高中磁場(chǎng)磁聚焦(帶答案)

1、方法類磁聚焦當(dāng)圓形磁場(chǎng)的半徑與圓軌跡半徑相等時(shí)，存在兩條特殊規(guī)律；規(guī)律一：帶電粒子從圓形有界磁場(chǎng)邊界上某點(diǎn)射入磁場(chǎng)，如果圓形磁場(chǎng)的半徑與圓軌跡半徑相等，則粒子的出射速度方向與圓形磁場(chǎng)上入射點(diǎn)的切線方向平行，如甲圖所示。規(guī)律二：平行射入圓形有界磁場(chǎng)的相同帶電粒子，如果圓形磁場(chǎng)的半徑與圓軌跡半徑相等，則所有粒子都從磁場(chǎng)邊界上的同一點(diǎn)射出，并且出射點(diǎn)的切線與入射速度方向平行，如乙圖所示。1、在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)充滿磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，MN是一豎直放置的感光板從圓形磁場(chǎng)最高點(diǎn)P垂直磁場(chǎng)射入大量的帶正電，電荷量為q，質(zhì)量為m，速度為v的粒子，不考慮粒子間的相互作用力，關(guān)于這些粒子的運(yùn)動(dòng)以下說法正

2、確的是（ ）A只要對(duì)著圓心入射，出射后均可垂直打在MN上B對(duì)著圓心入射的粒子，其出射方向的反向延長(zhǎng)線不一定過圓心C對(duì)著圓心入射的粒子，速度越大在磁場(chǎng)中通過的弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，時(shí)間也越長(zhǎng)D只要速度滿足，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上2、如圖所示，長(zhǎng)方形abed的長(zhǎng)ad=0.6m，寬ab=0.3m，O、e分別是ad、bc的中點(diǎn)，以e為圓心eb為半徑的四分之一圓弧和以O(shè)為圓心Od為半徑的四分之一圓弧組成的區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(邊界上無磁場(chǎng))磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.25T。一群不計(jì)重力、質(zhì)量m=3×10-7kg、電荷量q=+2×10-3C的帶正電粒子以速度v=5×

3、;102m/s沿垂直ad方向且垂直于磁場(chǎng)射人磁場(chǎng)區(qū)域，則下列判斷正確的是（ ）A從Od邊射入的粒子，出射點(diǎn)全部分布在Oa邊 B從aO邊射入的粒子，出射點(diǎn)全部分布在ab邊C從Od邊射入的粒子，出射點(diǎn)分布在ab邊D從ad邊射人的粒子，出射點(diǎn)全部通過b點(diǎn)3、在坐標(biāo)系xOy內(nèi)有一半徑為a的圓形區(qū)域，圓心坐標(biāo)為O1（a，0），圓內(nèi)分布有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在直線y=a的上方和直線x=2a的左側(cè)區(qū)域內(nèi)，有一沿x軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)大小為E，一質(zhì)量為m、電荷量為+q（q>0）的粒子以速度v從O點(diǎn)垂直于磁場(chǎng)方向射入，當(dāng)入射速度方向沿x軸方向時(shí)，粒子恰好從O1點(diǎn)正上方的A點(diǎn)射出磁場(chǎng)，不計(jì)粒子重力，

4、求：（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??；（2）粒子離開第一象限時(shí)速度方向與y軸正方向的夾角；（3）若將電場(chǎng)方向變?yōu)檠貀軸負(fù)方向，電場(chǎng)強(qiáng)度大小不變，粒子以速度v從O點(diǎn)垂直于磁場(chǎng)方向、并與x軸正方向夾角=300射入第一象限，求粒子從射入磁場(chǎng)到最終離開磁場(chǎng)的總時(shí)間t。4、如圖所示的直角坐標(biāo)系中，從直線x=2l0到y(tǒng)軸區(qū)域存在兩個(gè)大小相等、方向相反的有界勻強(qiáng)電場(chǎng)，其中x軸上方的電場(chǎng)方向沿y軸負(fù)方向，x軸下方的電場(chǎng)方向沿y軸正方向。在電場(chǎng)左邊界從A（2l0，l0）點(diǎn)到C（2l0，0）點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，連續(xù)分布著電量為+q、質(zhì)量為m的粒子。從某時(shí)刻起，A點(diǎn)到C點(diǎn)間的粒子依次連續(xù)以相同速度v0沿x軸正方向射入電場(chǎng)。從A點(diǎn)射入

5、的粒子恰好從y軸上的（0，l0）點(diǎn)沿沿x軸正方向射出電場(chǎng)，其軌跡如圖所示。不計(jì)粒子的重力及它們間的相互作用。（1）求從AC間入射的粒子穿越電場(chǎng)區(qū)域的時(shí)間t和勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小。（2）求在A、C間還有哪些坐標(biāo)位置的粒子通過電場(chǎng)后也能沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)？（3）為便于收集沿x軸正方向射出電場(chǎng)的所有粒子，若以直線x=2l0上的某點(diǎn)為圓心的圓形磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)分布垂直于xOy平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使得沿x軸正方向射出電場(chǎng)的粒子經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，都能通過x=2l0與圓形磁場(chǎng)邊界的一個(gè)交點(diǎn)。則磁場(chǎng)區(qū)域最小半徑是多大？相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是多大？5、如圖甲所示,質(zhì)量m=8.0×1025kg，電荷量q=

6、1.6×1015C的帶正電粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)O處沿xOy平面射入第一象限內(nèi)，且在與x方向夾角大于等于30°的范圍內(nèi)，粒子射入時(shí)的速度方向不同，但大小均為v0=2.0×107m/s。現(xiàn)在某一區(qū)域內(nèi)加一垂直于xOy平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=0.1T，若這些粒子穿過磁場(chǎng)后都能射到與y軸平行的熒光屏MN上,并且當(dāng)把熒光屏MN向左移動(dòng)時(shí)，屏上光斑長(zhǎng)度和位置保持不變。(=3.14)求：（1）粒子從y軸穿過的范圍。（2）熒光屏上光斑的長(zhǎng)度。（3）打到熒光屏MN上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間差。（4）畫出所加磁場(chǎng)的最小范圍（用斜線表示）。6、在xoy平面內(nèi)有許多電子（質(zhì)

7、量為m、電量為e），從坐標(biāo)O不斷以相同速率V0沿不同方向射入第一象限，如圖7所示?，F(xiàn)加一個(gè)垂直于xoy平面向內(nèi)、磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，要求這些電子穿過磁場(chǎng)后都能平行于x軸向x正方向運(yùn)動(dòng)，求符合該條件磁場(chǎng)的最小面積。 7、如圖所示，真空中一平面直角坐標(biāo)系xOy內(nèi)，存在著兩個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域、和兩個(gè)直徑為L(zhǎng)的圓形磁場(chǎng)區(qū)域、。電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小均為E，區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)方向沿x軸正方向，其下邊界在x軸上，右邊界剛好與區(qū)域的邊界相切；區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)方向沿y軸正方向，其上邊界在x軸上，左邊界剛好與剛好與區(qū)域的邊界相切。磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為，區(qū)域的圓心坐標(biāo)為（0，）、磁場(chǎng)方向垂直于xOy平面向

8、外；區(qū)域的圓心坐標(biāo)為（0，）、磁場(chǎng)方向垂直于xOy平面向里。兩個(gè)質(zhì)量均為m、電荷量均為q的帶正電粒子M、N，在外力約束下靜止在坐標(biāo)為（，）、（，）的兩點(diǎn)。在x軸的正半軸（坐標(biāo)原點(diǎn)除外）放置一塊足夠長(zhǎng)的感光板，板面垂直于xOy平面。將粒子M、N由靜止釋放，它們最終打在感光板上并立即被吸收。不計(jì)粒子的重力。求：（1）粒子離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小。（2）粒子M擊中感光板的位置坐標(biāo)。（3）粒子N在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。 8、真空中有一個(gè)半徑r=0.5m的圓形磁場(chǎng)，與坐標(biāo)原點(diǎn)相切，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=2.0×103T，方向垂直于紙面向里，在x=r處的虛線右側(cè)有一個(gè)方向豎直向上的寬度L=0

9、.5m的勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域,電場(chǎng)強(qiáng)度E=1.5×103N/C，在x=2m處有一垂直x方向的足夠長(zhǎng)的熒光屏，從O點(diǎn)處向不同方向發(fā)射出速率相同的比荷帶負(fù)電的粒子，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡在紙面內(nèi)。一個(gè)速度方向沿y軸正方向射入磁場(chǎng)的粒子M，恰能從磁場(chǎng)與電場(chǎng)的相切處進(jìn)入電場(chǎng)。不計(jì)重力及阻力的作用。求：（1）粒子M進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度。（2）速度方向與y軸正方向成30°（如圖中所示）射入磁場(chǎng)的粒子N，最后打到熒光屏上,畫出粒子N的運(yùn)動(dòng)軌跡并求該發(fā)光點(diǎn)的位置坐標(biāo)。9、半圓有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)的圓心O1在x軸上，OO1距離等于半圓磁場(chǎng)的半徑，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1。虛線MN平行x軸且與半圓相切于P點(diǎn)。在MN上方是正交

10、的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小為E，方向沿x軸負(fù)向，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2。B1，B2方向均垂直紙面，方向如圖所示。有一群相同的正粒子，以相同的速率沿不同方向從原點(diǎn)O射入第I象限，其中沿x軸正方向進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子經(jīng)過P點(diǎn)射入MN后，恰好在正交的電磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)，粒子質(zhì)量為m，電荷量為q（粒子重力不計(jì)）。求：（1）粒子初速度大小和有界半圓磁場(chǎng)的半徑。（2）若撤去磁場(chǎng)B2，則經(jīng)過P點(diǎn)射入電場(chǎng)的粒子從y軸出電場(chǎng)時(shí)的坐標(biāo)。（3）試證明：題中所有從原點(diǎn)O進(jìn)入第I象限的粒子都能在正交的電磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)。磁聚焦答案1、當(dāng)vB時(shí)，粒子所受洛倫茲力充當(dāng)向心力，做半徑和周期分別為、的勻速圓周運(yùn)動(dòng)；只要速度

11、滿足時(shí)，在磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與圓形磁場(chǎng)磁場(chǎng)的半徑相等，不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上，選項(xiàng)D正確。2、由知，在磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與圓形磁場(chǎng)磁場(chǎng)的半徑相等，從Oa入射的粒子，出射點(diǎn)一定在b點(diǎn)；從Od入射的粒子，經(jīng)過四分之一圓周后到達(dá)be，由于邊界無磁場(chǎng)，將沿be做勻速直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)b點(diǎn)；選項(xiàng)D正確。3、解析：（1）當(dāng)粒子速度沿x軸方向入射，從A點(diǎn)射出磁場(chǎng)時(shí)，幾何關(guān)系知：r=a；由知：（2）從A點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)后作類平拋運(yùn)動(dòng)；沿水平方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)：沿豎直方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)：vy=v0；粒子離開第一象限時(shí)速度與y軸的夾角：（3）粒子從磁場(chǎng)中的P點(diǎn)射出，因磁場(chǎng)圓和粒子的軌跡圓的半徑相等，

12、OO1PO2構(gòu)成菱形，故粒子從P點(diǎn)的出射方向與OO1平行，即與y軸平行；軌跡如圖所示；粒子從O到P所對(duì)應(yīng)的圓心角為1=600，粒子從O到P用時(shí)：。由幾何知識(shí)可知，粒子由P點(diǎn)到x軸的距離；粒子在電場(chǎng)中做勻變速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：；粒子磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間勻速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：；粒子由P點(diǎn)第2次進(jìn)入磁場(chǎng)，從Q點(diǎn)射出，O1QO3構(gòu)成菱形；由幾何知識(shí)可知Q點(diǎn)在x軸上，即為（2a，0）點(diǎn)；粒子由P到Q所對(duì)應(yīng)的圓心角2=1200，粒子從P到Q用時(shí)：；粒子從射入磁場(chǎng)到最終離開磁場(chǎng)的總時(shí)間：。4、解析：（1）帶電粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，沿水平方向勻速運(yùn)動(dòng)，有從A點(diǎn)入射的粒子在豎直方向勻加速運(yùn)動(dòng)，由軌跡對(duì)稱性性可知解得（2）

13、設(shè)距C點(diǎn)為處入射的粒子通過電場(chǎng)后也沿x軸正方向，第一次達(dá)x軸用時(shí)，有水平方向 豎直方向欲使粒子從電場(chǎng)射出時(shí)的速度方向沿x軸正方向，有 （n =1，2，3，）解得：即在A、C間入射的粒子通過電場(chǎng)后沿x軸正方向的y坐標(biāo)為 （n =1，2，3，）（3）當(dāng)n=1時(shí)，粒子射出的坐標(biāo)為 當(dāng)n=2時(shí)，粒子射出的坐標(biāo)為當(dāng)n3時(shí)，沿x軸正方向射出的粒子分布在y1到y(tǒng)2之間（如圖）y1到y(tǒng)2之間的距離為；則磁場(chǎng)的最小半徑為 若使粒子經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后匯聚于一點(diǎn)，粒子的運(yùn)動(dòng)半徑與磁場(chǎng)圓的半徑相等（如圖），軌跡圓與磁場(chǎng)圓相交，四邊形PO1QO2為棱形，由 得：5、解析：粒子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有 解得當(dāng)把熒光屏MN向左移

14、動(dòng)時(shí)，屏上光斑長(zhǎng)度和位置保持不變，說明粒子是沿水平方向從磁場(chǎng)中出射，則所加的磁場(chǎng)為圓形，同時(shí)圓形磁場(chǎng)的半徑與電子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相等，即R=0.1m；且圓形磁場(chǎng)的圓心在y軸上O點(diǎn)正上方，如圖所示的O1點(diǎn)。（1）初速度沿y軸正方向的粒子直接從原點(diǎn)穿過y軸；初速度與x軸正方向成300的粒子，在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過1500后沿水平方向射出，設(shè)該粒子圓周運(yùn)動(dòng)的圓心為O2，則OO2B=1500；設(shè)此粒子從y軸上的A點(diǎn)穿過y軸，由幾何關(guān)系知OAO2=300，則有。粒子從y軸穿過的范圍為。（2）初速度沿y軸方向入射的粒子經(jīng)四分之一圓周后速度水平，如圖所示，打在光屏上的P點(diǎn)，有；初速度與x軸正方向成300入射

15、的粒子，在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過1500后沿水平方向射出，如圖所示，打在光屏上的Q點(diǎn)，有；熒光屏上光斑的長(zhǎng)度（3）粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期打到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)多用的時(shí)間打到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的粒子在磁場(chǎng)外運(yùn)動(dòng)多用的時(shí)間打到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)差間（4）所加磁場(chǎng)的最小范圍如圖所示，其中從B到C的邊界無磁場(chǎng)分布。6、解析：電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑是確定的，設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域足夠大，作出電子可能的運(yùn)動(dòng)軌道如圖8所示，因?yàn)殡娮又荒芟虻谝幌笙奁矫鎯?nèi)發(fā)射，其中圓O1和圓O2為從圓點(diǎn)射出，經(jīng)第一象限的所有圓中的最低和最高位置的兩個(gè)圓。圓O2在軸上方的個(gè)圓弧odb就是磁場(chǎng)的上邊界。其它各圓軌跡的圓心所連成的線必為以

16、點(diǎn)O為圓心，以R為半徑的圓弧O1OmO2 。由于要求所有電子均平行于x軸向右飛出磁場(chǎng)，故由幾何知識(shí)知電子的飛出點(diǎn)必為每條可能軌跡的最高點(diǎn)?？勺C明，磁場(chǎng)下邊界為一段圓弧，只需將這些圓心連線（圖中虛線O1O2）向上平移一段長(zhǎng)度為的距離即圖9中的弧ocb就是這些圓的最高點(diǎn)的連線，即為磁場(chǎng)區(qū)域的下邊界。兩邊界之間圖形的陰影區(qū)域面積即為所求磁場(chǎng)區(qū)域面積：。 還可根據(jù)圓的知識(shí)求出磁場(chǎng)的下邊界。設(shè)某電子的速度V0與x軸夾角為，若離開磁場(chǎng)速度變?yōu)樗椒较驎r(shí)，其射出點(diǎn)也就是軌跡與磁場(chǎng)邊界的交點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），從圖10中看出，即（x0，y0），這是個(gè)圓方程，圓心在（0，R）處，圓的 圓弧部分即為磁場(chǎng)區(qū)

17、域的下邊界。7、（1）粒子在區(qū)域中運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)能定理得 解得（2）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有，又有，解得因M運(yùn)動(dòng)的軌道半徑與圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑相同，故M在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)四分之一個(gè)周期后經(jīng)過原點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)，再運(yùn)動(dòng)四分之一個(gè)周期后平行于x軸正方向離開磁場(chǎng)，進(jìn)入電場(chǎng)后做類平拋運(yùn)動(dòng)。假設(shè)M射出電場(chǎng)后再打在x軸的感光板上，則M在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的的時(shí)間沿電場(chǎng)方向的位移假設(shè)成立，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。沿電場(chǎng)方向的速度速度的偏向角設(shè)射出電場(chǎng)后沿x軸方向的位移x1，有M擊中感光板的橫坐標(biāo)，位置坐標(biāo)為（2L，0（3）N做圓周半徑與圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑相同，分析可得N將從b點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)，從原點(diǎn)O離開磁場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng)，然后從d點(diǎn)離開磁場(chǎng)

18、，沿水平方向進(jìn)入電場(chǎng)。軌跡如圖。在磁場(chǎng)中，由幾何關(guān)系則=300，圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角=1800300=1500粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間由對(duì)稱關(guān)系得粒子在磁場(chǎng)、中運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等；故粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間8、解析：（1）由沿y軸正方向射入磁場(chǎng)的粒子，恰能從磁場(chǎng)與電場(chǎng)的相切處進(jìn)入電場(chǎng)可知粒子M在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑R=r=0.5m。粒子M在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)有：解得（2）由圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與圓形磁場(chǎng)的半徑相等粒子N在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)過120°角后從P點(diǎn)垂直電場(chǎng)線進(jìn)入電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的加速度大小穿出電場(chǎng)的豎直速度 速度的偏轉(zhuǎn)角在磁場(chǎng)中從P點(diǎn)穿出時(shí)距O點(diǎn)的豎直距離在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)沿電場(chǎng)方向的距離射出電場(chǎng)后勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上最好達(dá)到熒光屏上的豎直坐標(biāo)故發(fā)光點(diǎn)的位置坐標(biāo)（2m，0.1875