 B 2,磁场的下边界与 x 轴重合.一质量 m =1×10-14kg 、电荷量 q =1×10-10C 的带正电微粒以某一速度 v 沿与 y 轴正方向 60°角从 M 点沿直线运动, 经 P 点即进入处于第一象限内的磁场 B 2区域.一段时间后,小球经过 y 轴上的 N 点并与 y 轴正方向成 60°角的方向飞出。 M 点的坐标为 (0, -10 , N 点的坐标为 (0, 30 ,不计粒子重力, g 取 10m/s2. (1请分析判断匀强电场 E 1的方向并求出微粒 的运动速度 v ; (2匀强磁场 B 2的大小为多大?; (3B 2磁场区域的最小面积为多少?

3. 一个质量为 m, 带 +q电量的粒子在 BC 边上的 M 点以速度 v 垂直于 BC 边飞入正三角形 ABC 。为了使该粒子能在 AC 边上的 N 点垂直于 AC 边飞出该三角形,可在适当的位置加一个垂直于纸面向里, 磁感应强度为 B 的匀强磁场。若此磁场仅分布在一个也是正三角形的区域内,且不计粒子的重力。试 求: (1该粒子在磁场里运动的时间 t ; (2该正三角形区域磁场的最小边长; (3画出磁场区域及粒子运动的轨迹。 4.如图, ABCD 是边长为 a 的正方形。质量为 m 、电荷量为 e 的电子以大小为v 0的初速度沿纸面垂直于 BC 边射入正方形区域。在正方形内适当区域中有匀强磁场。电子从 BC 边上的任意点入射,都只能从 A 点射出磁场。不计重力,求: