探析磁場(chǎng)中的“八求”

成金德

帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題是一類(lèi)典型的力電綜合問(wèn)題，它具有綜合性強(qiáng)、能力要求高、解題難度大等特點(diǎn)。要掌握解決此類(lèi)問(wèn)題的方法，必須先熟練把握以下具有奠基性的“八求”。

1. 求時(shí)間.

求帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，關(guān)鍵在于確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間t與帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T間的關(guān)系。一般情況下，它們的關(guān)系為t=T，θ指t時(shí)間內(nèi)帶電粒子運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)的軌跡圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角。

【例1】如圖1所示，在半徑為R的圓內(nèi)，有方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一帶電粒子以初速度v沿半徑ao方向從a點(diǎn)射入磁場(chǎng)，又從c點(diǎn)飛出磁場(chǎng)，測(cè)出∠aoc=120°，則粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為多大？

分析：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中僅受洛侖茲力作用而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。過(guò)a、c兩點(diǎn)分別作速度的垂線(xiàn)ab和bc，則它們的交點(diǎn)b即為粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心，由幾何關(guān)系知：

∠abo=30°

粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為：

r=Rcot30°=R

因?yàn)門(mén)=，而t=T。解得t=。

2. 求半徑.

半徑有軌道半徑和區(qū)域半徑之分。軌道半徑指帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓周半徑，而區(qū)域半徑是指某一特定圓區(qū)域的圓周半徑。求軌道半徑有二條途徑：其一，由帶電粒子受到的洛侖茲力提供向心力，即qvB=m得r=;其二，根據(jù)題設(shè)條件，利用幾何關(guān)系求軌道半徑r。求區(qū)域半徑時(shí)，可依據(jù)題設(shè)條件分析求解。

【例2】一帶電質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量為m，電量為q，以平行于ox軸的速度v從y軸上的a點(diǎn)射入如圖3中第一象限的區(qū)域。為了使該質(zhì)點(diǎn)能從x軸上的b點(diǎn)以垂直于ox軸的速度v射出，可在適當(dāng)?shù)牡胤郊右粋€(gè)垂直于xy平面、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。若此磁場(chǎng)僅分布在一個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)，試求這圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的最小半徑。重力忽略不計(jì)。

分析：為使帶電質(zhì)點(diǎn)偏轉(zhuǎn)90°角，質(zhì)點(diǎn)在磁場(chǎng)中必須運(yùn)動(dòng)過(guò)個(gè)圓周，即從圖4中的c點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到d點(diǎn)。作c、d兩點(diǎn)速度的垂線(xiàn)交于o點(diǎn)，o點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心，即oc 等于軌道半徑r，由洛侖茲力提供向心力得：

qvB=m……①

為確保質(zhì)點(diǎn)能在cd段做圓周運(yùn)動(dòng)，則cd段所在處必須存在磁場(chǎng)，顯然，以cd連線(xiàn)的中點(diǎn)o′為圓心、以o′c 的長(zhǎng)度為半徑R的磁場(chǎng)區(qū)域是面積最小的，所以有：

R=r……②

利用①②兩式解得：R=。

3. 求速度.

帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛侖茲力提供向心力，即qvB=m，得r=，從式中看出，粒子的速度制約粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，求帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，一方面要注意利用qvB=m，另一方面還須兼顧題設(shè)條件。

【例3】如圖5所示，在POQ區(qū)域內(nèi)分布有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，有一束負(fù)離子流沿紙面垂直于磁場(chǎng)邊界OQ方向從A點(diǎn)射入磁場(chǎng)，已知OA=s，∠POQ=45°，負(fù)離子的質(zhì)量為m，帶電量為-q，要使負(fù)離子不從OP邊射出，負(fù)離子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度最大不超過(guò)多少？

分析：要使負(fù)離子不從OP邊射出，則離子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓弧曲線(xiàn)不能越過(guò)OP邊界線(xiàn)，當(dāng)負(fù)離子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度達(dá)到最大時(shí)，負(fù)離子做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓弧曲線(xiàn)將恰好與直線(xiàn)OP相切，如圖6所示。則△OBC是直角三角形，有：OB=r

因?yàn)椋篛A=s，AB=r

所以：AB=OB-OA 即：r=r-s

整理后得：r==（+1）s

因?yàn)椋簈vB=m，解得：v==（+1）s。

4. 求偏角.

求帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角時(shí)，注意從以下二個(gè)方面入手。其一，過(guò)粒子在磁場(chǎng)中的始末位置作速度的垂線(xiàn)，交點(diǎn)即為粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心;其二，利用幾何關(guān)系求出偏角θ。

【例4】電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電子束經(jīng)過(guò)電壓為U的加速電場(chǎng)后，進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，如圖7所示。磁場(chǎng)方向垂直于圓面，磁場(chǎng)區(qū)的中心為O，半徑為R。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)，電子束將通過(guò)O點(diǎn)將打到屏幕的中心M點(diǎn)，若所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，求電子射出磁場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角θ。

分析：電子在電場(chǎng)中做加速運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)能定理得：eU=mv2……①

電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律得：evB=m……②

過(guò)電子射入點(diǎn)a和射出點(diǎn)b作速度的垂線(xiàn)o′a和o′b，交點(diǎn)o′即是電子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心，如圖8所示。由幾何關(guān)系得：

tan=……③

解以上三式得：θ=2arc tan（BR）

5. 求路程

帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在一個(gè)周期內(nèi)經(jīng)過(guò)的路程等于圓周的周長(zhǎng)，故可用s=n×2？仔r求路程（n為運(yùn)動(dòng)的周期數(shù)，r為軌道半徑）。

【例5】一個(gè)電子（質(zhì)量為m，電量為e）以初速度v從x軸上某點(diǎn)垂直x軸進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，如圖9所示，已知x軸上方磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，x軸下方磁感應(yīng)強(qiáng)度為2B。求電子在二個(gè)周期內(nèi)通過(guò)的路程是多少？電子運(yùn)動(dòng)二個(gè)周期通過(guò)的位移是多少？

分析：先分析電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，并畫(huà)出它的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖10所示。由圖可知電子在二個(gè)周期內(nèi)通過(guò)的路程為：s=2？仔r1+2？仔r2

而：qvB=m，qvB=m，

所以：s=

而電子在二個(gè)周期內(nèi)的位移大小等于始末位置間的距離，即：s位=ab=2r1=。

6. 求螺距.

當(dāng)帶電粒子的速度方向與勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)，如圖11所示。該粒子將做螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。它的軌跡半徑r=（v⊥指與磁場(chǎng)方向垂直的分速度），螺距為s=v|| T（v|| 指與磁場(chǎng)方向平行的分速度，T為周期）。

【例6】如圖11所示為沿水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一質(zhì)量為m、帶電量為-q的粒子以初速度v沿磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向成θ角射入磁場(chǎng)，粒子的重力不計(jì)。求帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期和螺距。

分析：將v分解為沿B方向的v|| 和垂直于B方向的v⊥兩個(gè)分速度，即：

v|| =vcosθ，v⊥=vsinθ

沿B方向，帶電粒子做勻速運(yùn)動(dòng);在垂直于B方向，帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，帶電粒子的合運(yùn)動(dòng)即為螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。如圖12所示。

在B方向，螺距為：s=v|| T

在垂直于B方向有：qvB=m，

而：T==，解得：s=vcosθ×=。

7. 求軌跡.

確定帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，一般用r=進(jìn)行分析判斷，從式中看到，帶電粒子的軌道半徑隨v和B的變化而變化。

【例7】一帶電粒子沿垂直于磁場(chǎng)方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，粒子的一段徑跡如圖13所示，徑跡上每一小段都可以看成圓弧，由于帶電粒子使沿途空氣電離，粒子的能量逐漸減小，但電量保持不變。則可判斷（? ? ?）

A. 粒子從a點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，粒子帶正電

B. 粒子從a點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，粒子帶負(fù)電

C. 粒子從b點(diǎn)向a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，粒子帶正電

D. 粒子從b點(diǎn)向a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，粒子帶負(fù)電

分析：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，有qvB=m，即粒子的軌道半徑為r=。由于帶電粒子使沿途空氣電離，粒子的動(dòng)能減小，即速度變小，從r=中看出，軌道半徑將變小，可見(jiàn)粒子是從b點(diǎn)向a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。再運(yùn)用左手定則可判定該粒子帶正電。所以正確選項(xiàng)為C。

8. 求范圍.

帶電粒子在有界的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，求解帶電粒子從什么范圍內(nèi)射出磁場(chǎng)或粒子將到達(dá)邊界上的哪些區(qū)域的問(wèn)題，關(guān)鍵在于帶電粒子能到達(dá)的邊界位置，即兩個(gè)特殊端點(diǎn)，解題中要充分利用粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓弧（或軌道半徑）與邊界約束條件之間的關(guān)系。

【例8】如圖14所示為一足夠長(zhǎng)但寬度d=8.0×10-2 m的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.33T，方向如圖14所示，在磁場(chǎng)邊界MN上有一放射源S，從S上可發(fā)射出沿紙面向各個(gè)方向的α粒子，初速度為v0=3.2×106 m/s。已知α粒子的的質(zhì)量m=6.6×10-27 kg，電量q=3.2×10-19 C。試求α粒子從磁場(chǎng)的另一邊界PQ射出的長(zhǎng)度范圍。

分析：α粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為：

qvB=m，

則有：r===0.20m

對(duì)所有從S射出的α粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析可知，從S射出沿邊界MN向下運(yùn)動(dòng)的α粒子將到達(dá)邊界PQ的最下端a處，如圖15所示，該粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心o1，由幾何關(guān)系得：

y1===0.16m

從S射出，到達(dá)邊界PQ時(shí)速度方向正好沿邊界向上運(yùn)動(dòng)的α粒子將到達(dá)邊界PQ的最上端位置b，如圖15所示。由幾何關(guān)系知：y2==0.16m，

可見(jiàn)，α粒子射出的長(zhǎng)度范圍為：ab=y1+y2=0.32m。

總之，熟練掌握“八求”，認(rèn)真打好基礎(chǔ)，以求有效解答帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

責(zé)任編輯 李平安