滑绝缘空心细管MN的长度为h，管内M端有一质量为m、带正电q的小球P，开始时小球P相对管静止，管带着小球P沿垂直于管长度方向的恒定速度u向图中右方运动．设重力及其它阻力均可忽略不计．（1）当小球P相对管上升的速度为v时，小球上升的加速度多大？（2）小球P从管的另一端N离开管口后，在磁场中作圆周运动的圆半径R多大？（3）小球P在从管的M端到N端的过程中，管壁对小球做的功是多少？ 解析：（1）设此时小球的合速度大小为v合，方向与u的夹角为θ 有v合?v2?u2……① cosθ=u/v合=u/v2?u2 ………②
此时粒子受到的洛伦兹力f和管壁的弹力N如所示，由牛顿第二定律可求此时小球上升的加速度为：a=fcosθ=qv合Bcosθ/m………③
联立①②③解得：a=quB/m
（2）由上问a知，小球上升加速度只与小球的水平速度u有关，故小球在竖直方向
上做加速运动．设小球离开N端管口时的竖直分速度为vy，由运动学公式得vy?2ah?2quBh/m u2?此时小球的合速度v?u2?v2y?2quBh m 故小球运动的半径为 R?mv1?2qumBh?m2u2 qBqB2
2
（3）因洛化兹力对小球做的功为零，由动能定理得管壁对小球做的功为： W=?mv－?mu=quBh
【例4】在两块平行金属板A、B中，B板的正中央有一α粒子源，可向各个方向射出速率不同的α粒子，如图所示．若在A、B板中加上UAB＝U0的电压后，A板就没有α粒子射到，U0是α粒子不能到达A板的最小电压．若撤去A、B间的电压，为了使α粒子不射到A板，而在A、B之间加上匀强磁场，则匀强磁场的磁感强度B必须符合什么条件（已知α粒
－
子的荷质比m／q=2．l×108kg/C，A、B间的距离d＝10cm，电压U0=4．2×104V）？
解析：α粒子放射源向各个方向射出速率不同的α粒子，设最大的速率为vm。则各个方向都有速率为vm的α粒子．当A、B板加了电压后，A、B两板间的电压阻碍α粒子到达A板，其方向是垂直两板并由A板指向B板。
在无电场时，α粒子在沿B向A板运动方向上有d=vcosθt………①，其中θ是α粒子速度与垂直两板的直线的夹角．在①式中最容易到达A板的α粒子应有θ＝0，v＝vm，即其速度方向由B极指向A板，且速
2
率最大的α粒子，这些α粒子若达不到A板，其余的α粒子均达不到A板．由动能定理可得qU0＝mvm／2………②；
若撤去电场，在A、B间加上匀强磁场，这些α粒子将做匀速圆周运动，其半径为R，R=mv/qB……③，由③式可知，在B一定的条件下，v越大，R越大，越容易打到A板；反之，当v值取最大值vm后，若所有具有vm的α粒子不能达到A板，则所有的α粒子均不能达到
A板．在所有方向上的α粒子中，它们的轨迹刚好与A板相切的情况如图所示．在图中与A板相切的轨迹中最小半径为R3，若R3是具有速率为vm的α粒子的半径，则其它具有vm的α粒子均不能到达 A板．若令R3为最小值Rmin时，即图中Rmin= d／2是所有α粒子中轨迹与A板相切的最小半径，将其代入③式后得d／2=mvm/qBmin……④，由②④两式可得Bmin=22mU0/q／d=0．84T，所以，A、B两板之间应加上垂直于纸面的匀强磁场，且磁感强度 B ≥0．84 T时，所有的α粒子均不能到达A板． 规律方法 1、带电粒子在磁场中运动的圆心、半径及时间的确定 （1)用几何知识确定圆心并求半径．
因为F方向指向圆心，根据F一定垂直v，画出粒子运动轨迹中任意两点（大多是射入点和出射点）的F或半径方向，其延长线的交点即为圆心，再用几何知识求其半径与弦长的关系． (2)确定轨迹所对应的圆心角，求运动时间．
11 第 页
先利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于3600（或2π）计算出圆心角θ的大小，再由公式t=θT/3600（或θT/2π）可求出运动时间． (3)注意圆周运动中有关对称的规律．
如从同一边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等；在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出．
【例5】如图所示，一束电子（电量为e）以速度v垂直射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，穿过磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是300，则电子的质量是 ，穿过磁场的时间是 。 解析：电子在磁场中运动，只受洛伦兹力作用，故其轨迹是圆弧一部分，又因为f⊥v，故圆心在电子穿入和穿出磁场时受到洛伦兹力指向交点上，如图中的O点，由几何知
00
识知，AB间圆心角θ=30，OB为半径．所以r=d/sin30=2d．
又由r=
mv得m＝2dBe／v． Be0
又因为AB圆心角是30，所以穿过时间 t=
112?m?dT=×=． 1212Be3v【例6】如图所示，一束电子以大小不同的速率沿图示方向飞入横截面是一正方形的匀强磁场，下列判断
正确的是（ ）
A、电子在磁场中运动时间越长，其轨迹线越长
B．电子在磁场中运动时间越长。其轨迹线所对应的圆心角越大 C．在磁场中运动时间相同的电子，其轨迹线一定重合 D．电子的速率不同，它们在磁场中运动时间一定不相同
解析：在图中画出了不同速率的电子在磁场中的轨迹，由前面的知识点可知轨迹的
半径R=mv／qB，说明了半径的大小与电子的速率成正比．但由于电子在磁场中运动时间的长短仅与轨迹所对应的圆心角大小有关，故可判断图中五条轨迹线所对应的运动时间关系有t5＝t4＝t3＞t2＞t1显然，本题选项中只有B正确．
点评：本题所考查的是带电粒子在矩形（包括正方形）磁场中运动的轨迹与相应的运动时间的关系问题．不同速率的电子在磁场中的偏转角大小（也就是在磁场中运动时间的长短），由知识点中的周期表达式看来与半径是没有关系的，但由于磁场区域的边界条件的限制，由图说明了半径不同，带电粒子离开磁场时速度方向变化可能不同，也可能相同．由周期关系式必须明确的一点是：带电粒子在磁场中运动的时间长短决定于轨迹所对应的圆心角．
【例7】如图所示，半径R=10cm的圆形区域边界跟y轴相切于坐标系原点O。磁感强度B＝0．332 T，方向垂直于纸面向里，在O处有一放射源 S，可沿纸面向各个方向射出速率均为v=3．2×106m/s的α粒
－－
子．已知α粒子的质量m= 6．64×1027 kg，电量q=3．2 ×1019 C． （1）画出α粒子通过磁场空间做圆周运动的圆心的轨迹．（2）求出α粒子通过磁场空间的最大偏转角θ．（3）再以过O点并垂直纸面的直线为轴旋转磁场区域，能使穿过磁场区域且偏转角最大的α粒子射到正方向的y轴上，则圆形磁场直径
OA至少应转过多大的角度β． 解析：（l）α粒子的速度相同，在同一匀强磁场中运动的半径相同，均由洛仑兹力提
2
供向心力 f= qvB=mv／r，r＝mv／Qb=20cm
所以α粒子的圆心与S（即O点）的距离均为r，其圆心的轨迹为以S为圆心、以20cm为半径的一段圆弧，如图所示．
（2）由于α粒子的轨道半径r大于磁场区域的半径R，α粒子最长的轨迹所对应的弦为2R=r=20cm时，α粒子在磁场中最大的偏转角的轨迹就是α粒子在磁场中最长的轨迹线，由于最长的轨迹线的弦长与其轨迹
0
半径相等，所以偏转角的最大值为θ=60
0
（3）由（2）中可知α粒子的最大偏转角为60；且所对的弦为OA，故α粒子在磁场轨迹的入射点O和出射点A与其轨迹圆心O1的连线和OA组成一个正三角形，也就是α粒子离开磁场时与x轴正方向的夹角γ
0
＝30，如图所示．要使偏转角最大的α粒子离开磁场时能打在y轴的正方向上，则α粒子与x轴的正方向
12 第 页
夹角γ＞90，则OA绕过O点的水平轴至少要转过β=γ一γ＝60．
点评：带电粒子在磁场中的轨迹不大于半圆时，要使带电粒子在磁场中的偏转角最大，就是要求带电粒子在磁场中的轨迹线愈长（由于半径确定），即所对应的弦愈长．在圆形磁场中，只有直径作为轨迹的弦长最长．所以要求带电粒子进入磁场时的入射点、离开磁场时的出射点的连线为圆形磁场区域的直径．这是本题的难点。若是r＞R，情况就完全变了，这时带电粒子在磁场中的轨迹可能大于半圆或等于半圆，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T=2πm／qB，这是一个与速度大小和半径无关的物理量，也就是说在磁场中运动时间长短仅与轨迹所对圆心花怒放角有关，在具体确定时还与磁场的边界有关，矩形的边界和圆形的边界是不相同的． 2、洛仑兹力的多解问题
（1）带电粒子电性不确定形成多解．
带电粒子可能带正电荷，也可能带负电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致双解．
（2）磁场方向不确定形成多解．
若只告知磁感应强度大小，而未说明磁感应强度方向，则应考虑因磁场方向不确定而导致的多解． （3）临界状态不惟一形成多解．
带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，它可能穿过去，也可能偏转1800从入射界面这边反向飞出．另在光滑水平桌面上，一绝缘轻绳拉着一带电小球在匀强磁场中做匀速圆周运动，若绳突然断后，小球可能运动状态也因小球带电电性，绳中有无拉力造成多解． （4）运动的重复性形成多解．
如带电粒子在部分是电场，部分是磁场空间运动时，往往具有往复性，因而形成多解．
【例8】如图所示，一半径为R的绝缘圆筒中有沿轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B，一质量为m，带电荷量为q的正粒子（不计重力）以速度为v从筒壁的A孔沿半径方向进入筒内，设粒子和筒壁的碰撞无电荷量和能量的损失，那么要使粒子与筒壁连续碰撞，绕筒壁一周后恰好又从A孔射出，问： (1)磁感应强度B的大小必须满足什么条件？ (2)粒子在筒中运动的时间为多少？
解析:(1)粒子射入圆筒后受洛仑兹力的作用而发生偏转,设第一次与B点碰撞,撞后速度方向又指向O点,设粒子碰撞n-1次后再从A点射出,则其运动轨迹是n段相等的弧长.
/
设第一段圆弧的圆心为O,半径为r,则θ=2π/2n=π/n.,由几何关系得r?Rtan/0/0
?n,又由r=mv/Bq,联立得:B?mvRqtan?n(n?1.2.3?)
·O ╯θ A B φ⌒/O 2?tan?nR(2)粒子运动的周期为:T=2πm/qB,将B代入得T????????n?2弧AB所对的圆心角??2?????2?????
n?2??2n?v
?1n?22?R??n?2??R?T?????tan??tan (n=3.4.5……) 2?2?nvnnvn?n?2??R? (n=3.4.5……)
故粒子运动的总时间为t?nt/?tan粒子由A到B所用的时间t/?vn【例9】S为电子源，它只能在如图（l）所示纸面上的3600范围内发射速率相同，质量为m，电量为e的电子，MN是一块竖直挡板，与S的水平距离OS=L，挡板左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B．
（l）要使S发射的电子能到达挡板，则发射电子的速度至少多大？
（2）若S发射电子的速度为eBL／m时，挡板被电子击中范围多大？（要求指明S在哪个范围内发射的电子可以击中挡板，并在图中画出能击中挡板距O上下最远的电子的运动轨道）
13 第 页
【解析】（l）电子在磁场中所受洛仑较为提供向心力qBV= mV/r 当r= L/2时，速度v最小， 由①、②可得，V=eBL／2m
///2//
（2）若S发射电子速率V=eBL／m，由eVB=mV/r 可得：r=L
/
由左手定则知，电子沿SO发射时，刚好到达板上的b点，且OB= r= L，由SO逆时针
0//
转180的范围内发射的电子均能击中挡板，落点由b→O→a→b→a，其中沿SO发射的电并击中挡板上的a点，且aO=
2
?2L?2?L2=
3L．由上分析可知，挡板能被电子击中的范
围由a→b，其高度h=3L＋L=（3十l）L，击中a、b两点的电子轨迹，如图（2）所
示．
【例10】M、N、P为很长的平行边界面，M、N与M、P间距分别为L1、L2，其间分别有磁感应强度为B1和B2的匀强磁场区，Ⅰ和Ⅱ磁场方向垂直纸面向里，B1≠B2，有一带正电粒子的电量为q，质量为m，以大小为v的速度垂直边界M及磁场方向射入MN间的磁场区域，讨论粒子初速度v应满足什么条件才可穿过两个磁场区域（不计粒子的重力）。 解析:先讨论粒子穿出B1的条件：
设粒子以某一速度v在磁场B1中运动的圆轨迹刚好与M 2qB1L1vv?相切，此时轨迹半径刚好为L1，由 qvB 1 ? m 得：
mL1
qBL1v ?由此可得使粒子能穿出B1的条件是： 1 。
m再讨论粒子穿出B2条件：
又设粒子以某一v1?qvB1的速度穿出了B1后在B2中穿过 m时其圆轨迹又刚好与P相切，如图所示，粒子在B1中的运动轨迹所对的圆心角为θ，那么：
mv1L1qB1，粒子在B2运动的轨迹半径为：R?
qBmv12mvmv1L1qB1由几何知识得：R－Rsinθ=L2 所以有： 1 ? ? ? L 2
qB2qB2mv1sin??
解得：v1?
qB1L1?qB2L2qBL?qB2L2，所以当粒子的速度v1?11时就可以穿出B1和B2。
mm
专题:带电粒子在复合场中的运动
基础知识 一、复合场的分类：
1、复合场：即电场与磁场有明显的界线，带电粒子分别在两个区域内做两种不同的运动，即分段运动，该类问题运动过程较为复杂，但对于每一段运动又较为清晰易辨，往往这类问题的关键在于分段运动的连接点时的速度，具有承上启下的作用．
14 第 页
2、叠加场：即在同一区域内同时有电场和磁场，些类问题看似简单，受力不复杂，但仔细分析其运动往往比较难以把握。
二、带电粒子在复合场电运动的基本分析
1.当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止． 2.当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动． 3.当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动．
4.当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的时，粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理．
三、电场力和洛伦兹力的比较
1.在电场中的电荷，不管其运动与否，均受到电场力的作用；而磁场仅仅对运动着的、且速度与磁场方向不平行的电荷有洛伦兹力的作用．
2.电场力的大小F＝Eq，与电荷的运动的速度无关；而洛伦兹力的大小f=Bqvsinα,与电荷运动的速度大小和方向均有关．
3.电场力的方向与电场的方向或相同、或相反；而洛伦兹力的方向始终既和磁场垂直，又和速度方向垂直． 4.电场力既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向，而洛伦兹力只能改变电荷运动的速度方向，不能改变速度大小
5.电场力可以对电荷做功，能改变电荷的动能；洛伦兹力不能对电荷做功，不能改变电荷的动能．
6.匀强电场中在电场力的作用下，运动电荷的偏转轨迹为抛物线；匀强磁场中在洛伦兹力的作用下，垂直于磁场方向运动的电荷的偏转轨迹为圆弧． 四、对于重力的考虑
重力考虑与否分三种情况．（1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就可以不计其重力，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略；而对于一些实际物体，如带电小球、液滴、金属块等不做特殊交待时就应当考虑其重力．（2)在题目中有明确交待的是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单．（3)对未知名的带电粒子其重力是否忽略又没有明确时，可采用假设法判断，假设重力计或者不计，结合题给条件得出的结论若与题意相符则假设正确，否则假设错误． 五、复合场中的特殊物理模型 1．粒子速度选择器
如图所示，粒子经加速电场后得到一定的速度v0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，则有qv0B＝qE,v0=E/B，若v= v0=E/B，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关
若v＜E/B，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v＞E/B，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 2.磁流体发电机
如图所示，由燃烧室O燃烧电离成的正、负离子（等离子体）以高速。喷入偏转磁场B中．在洛伦兹力作用下，正、负离子分别向上、下极板偏转、积累，从而在板间形成一个向下的电场．两板间形成一定的电势差．当qvB=qU/d时电势差稳定U＝dvB，这就相当于一个可以对外供电的电源． 3.电磁流量计．
电磁流量计原理可解释为：如图所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动．导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下纵向偏转，a,b间出现电势差．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定．
由Bqv=Eq=Uq/d，可得v=U/Bd.流量Q=Sv=πUd/4B 4.质谱仪 如图所示
组成：离子源O，加速场U，速度选择器（E,B），偏转场B2，胶片．
15 第 页
[精品]高中物理磁场 完美总结
