带电粒子在磁场中的运动,一般是以圆周运动的形式出现的。如果只有磁场,那么由洛伦兹力提供向心力,做匀速圆周运动。如果是复合场,那么应该有重力和电场力平衡,同样只有洛伦兹力提供向心力,做匀速圆周运动。
既然明确了带电粒子在磁场中一般做匀速圆周运动,我们就重点研究匀速圆周运动,关于这类题目我总结了以下四句话:
一、规范作图找圆心找圆心需要三条线:
❶入射速度的垂线,
❷出射速度的垂线,
❸弦的垂直平分线。
由几何知识我们知道这三条线都过圆心,所以我们只要找到其中的两条取其交点,即可确定圆心。注意,速度的垂线并不局限于入射速度和出射速度的垂线,任一时刻速度的垂线均可。
如下图,入射速度的垂线与出射速度的垂线的交点即为圆心。
如下图,入射速度的垂线与弦的垂直平分线的交点即为圆心。
要想快速的做好直线找到圆心,必须用直尺和圆规作图,只有规范作图才能迅速解题。我提倡无论是高考还是平常考试,的都要带直尺和圆规,有了顺手工具就能事半功倍,准确解题。
二、几何关系求半径求半径是解这类题目的开始,因为有了半径就可以求出速度或者磁感应强度(具体求法下面讲),相当于打开了题目的一扇门。半径一般用几何知识求解,比如三角形的边角关系、勾股定理等。如下图:
对于在磁场中的运动时间,也需要由几何关系确定轨迹对应的圆心角,然后根据周期公式即可求得在磁场中的运动时间。
三、牛顿二律解方程
有了半径,我们就可以根据洛伦兹力提供向心力列式求解了,这个式子的依据实际上是牛顿第二定律,合外力就是洛伦兹力F=qvB,加速度就是v²/R。
当运动的粒子确定了,即q、m确定了,这里会有三个变量:v、B、R,有了任意两个就可以求解第三个。
如果已知半径和速度,可以求解磁感应强度:
如果已知半径和磁感应强度,可以求解速度:
如果已知磁感应强度和速度,可以求解半径:
四、关键条件看临界
带电粒子在有界磁场中的运动,一般涉及临界和边界问题,因此临界状态、边界状态的确定,以及所需要满足的条件,是解决问题的关键。粒子的运动轨迹与磁场的边界相切是粒子离开磁场的临界条件。
周期相同的粒子,当速度大小相同时半径相同,轨迹越长,圆心角越大,在磁场中运动时间越长。当轨迹不到半圆时,最长的弦就对应最长的轨迹,为最长的运动时间,一般为圆的直径。最短的弦对应最短的轨迹,为最短的运动时间,一般为点到直线的距离。
把握好这个两个临界条件,又为解这类题目打开了一扇窗。
门啊窗的都打开了,所有的题目在我们眼里就都小kiss了,再难的题目我们也可以破解成我们常研究的小问题,小模型。大家可以根据前面的四句话找相关的题目多练习一下,做到灵活应用熟能生巧。
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