洛倫茲力經(jīng)典例題(有解析)

1、洛侖茲力典型例題例1一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強磁場.粒子的一段徑跡如圖所示，徑跡上的每一小段都可近似看成圓弧.由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減?。◣щ娏坎蛔儯?從圖中情況可以確定A.粒子從a至1Jb,帶正電B.粒子從b到a,帶正電C.粒子從a到b,帶負電D.粒子從b到a,帶負電L分析粒子的能量逐漸減小，即五卜二!m/減小.速率逐漸減小.據(jù)上R=my/qB,由于q不變，粒子的軌道半徑逐漸減小，由此斷定粒子從b到a運動.再利用左手定則確定粒子帶正電.答B(yǎng).例2在圖中虛線所圍的區(qū)域內(nèi)，存在電場強度為E的勻強電場和磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場.已知從左方水平射入的電子，穿過這

2、區(qū)域時未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，設(shè)重力可忽略不計，則在這區(qū)域中的E和B的方向可能是A. E和B都沿水平方向，并與電子運動的方向相同B. E和B都沿水平方向，并與電子運動的方向相反C. E豎直向上，B垂直紙面向外D. E豎直向上，B垂直紙面向里II分析不計重力時，電子進入該區(qū)域后僅受電場力Fe和洛侖茲力Fb作用.要求電子穿過該區(qū)域時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)電場力和洛侖茲力的合力應(yīng)等于零或合力方向與電子速度方向在同一條直線上.當E和B都沿水平方向，并與電子運動的方向相同時，洛侖茲力Fb等于零，電子僅受與其運動方向相反的電場力Fe作用，將作勻減速直線運動通過該區(qū)域.當E和B都沿水平方向，并與電子運動的方向相反時，F(xiàn)b=0,電子

3、僅受與其運動方向相同的電場力作用，將作勻加速直線運動通過該區(qū)域.當E豎直向上，B垂直紙面向外時，電場力Fe豎直向下，洛侖茲力FB豎直向上.若滿足條件,=琦,即qE=quB,或V二盤時.電子作勻遞宜線運上動通過該區(qū)域.當E豎直向上，B垂直紙面向里時，F(xiàn)E和Fb都豎直向下，電子不可能在該區(qū)域中作直線運動.答A、B、C.例3如圖1所示，被U=1000V的電壓加速的電子從電子槍中發(fā)射出來，沿直線a方向運動，要求擊中在a=/3方向，距槍口d=5cm的目標M,已知磁場垂直于由直線a和M所決定的平面，求磁感強度.分析電子離開槍口后受洛侖茲力作用做勻速圓周運動，要求擊中目標M,必須加上垂直紙面向內(nèi)的磁場，如圖

4、2所示.通過幾何方法確定圓心后就可迎刃而解了.解由圖得電子圓軌道半徑r=d/2sina電子被加速后速度牙二電子作圓弧運動時Q=r_2XanH/32X091乂10-3UX10s=005'J15XW1?T=3,7X10T說明帶電粒子在洛侖茲力作用下做圓周運動時，圓心位置的確定十分重要.本題中通過幾何方法找出圓心一一PM的垂直平分線與過P點垂直速度方向的直線的交點O,即為圓心.當帶電粒子從有界磁場邊緣射入和射出時，通過入射點和出射點，作速度方向的垂線，其交點就是圓心.例4兩塊長為L、間距為d的平行金屬板水平放置，處于方向垂直紙面向外、磁感強度為B的勻強磁場中，質(zhì)量為m、電量為e的質(zhì)子從左端正

5、中A處水平射入（如圖）.為使質(zhì)子飛離磁場而不打在金屬板上，入射速度為.分析審清題意可知，質(zhì)子臨界軌跡有兩條：沿半徑為R的圓弧AB及沿半徑為r的圓弧AC.解根據(jù)R2=L2+(Rd/2)2,得41?+即R=4d.又懺胭m故當沿選翎運動時，速度、BeC4L2+73當沿AC礎(chǔ)運動時，r=d/4,速度)Bed說明若不注意兩種可能軌跡，就會出現(xiàn)漏解的錯誤.例5三個速度大小不同的同種帶電粒子，沿同一方向從圖1長方形區(qū)域的勻90°、60°、30.則它們在磁場中運動時間之比為強磁場上邊緣射入，當它們從下邊緣飛出時對入射方向的偏角分別為A.B.C.Ts0一F分析同種粒子以不同速度射入同一勻強磁

6、場中后，做圓運動的周期相同.由出射方向?qū)θ肷浞较虻钠谴笮】芍?，速度為V1的粒子在磁場中的1T1軌跡為4圓周，歷0tti=彳速度叼.內(nèi)的粒子在磁中的軌道都小于I圓周.T歷時都不到恥下可見時間之比的可能情況只能是cite.為了進一步確定帶電粒子飛經(jīng)磁場時的偏轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系，可作一般分析.如圖2,設(shè)帶電粒子在磁場中的軌跡為曲線MN.通過入射點和出射點作速度方向的垂線相交得圓心。.由幾何關(guān)系知，圓弧MN所對的圓心角等于出射速度方向?qū)θ肷渌俣确较虻钠莂.粒子通討磁場的時間MbT RQ t 1VVa m 口v qB因此，同種粒子以不同速度射入磁場，經(jīng)歷的時間與它們的偏角a成正比，即ti：t2：t3=

7、90°：60°：30=3:2：1.答C.例6在xoy平面內(nèi)有許多電子（質(zhì)量為m、電量為e）,從坐標。不斷以相同速率V0沿不同方向射入第一象限，如圖1所示.現(xiàn)加一個垂直于xoy平面向內(nèi)、磁感強度為B的勻強磁場，要求這些電子穿過磁場后都能平行于x軸向x正方向運動，求符合該條件磁場的最小面積.分析電子在磁場申做半徑為區(qū)=巴詈的勻速圓周運動.沿了軸正方向包從O點射入的電子做1/4圓周運動后（圓心在x軸上A點）沿x正方向運動，軌跡上任一點均滿足坐標方程（Rx）2+乎=R2,如圖2中圖線I;而沿與x軸任意角a（90>a>0）射入的電子轉(zhuǎn)過一段較短弧，例如OP或OQ等也將沿x

8、正方向運動，于是P點（圓心在A'）、Q點（圓心在A）等均滿足坐標方程X2+ ( R y) 2 = R2.更應(yīng)注意的是此方程也恰是半徑為R、圓心在y軸上C點的圓n上任一點的坐標方程.數(shù)學上的相同規(guī)律揭示了物理的相關(guān)情景.解顯然，所有射向第一象限與x軸成任意角的電子，經(jīng)過磁場一段圓弧運動，均在與弧II的交點處開始向x軸正方向運動，如圖中P、Q點等.故該磁場分布的最小范圍應(yīng)是I、R兩圓弧的交集，等效為圖3中兩弓形面積之和，即f (gV)TT 2 nivn12 'eB '例7如圖1所示，一足夠長的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿磁感應(yīng)強度為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場.現(xiàn)從矩形區(qū)域ad

9、邊的中點。處垂直磁場射入一速度方向跟ad邊夾角為30°、大小為V0的帶電粒子.已知粒子質(zhì)量為m,電量為q,ad邊長為L,重力影響忽略不計.（1）試求粒子能從ab邊上射出磁場的vo的大小范圍（2）問粒子在磁場中運動的最長時間是多少）在這種情況下，粒子從磁場區(qū)域的某條邊射出，試求射出點在這條邊上的范圍.分析設(shè)帶電粒子在磁場中正好經(jīng)過cd邊（相切），從ab邊射出時速度為vi,軌跡如圖2所示.有以下關(guān)系：Bqvj=m據(jù)幾何關(guān)系分析得R=L.ad邊射出時速度為V2,則又設(shè)帶電粒子在磁場中正好經(jīng)過.ab邊（相切），從據(jù)幾何關(guān)系分析得及=，.©解Q）由,兩式求得溟L皿.m由金兩式求得叼=

10、上3m因此，帶電粒子從ab邊射出磁場的V0的大小范圍為V1>0>2r,即處U>嬖.m3m（2）帶電粒子在磁場中的周期2兀R27lm帶電粒子在磁場中運動軌跡占圓周比值最大的，運動時間最長.據(jù)幾何關(guān)系知.當。V%學時最長時間二巖.這種情況下帶電粒子從ad邊射出，射出點的范圍為距。點上方0至1之問.例8如圖所示，在一矩形區(qū)域內(nèi)存在互相垂直的勻強電場和勻強磁場.電場強度為E、磁感應(yīng)強度為B,復(fù)合場的水平寬度d,豎直方向足夠長.現(xiàn)有一束電量為q、質(zhì)量為m的a粒子，初速度v0各不相同，沿電場方向進入場區(qū)，能逸出場區(qū)的a粒子的動能增量日為A.q(B+BdB.qEd/BC.Eqd分析a粒子重

11、力可以忽略不計.a粒子進入電磁場時，除受電場力外還受到洛侖茲力作用，因此a粒子速度大小變化，速度方向也變化.洛侖茲力對電荷不做功，電場力對電荷做功.運動電荷從左進從右出.根據(jù)動能定理w=am,即*=Eqd,選項C正確.如果運動電荷從左進左出，電場力做功為零，那么選項D正確.例9如圖1所示，在空間存在著水平方向的勻強磁場和豎直方向的勻強電場.電場強度為E,磁感應(yīng)強度為B.在某點由靜止釋放一個帶電液滴a,它運動到最低點處，恰與一個原來處于靜止的液滴b相撞.撞后兩液體合為一體，沿水平方向做直線運動.已知液滴a的質(zhì)量是液滴b的質(zhì)量的2倍，液滴a所帶電量是液滴b所帶電量的4倍.求兩液滴初始位置的高度差h

12、.（設(shè)a、b之間的靜電力可以不計.）分析由帶電液滴a的運動軌跡可知它受到一個指向曲率中心的洛侖茲力，由運動方向、洛侖茲力方向和磁場方向可判斷出液滴a帶負電荷.液滴b靜止時，靜電力與重力平衡，可知它帶正電荷.本題包含三個過程，一個是液滴a由靜止釋放到運動至b處，其間合外力（靜電力和重力）對液滴a做功，使它動能增加.另一個是碰撞過程，液滴a與b相碰,動量守恒.第三個過程是水平方向直線運動，豎直方向合外力為零.qE/n4#3qE3IC圖2解設(shè)a的質(zhì)量為2m,帶電量為-4q,b的質(zhì)量為m,帶電量為q.碰前：a液滴（4Eq+2mg）h（圖冽©b液滴Eq=鳴（圖2b）碰撞：2mvi=3mv2,碰

13、后：3Eq+3mg=3qvB.（圖2c）3E由式解得“=,代入式解得h=音例10如圖所示，在x軸上方是垂直紙面向里的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，在x軸下方是方向與y軸正方向相反的場強為E的勻強電場，已知沿x軸方向跟坐標原點相距為l處有一垂直于x軸的屏MN.現(xiàn)有一質(zhì)量m、帶電量為負q的粒子從坐標原點沿y軸正方向射入磁場.如果想使粒子垂直打在光屏MN上，那么：（1）電荷從坐標原點射入時速度應(yīng)為多大（2）電荷從射入磁場到垂直打在屏上要多少時間分析粒子在勻強磁場中沿半圓做勻速圓周運動，進入電場后做勻減速直線運動，直到速度為零，然后又做反方向勻加速直線運動.仍以初速率垂直進入磁場，再沿新的半圓做勻速圓周運

14、動，如此周而復(fù)始地運動，直至最后在磁場中沿1/4圓周做勻速率運動垂直打在光屏MN上為止.解（1）如圖所示，要使粒子垂直打在光屏MN上，必須n2R+R=1又qvB=m2,(2)解得k潦扁'LlL2J.（2）粒子運動總時間由在磁場中運動時間tl和在電場中運動時間t2兩部分構(gòu)成.T:2n+1),一412兀m2=2t0=口2=2口2aE1(2n+1)E'+1)兀m2nBi十12qB(2n+1)E例11如圖所示，以正方形abco為邊界的區(qū)域內(nèi)有平行于x軸指向負方向的勻強電場和垂直紙面向外的勻強磁場，正方形邊長為L,帶電粒子（不計重力）從oc邊的中點D以某一初速度平行于y軸的正方向射入場區(qū)

15、，恰好沿直線從ab邊射出場區(qū).如果撤去磁場，保留電場，粒子仍以上述初速度從D點射入場區(qū)，則從bc邊上的P點射出場區(qū).假設(shè)P點的縱坐標y=h;如果撤去電場，保留磁場，粒子仍以上述的初速度從D點射入場區(qū)，在l有不同取值的情況下，求粒子射出場區(qū)時，出射點在場區(qū)邊界上的分布范圍.分析設(shè)電場強度為E,磁感應(yīng)強度為B,粒子的電量為q,質(zhì)量為m,初速度為v.當電場和磁場同時存在時，帶電粒子所受電場力和磁場力平衡，做直線運動.若撤去磁場，則粒子向右做拋物線運動，從bc邊上的p點射出場區(qū).若撤去電場，保留磁場，則粒子做反時針方向圓周運動，從y軸上的某點射出場區(qū).也可能從x軸上某點射出.解當電場和磁場同時存在時，

16、據(jù)題意有qBv=qE撤去磁場，電偏轉(zhuǎn)距離為撤去電場，磁偏轉(zhuǎn)距離為y=依-(R-L/2)二qBv=©K式聯(lián)立求得R=haZL若要從o點射出，則y=0,R=LZ4,由式得卜=1_/2.若要從能點射出，由式得41=1匚故不能從a點射出;由式可知：當h之時，出射點在縱軸上；當h=L時，由(5)式得y二,L為縱坐標的最大值；當寺亡hL時，然0,出射點在縱軸上的分布范因為U-1石空加為y-y-1/4由式可知當打1/2時,縱坐標y=Cb出射點在橫軸上0-L/2之,.工I.L141l同，其坐標知=例12兩塊板長1=、間距d=水平放置的平行板，板間加有垂直紙面向里,B二的勻強磁場和如圖1(b)所示的電

17、壓.當t=0時，有一質(zhì)量m=2X1015kg、電量q=1xiG10C帶正電荷的粒子，以速度v0=4X10m/s從兩板正中央沿與板面平行的方向射入.不計重力的影響，畫出粒子在板間的運動軌跡.,UA<iq，v+ ? u .f"。BX K M'-Afc ：15-1.00.&-III!IIT012345S/X10圖1分析板間加上電壓時，同時存在的勻強電場場強U15X1CP03N/C7X11N/C.粒子射入后受到的電場力FE和磁場力FB分別為Fe=qE=1XICT1°X5X103bT=5X1尸瓦Fs=qBv0=1X10-mX1,25X4X103Ni=5X1Q-7N.它們的方向正好相反，互相平衡，所以在兩板間加有電壓的各段時間內(nèi)（01X10S；23X10S；45XWs；）,帶電粒子依入射方向做勻速直線運動.板間不加電壓時，粒子僅受洛侖茲力作用，將做勻速圓周運動.解粒子在洛侖茲力作用下做勻速