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matlab仿真 带电粒子在电磁场中的受力与运动特性研究实验

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沿????负方向和????方向的洛伦兹力,洛伦兹力的大小随????????的变化而变化。最开始????变大,带电物体受到????方向电场力和????负方向洛伦兹力所构成的合力先减小至0后反向增大,????速度先增大后减小至0后反向增大。当????小于0且反向增大时,带电物体受到????负方向

的洛伦兹力也增大,从而导致????变小。

c) 综上所述,带电物体的运动轨迹图为螺旋线

(2) 电场强度为零,磁场强度不为零

设置初始参数:??=0,??=2??( ??沿????方向)

分析:

a) 带电物体在????轴方向不受电场力和磁场力作用,所以带电物体沿????

轴方向做匀速直线运动 b) 带电物体在??????轴上入射角为45°,只受到大小不变,其方向遵循左手定则的洛伦兹力。带电物体在??????轴上的轨迹为圆 c) 综上所述,带电物体的运动轨迹图为螺旋线

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(3) 电场强度为不为零,磁场强度为零

设置初始参数:??=??=2??/??,??=0(??沿????方向)

分析:

a) 带电物体在????轴方向不受电场力和磁场力作用,所以带电物体沿????

轴方向做匀速直线运动 b) 带电物体在??????轴上入射角为45°,只受沿????方向恒定的电场力,

所以沿带电物体????轴做匀加速直线运动,沿????轴做匀速直线运动

Part B 发挥部分 (一) 初始参数设定

在??????轴中,设有6个??=10?6????,??=2×10?6??带电粒子从原点沿不同角度以??=1??/??的速率进入??=2??匀强磁场(垂直纸面向外)。6个粒子进入

??1=0°??2=10°匀强磁场的角度分别为:

??3=20°??4=30°??5=40°??6=50°

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(二) 带电粒子束的运动轨迹图。

分析:

1) 带电粒子束由于每个带电粒子的质量,所带电荷,进入匀强磁场的

速率都相同,所以每个带电粒子所受到的洛伦兹力大小都相同且不变,即每个带电粒子做圆周运动的轨道半径,周期都相同。又因为每个带电粒子都从原点出发,所以当带电粒子经过一周期的圆周运动后,必交于原点,从而产生磁聚焦现象。

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Part C 提高部分 (一) 公式推导

v设带电粒子质量为m,电量为q,进入磁感应强度为B磁场中运动微分方程为:

??2???d???

?? ??2=??×??

??????t上式可以在直角坐标系中展开为如下形式:

??2???????????? 2=(?????????)?????????????? 2

??????????????

=(???+????) ??2?????????? ????2 ???? ??????????

{????2=??(?????????????????)令??1=??,??2=

????

,??3=??,??4=????

????

,??5=??,??6=????

????????

则上式可以化简为如下一阶微分线性方程组:

????1 =??2????

????2=??(?????????)

6?? ??????4??

????

3=??4???? ????4=??(?????+????)

2??6??

?????? ????5 =??6????

????6??

{????=??(??2???????4????)

由一阶线性方程组构建马尔科夫链:

??(??+1)=??1(??)+??2(??)???? 1??

??2(??+1)=??2(??)+(??4(??)???????6(??)????)????

??

??3(??+1)=??3(??)+??4(??)????

??

()()????+1=????+(???(??)??+??(??)??)????42??6?? 4

?? ??(??+1)=??(??)+??(??)????

56 5

??

()()()

{??6??+1=??6??+??(??2?????????4(??)????)????

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(二) 带电粒子束的运动轨迹图

分析:

a) 由图可知,两点磁场强,中间磁场(0点附近)弱。带电粒子

从原点正方向出发,当磁场由弱增强时,带电粒子受到阻止其向y轴正方向方向运动的洛伦兹力,当y轴正方向速度减为0时,粒子开始向y轴负半轴运动。当y<0时,磁场由弱增强,带电粒子受到阻止其向y轴负方向方向运动的洛伦兹力,当y轴负方向速度减为0时,粒子开始向y轴正半轴运动。即如图所示的磁镜现象。

(三) 心得体会

1. 学会通过虚拟仿真,观察带电粒子在电磁场中的运动行为。 2. 学会了运用Matlab对电磁场进行数值模拟

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matlab仿真 带电粒子在电磁场中的受力与运动特性研究实验

沿????负方向和????方向的洛伦兹力,洛伦兹力的大小随????????的变化而变化。最开始????变大,带电物体受到????方向电场力和????负方向洛伦兹力所构成的合力先减小至0后反向增大,????速度先增大后减小至0后反向增大。当????小于0且反向增大时,带电物体受到????负方向的洛伦兹力也增大,从而导致????变小。c)综上所述,带电物体的运动轨
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