仅在洛伦兹作用下,
根据单方向动量定理有:
-qvyBΔt=mΔvx(负号表示洛伦兹力与v₀x方向相反),其中vyΔt=Δy
两边求和有:
-qB∑vyΔt=m∑Δvx
其中∑vyΔt=y,∑Δvx=vx-v₀x
得:qBy=mvx-mv₀x
同理可得:qBx=mvy-mv₀y
洛伦兹力公式为f=qBv,大小与速度成正比,平均洛伦兹力也与平均速度成正比,方向始终与速度垂直。
洛伦兹力的冲量与位移成正比,方向与位移垂直。
qBy=mvx-mv₀x
qBx=mvy-mv₀y
☞洛伦兹力不做功,速度可以应用动能定理求得,因此还要和动能定理结合。
☞在复合场中,电场力往往是单方向,因此用单方向动量定理。
☞要注意除开无磁场区域。
☞磁场换向要取“-”号。
☞技巧:看哪个方向上没有电场力、重力,该方向上动量的变化就是洛伦兹力引起的,在该方向列出动量定理。
【拓展】有类似f=kv这种结构的表达式,一般可以应用动量定理求解。
例题:求入射点和出射点的距离x和粒子离磁场边界最远的距离y.
解析::求水平位移需要计算竖直方向的动量变化量:
2mvsinθ=qBx
求竖直位移需要计算水平方向的动量变化量:
mv(1 cosθ)=qBy
最高点速度水平向左,这里要注意的是动量的矢量性。
【引申】:物理学研究问题一般从最简单的理想情况入手,由简入繁,逐渐贴近实际。在研究真实的向上抛出的物体运动时,我们可以先从不受阻力入手,再从受恒定阻力研究,最后研究接近真实的、阻力变化的运动情形。现将一个质量为m的小球以速度v₀竖直向上抛出,重力加速度为g。
(1)若忽略空气阻力对小球运动的影响,求物体经过多长时间回到抛出点;
(2)若空气阻力大小与小球速度大小成正比,已知小球经t时间上升到最高点,再经一段时间匀速经过抛出点时,速度大小为v₁,求小球抛出后瞬间的加速度和上升的最大高度。
例题:
mv(sinβ-sinα)=qBy
mv(cosβ cosα)=qBL
R=mv/qB
因此:R(sinβ-sinα)=y
R(cosβ+cosα)=L
例题:如题图所示,
A₁和A₂是两块面积很大、互相平行又相距较近的带电金属板,相距为d,两板间的电势差为U.同时,在这两板间还有方向与均匀电场正交而垂直于纸面向外的均匀磁场.一束电子通过左侧带负电的板A₁上的小孔沿垂直于金属板的方向射入,为使该电子束不碰到右侧带正电的板A₂,问所加磁场的磁感应强度至少要多大?设电子所受到的重力和从小孔进入时的初速度均可不计。
【解析】粒子做旋轮线运动,可用配速法求解,现用洛伦兹力冲量求解。
在竖直方向上,电场力没有冲量,应用单方向动量定理:
eBVx·t=m·△Vy
eBd=mv
mv²/2=eU
解得:
例题 :在场强为B的水平匀强磁场中,一质量为m、带正电q的小球在O点静止释放,小球的运动曲线如图所示。
已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到x轴距离的2倍,重力加速度为g。
求: (1)小球运动到任意位置P(x,y)的速率v。
(2)小球在运动过程中第一次下降的最大距离ym
(3)当在上述磁场中加一竖直向上场强为E,E>(mg/q)的匀强电场时,小球从O点静止释放后获得的最大速率vm.
【解析】应用动量定理求第(3)问,竖直距离最大,竖直速度为零,重力向下,对水平方向动量无贡献,在水平方向应用动量定理。
qBVy·t=m·△Vx
qBy=mv
洛伦兹力不做功,(qE-mg)y=mv²/2
得:y=mv/qB
(qE-mg)mv/qB=mv²/2
v=2(qE-mg)/qB
例题:如图甲所示,空间存在一范围足够大的垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.让质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子从坐标原点O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向入射到该磁场中,不计重力和粒子间的影响。
(1)若粒子以初速度v₁沿y轴正向入射,恰好能经过x轴上的A(a,0)点,求v₁的大小;
(2)已知一粒子的初速度大小为v(v>v₁),为使该粒子能经过A(a,0)点,其入射角θ(粒子初速度与x轴正向的夹角)有几个?求出对应的sinθ值;
(3)如图乙所示,若在此空间再加入沿y轴正向、大小为E的匀强电场,一粒子从O点以初速度v₀沿y轴正向发射研究表明:粒子在xOy平面内做周期性运动,且在任一时刻,粒子速度的分量vx,与其所在位置的y坐标成正比,比例系数与电场强度大小E无关求该粒子运动过程中的最大速度值vm。
【解析】第(3)问,洛伦兹力不做功,速度最大,电场力不再做功,即速度与电场力垂直。
电场力在竖直方向,在水平方向上不影响动量。
在水平方向上应用动量定理:qBVy·t=mVx=mVm
qBy=mVm
mVm²/2-mv₀²/2=qEy(动能定理)
可求Vm。
例题:现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。真空中存在着如图所示的多层紧密相邻的匀强电场和匀强磁场,电场与磁场的宽度均为d。电场强度为E,方向水平向右;磁感应强度为B,方向垂直纸面向里。电场、磁场的边界互相平行且与电场方向垂直。一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子在第1层电场左侧边界某处由静止释放,粒子始终在电场、磁场中运动,不计粒子重力及运动时的电磁辐射。
(1)求粒子在第2层磁场中运动时速度v₂的大小与轨迹半径r₂;
(2)粒子从第n层磁场右侧边界穿出时,速度的方向与水平方向的夹角为θ,试求sinθ;
(3)若粒子恰好不能从第n层磁场右侧边界穿出,试问在其他条件不变的情况下,也进入第n层磁场,但比荷较该粒子大的粒子能否穿出该层磁场右侧边界,请简要推理说明之。
【解析】第(2)问,
洛伦兹力不做功,电场力不影响竖直方向动量,在竖直方向应用动量定理。
qBVx·t=mVy=mvsinθ
Vx·t=nd(只算有磁场区域)
ndqB=mvsinθ
nqEd=mv²/2
例题:如图所示,
在相邻的矩形区域abef和正方形区域bcde中,分别有垂直纸面向里和向外的匀强磁场,磁感应强度大小分别为2B和B,边长ab=L,bc=cd=2L。一带正电粒子从f点以速度v沿边界fe的方向进入磁场,恰好从c点离开磁场,不计粒子重力.下列说法正确的是(BC)
A.粒子过c点时,速度方向与边界cd不垂直
B.粒子过c点时,速度方向与边界cd垂直
C.粒子的比荷为6v/13BL
D.粒子的比荷为2v/5BL
q·2BL (-qB·2L)=m△Vy=0
例题:如图所示,
空间有一个范围足够大的匀强磁场,磁感应强度为B,将一个质量为m、电荷量为+q的带电小圆环套在一根固定的绝缘竖直细杆上,杆足够长,环与杆之间的动摩擦因数为μ。现使圆环以初速度v₀向上运动,经时间t圆环回到出发位置。不计空气阻力。已知重力加速度为g。求当圆环回到出发位置时速度v的大小。
FN=F洛=qvB
f=μFN=μqvB(f与v成正比)
取向上为正
,