帶電粒子在交變電場和磁場中運動歸類賞析

2012-03-20 03:42:28韓玉超

物理通報 2012年1期

韓玉超

（萊陽市第一中學(xué) 山東煙臺 265200）

最近幾年有關(guān)帶電粒子在交變電場和磁場運動的試題在各地模擬考試題中時有出現(xiàn)；而測驗的結(jié)果往往是學(xué)生的得分率很低，成為教學(xué)中的一個新的難點．原因是多方面的的，一是學(xué)生遇到這部分題目少，見到這種題就怕；二是學(xué)生未能深入掌握帶電粒子在交變電場和磁場中運動的命題特點，而教師們也往往在這方面缺乏深入研究，所以學(xué)生做了一題就懂一題．其實在高中階段，只要掌握好這部分內(nèi)容的命題特點和解題策略，是可以較容易解決這個難點的．下面結(jié)合筆者的教學(xué)實踐，對這一部分內(nèi)容做一個歸類總結(jié)，希望起到拋磚引玉的作用．

1 組合場中電場的電壓或場強隨時間周期性變化

【例1】如圖1（a）所示，在真空中，有一半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)存在勻強磁場，磁場方向垂直紙面向外．在磁場右側(cè)有一對平行金屬板M和N，兩板間距為R，板長為2R，板間的中心線O1O2與磁場的圓心O在同一直線上．有一電荷量為q、質(zhì)量為m的帶正電的粒子以速度v0從圓周上的a點沿垂直于半徑O O1并指向圓心O的方向進(jìn)入磁場．當(dāng)從圓周上的O1點水平飛出磁場時，給M，N兩板加上如圖1（b）所示的電壓，最后粒子剛好以平行于N板的速度從N板的邊緣飛出．（不計粒子所受到的重力、兩板正對面之間為勻強電場，邊緣電場不計）

圖1

（1）求磁場的磁感應(yīng)強度B．

（2）求交變電壓的周期T和電壓U0的值．

解析：（1）粒子自a點進(jìn)入磁場，從O1點水平飛出磁場，則其運動的軌道半徑為R．由qvoB＝

解得

（2）粒子自O(shè)1點進(jìn)入電場后恰好從N板的邊緣平行極板飛出，設(shè)運動時間為t，根據(jù)類平拋運動規(guī)律有

圖2

點評：帶電粒子在勻強電場中偏轉(zhuǎn)的運動是類平拋運動，解此類題目的關(guān)鍵是將運動分解成兩個簡單的直線運動，題中沿電場方向的分運動就是“受力周期性變化的加速運動”．

2 組合場中磁感應(yīng)強度B隨時間t周期性變化

【例2】圖3（a）為電視機中顯像管的工作原理示意圖，電子槍中的燈絲加熱陰極使電子逸出，這些電子再經(jīng)加速電場加速后，從O點進(jìn)入由磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場中，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁場后打到熒光屏MN上，使熒光屏發(fā)出熒光形成圖像．不計逸出電子的初速度和重力，已知電子的質(zhì)量為m、電荷量為e，加速電場的電壓為U．偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場分布在邊長為l的正方形abcd區(qū)域內(nèi)，磁場方向垂直紙面，且磁感應(yīng)強度B隨時間t的變化規(guī)律如圖3（b）所示．在每個周期內(nèi)磁感應(yīng)強度B都是從－B0均勻變化到B0．磁場區(qū)域的左邊界的中點與O點重合，ab邊與OO′平行，右邊界bc與熒光屏之間的距離為s．由于磁場區(qū)域較小，且電子運動的速度很大，所以在每個電子通過磁場區(qū)域的過程中，可認(rèn)為磁感應(yīng)強度不變，即為勻強磁場，不計電子之間的相互作用．

圖3

（1）求電子射出電場時的速度大小．

（2）為使所有的電子都能從磁場的bc邊射出，求偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度的最大值．

（3）若所有的電子都能從bc邊射出，求熒光屏上亮線的最大長度是多少．

解析：設(shè)電子射出電場的速度為v，則根據(jù)動能定理，對電子的加速過程有

（2）當(dāng)磁感應(yīng)強度為B0或－B0時（垂直于紙面向外為正方向），電子剛好從b點或c點射出，設(shè)此時圓周的半徑為R，如圖4所示．根據(jù)幾何關(guān)系有

圖4

電子在磁場中運動，洛倫茲力提供向心力，因此

由于偏轉(zhuǎn)磁場的方向隨時間變化，根據(jù)對稱性可知，熒光屏上的亮線最大長度為

點評：本題相當(dāng)多的學(xué)生一看到鋸齒波的磁場就怕，學(xué)生甚至看一眼就放棄，其實只要認(rèn)真審題，“在每個電子通過磁場區(qū)域的過程中，可認(rèn)為磁感應(yīng)強度不變，即為勻強磁場”，就可將看似復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為常見而簡單的問題．

3 疊加場中電場強度E隨時間t周期性變化

【例3】在如圖5（a）所示的空間里，存在垂直紙面向里的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為．在豎直方向存在交替變化的勻強電場（豎直向上為正），電場大小為E．如圖5（b）所示，一傾角為θ、長度足夠的光滑絕緣斜面放置在此空間．斜面上有一質(zhì)量為m、帶電量為－q的小球，從t＝0時刻由靜止開始沿斜面下滑，設(shè)第5 s內(nèi)小球不會離開斜面，重力加速度為g．求：

（1）第6 s內(nèi)小球離開斜面的最大距離．

（2）第19 s內(nèi)小球未離開斜面，θ角應(yīng)滿足什么條件．

圖5

解析：（1）設(shè)第1 s內(nèi)小球在斜面上運動的加速度為a，由牛頓第二定律，得

第1 s末的速度為 v＝at1

因為第2 s內(nèi)qE0＝mg．所以小球?qū)㈦x開斜面在上方做勻速圓周運動，則由向心力公式得，qv B＝圓周運動的周期為

由圖6可知，小球在奇數(shù)秒內(nèi)沿斜面做勻加速運動，在偶數(shù)秒內(nèi)離開斜面做完整的圓周運動．

圖6

所以，第5 s末的速度為

點評：本題以帶電粒子在復(fù)合場中的運動為情景，結(jié)合周期性變化的電場的圖像，突出了高考對讀圖能力、理解能力、推理能力、分析綜合能力的要求，主要考查電場力公式、洛倫茲力公式、受力分析、勻加速直線運動和勻速圓周運動規(guī)律、勻速圓周運動的周期和運動時間的關(guān)系等知識點．

4 疊加場中磁感應(yīng)強度B隨時間t周期性變化

【例4】如圖7（a）所示，豎直擋板MN的左側(cè)空間有方向豎直向上的勻強電場和垂直紙面向里的水平勻強磁場，電場和磁場的范圍足夠大，電場強度的大小E＝40 N／C，磁感應(yīng)強度的大小B隨時間t變化的關(guān)系圖像如圖7（b）所示，選定磁場垂直紙面向里為正方向．在t＝0時刻，一質(zhì)量m＝8×10－4kg、帶電荷量q＝＋2×10－4C的微粒在O點具有豎直向下的速度v＝0．12 m／s，O′是擋板M N 上一點，直線O O′與擋板M N 垂直，取g＝10 m／s2．求：

圖7

（1）微粒下一次經(jīng)過直線O O′時與O點間距．

（2）微粒在運動過程中離開直線O O′的最大距離．

（3）水平移動擋板，使微粒能垂直射到擋板上，擋板與O點間的距離應(yīng)滿足的條件．

解析：（1）由題意知，微粒所受重力G＝mg＝8×10－3N．電場力大小F＝Eq＝8×10－3N．因此重力與電場力平衡．微粒先在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，則有

則微粒在5πs內(nèi)轉(zhuǎn)過半個圓周，再次經(jīng)過直線O O′時與O點的距離l＝2R＝1．2 m．

（2）微粒運動半周后向上勻速運動，運動的時間t＝5πs，軌跡如圖8所示．

圖8

位移大小x＝vt＝0．6πm＝1．88 m

微粒離開直線OO′的最大距離h＝x＋R＝2．48 m．（3）若微粒能垂直射到擋板上的某點P，P點在直線O O′下方時，擋板MN與O點間的距離應(yīng)滿足

L＝（4n＋1）×0．6 m （n＝0，1，2，…）

若微粒能垂直射到擋板上的某點P，P點在直線O O′上方時，擋板MN 與O點間的距離應(yīng)滿足

L＝（4n＋3）×0．6 m （n＝0，1，2，…）

若兩式合寫成L＝（1．2n＋0．6）m （n＝0，1，2，…）同樣給分．

點評：本題看似很難，但當(dāng)計算出帶電粒子在磁場中的運動周期時，便可找出帶電粒子的運動與交變磁場的周期的關(guān)系，即在交變磁場的0～5πs內(nèi)，粒子偏轉(zhuǎn)了180°，軌跡為半個圓，5πs～10πs內(nèi)做勻速直線運動．改變磁場的方向，粒子的偏轉(zhuǎn)方向則不同，從而可畫出粒子的運動軌跡．

5 疊加場中電場強度E和磁感應(yīng)強度B同時隨時間t周期性變化

【例5】如圖9（a）所示，在以O(shè)為坐標(biāo)原點的x Oy平面內(nèi)，存在著范圍足夠大的電場和磁場．一個質(zhì)量m＝2×10－2kg，帶電量q＝＋5×10－3C的帶電小球在零時刻以v0＝40 m／s的速度從O點沿＋x方向（水平向右）射入該空間，在該空間同時加上如圖9（b）所示的電場和磁場，其中電場沿－y方向（豎直向上），場強大小E0＝40 V／m．磁場垂直于x Oy平面向外，磁感應(yīng)強度大小B0＝4πT．取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝10 m／s2，不計空氣阻力，計算結(jié)果中可以保留根式或π．試求：