3.電子自靜止開始經(jīng)M、N板間(兩板間的電壓為u)的電場加速后從A點垂直于磁場邊界射入寬度為d的勻強(qiáng)磁場中,電子離開磁場時的位置P偏離入射方向的距離為L,如圖所示.求勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度.(已知電子的質(zhì)量為m,電量為e)
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2.
如圖所示,x軸上方有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場.有兩個質(zhì)量相同,電荷量也相同的帶正、負(fù)電的離子(不計重力),以相同速度從O點射入磁場中,射入方向與x軸均夾θ角.則正、負(fù)離子在磁場中
A.運動時間相同
B.運動軌道半徑相同
C.重新回到x軸時速度大小和方向均相同
D.重新回到x軸時距O點的距離相同
1.如圖所示,豎直向下的勻強(qiáng)磁場穿過光滑的絕緣水平面,平面上一個釘子O固定一根細(xì)線,細(xì)線的另一端系一帶電小球,小球在光滑水平面內(nèi)繞O做勻速圓周運動.在某時刻細(xì)線斷開,小球仍然在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動,下列說法一定錯誤的是
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A.速率變小,半徑變小,周期不變 B.速率不變,半徑不變,周期不變
C.速率不變,半徑變大,周期變大 D.速率不變,半徑變小,周期變小
3.穿過矩形磁場區(qū)。一定要先畫好輔助線(半徑、速度及延長線)。偏轉(zhuǎn)角由sinθ=L/R求出。側(cè)移由R2=L2-(R-y)2解出。經(jīng)歷時間由
得出。
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注意,這里射出速度的反向延長線與初速度延長線的交點不再是寬度線段的中點,這點與帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)結(jié)論不同!
[例8]如圖所示,一束電子(電量為e)以速度v垂直射入磁感強(qiáng)度為B,寬度為d的勻強(qiáng)磁場中,穿透磁場時速度方向與電子原來入射方向的夾角是30°,則電子的質(zhì)量是 ,穿透磁場的時間是 。
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解析:電子在磁場中運動,只受洛侖茲力作用,故其軌跡是圓弧的一部分,又因為f⊥v,故圓心在電子穿入和穿出磁場時受到洛侖茲力指向交點上,如圖中的O點,由幾何知識知,AB間圓心角θ=30°,OB為半徑。
∴r=d/sin30°=2d,又由r=mv/Be得m=2dBe/v
又∵AB圓心角是30°,∴穿透時間t=T/12,故t=πd/3v。
帶電粒子在長足夠大的長方形磁場中的運動時要注意臨界條件的分析。如已知帶電粒子的質(zhì)量m和電量e,若要帶電粒子能從磁場的右邊界射出,粒子的速度v必須滿足什么條件?這時必須滿足r=mv/Be>d,即v>Bed/m.
[例9]長為L的水平極板間,有垂直紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場,如圖所示,磁感強(qiáng)度為B,板間距離也為L,板不帶電,現(xiàn)有質(zhì)量為m,電量為q的帶正電粒子(不計重力),從左邊極板間中點處垂直磁感線以速度v水平射入磁場,欲使粒子不打在極板上,可采用的辦法是:
A.使粒子的速度v<BqL/4m;
B.使粒子的速度v>5BqL/4m;
C.使粒子的速度v>BqL/m;
D.使粒子速度BqL/4m<v<5BqL/4m。
解析:由左手定則判得粒子在磁場中間向上偏,而作勻速圓周運動,很明顯,圓周運動的半徑大于某值r1時粒子可以從極板右邊穿出,而半徑小于某值r2時粒子可從極板的左邊穿出,現(xiàn)在問題歸結(jié)為求粒子能在右邊穿出時r的最小值r1以及粒子在左邊穿出時r的最大值r2,由幾何知識得:
粒子擦著板從右邊穿出時,圓心在O點,有:
r12=L2+(r1-L/2)2得r1=5L/4,
又由于r1=mv1/Bq得v1=5BqL/4m,∴v>5BqL/4m時粒子能從右邊穿出。
粒子擦著上板從左邊穿出時,圓心在O'點,有r2=L/4,又由r2=mv2/Bq=L/4得v2=BqL/4m
∴v2<BqL/4m時粒子能從左邊穿出。
綜上可得正確答案是A、B。
針對訓(xùn)練
2.
穿過圓形磁場區(qū)。畫好輔助線(半徑、速度、軌跡圓的圓心、連心線)。偏角可由
求出。經(jīng)歷時間由
得出。
注意:由對稱性,射出線的反向延長線必過磁場圓的圓心。
[例6]如圖所示,一個質(zhì)量為m、電量為q的正離子,從A點正對著圓心O以速度v射入半徑為R的絕緣圓筒中。圓筒內(nèi)存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B。要使帶電粒子與圓筒內(nèi)壁碰撞多次后仍從A點射出,求正離子在磁場中運動的時間t.設(shè)粒子與圓筒內(nèi)壁碰撞時無能量和電量損失,不計粒子的重力。
解析:由于離子與圓筒內(nèi)壁碰撞時無能量損失和電量損失,每次碰撞后離子的速度方向都沿半徑方向指向圓心,并且離子運動的軌跡是對稱的,如圖所示。設(shè)粒子與圓筒內(nèi)壁碰撞n次(
),則每相鄰兩次碰撞點之間圓弧所對的圓心角為2π/(n+1).由幾何知識可知,離子運動的半徑為
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離子運動的周期為
,又
,
所以離子在磁場中運動的時間為
.
[例7]圓心為O、半徑為r的圓形區(qū)域中有一個磁感強(qiáng)度為B、方向為垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場,與區(qū)域邊緣的最短距離為L的O'處有一豎直放置的熒屏MN,今有一質(zhì)量為m的電子以速率v從左側(cè)沿OO'方向垂直射入磁場,越出磁場后打在熒光屏上之P點,如圖所示,求O'P的長度和電子通過磁場所用的時間。
解析 :電子所受重力不計。它在磁場中做勻速圓周運動,圓心為O″,半徑為R。圓弧段軌跡AB所對的圓心角為θ,電子越出磁場后做速率仍為v的勻速直線運動, 如圖4所示,連結(jié)OB,∵△OAO″≌△OBO″,又OA⊥O″A,故OB⊥O″B,由于原有BP⊥O″B,可見O、B、P在同一直線上,且∠O'OP=∠AO″B=θ,在直角三角形OO'P中,O'P=(L+r)tanθ,而
,
,所以求得R后就可以求出O'P了,電子經(jīng)過磁場的時間可用t=
來求得。
由
得R=![]()
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,
![]()
,
![]()
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1、帶電粒子在半無界磁場中的運動
[例5]一個負(fù)離子,質(zhì)量為m,電量大小為q,以速率v垂直于屏S經(jīng)過小孔O射入存在著勻強(qiáng)磁場的真空室中,如圖所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與離子的運動方向垂直,并垂直于圖1中紙面向里.
(1)求離子進(jìn)入磁場后到達(dá)屏S上時的位置與O點的距離.
(2)如果離子進(jìn)入磁場后經(jīng)過時間t到達(dá)位置P,證明:直線OP與離子入射方向之間的夾角θ跟t的關(guān)系是
。
解析:(1)離子的初速度與勻強(qiáng)磁場的方向垂直,在洛侖茲力作用下,做勻速圓周運動.設(shè)圓半徑為r,則據(jù)牛頓第二定律可得:
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,解得![]()
如圖所示,離了回到屏S上的位置A與O點的距離為:AO=2r
所以![]()
(2)當(dāng)離子到位置P時,圓心角:![]()
因為
,所以
.
3.洛倫茲力大小的計算
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中僅受洛倫茲力而做勻速圓周運動時,洛倫茲力充當(dāng)向心力,由此可以推導(dǎo)出該圓周運動的半徑公式和周期公式: ![]()
[例3] 如圖直線MN上方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場。正、負(fù)電子同時從同一點O以與MN成30°角的同樣速度v射入磁場(電子質(zhì)量為m,電荷為e),它們從磁場中射出時相距多遠(yuǎn)?射出的時間差是多少?
解:由公式知,它們的半徑和周期是相同的。只是偏轉(zhuǎn)方向相反。先確定圓心,畫出半徑,由對稱性知:射入、射出點和圓心恰好組成正三角形。所以兩個射出點相距2r,由圖還可看出,經(jīng)歷時間相差2T/3。答案為射出點相距
,時間差為
。關(guān)鍵是找圓心、找半徑和用對稱。
[例4] 一個質(zhì)量為m電荷量為q的帶電粒子從x軸上的P(a,0)點以速度v,沿與x正方向成60°的方向射入第一象限內(nèi)的勻強(qiáng)磁場中,并恰好垂直于y軸射出第一象限。求勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和射出點的坐標(biāo)。
解:由射入、射出點的半徑可找到圓心O/,并得出半徑為
;射出點坐標(biāo)為(0,
)。
帶電粒子在磁場中的運動是高中物理的一個難點,也是高考的熱點。在歷年的高考試題中幾乎年年都有這方面的考題。帶電粒子在磁場中的運動問題,綜合性較強(qiáng),解這類問題既要用到物理中的洛侖茲力、圓周運動的知識,又要用到數(shù)學(xué)中的平面幾何中的圓及解析幾何知識。
21.(2008年佛山市高三教學(xué)質(zhì)量檢測)讀下列材料,回答相關(guān)問題。
材料一 佛山素有“南國陶都”之稱,歷史上,曾有“石灣瓦,甲天下”的美譽(yù)。1981年,中國從意大利引進(jìn)的國內(nèi)第一條年產(chǎn)30萬平方米的彩釉磚自動生產(chǎn)線落戶佛山,從而拉開了佛山陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的序幕。到2005年底,佛山的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到380多家,形成了由建筑、衛(wèi)浴、工藝和日用等多種類型陶瓷生產(chǎn)集群。2007年,佛山市政府投資26億元,總規(guī)劃面積1000畝,在南莊開工建設(shè)“中國陶瓷產(chǎn)業(yè)總部基地”,大力發(fā)展總部經(jīng)濟(jì)。佛山市政府提出,2009年9月截止,節(jié)能減排不能達(dá)到指標(biāo)的陶瓷企業(yè),將實行全面關(guān)停。到2008年3月止,佛山的380多家陶瓷生產(chǎn)企業(yè),絕大部分已遷往外地,僅剩幾十家政府重點扶持進(jìn)行清潔生產(chǎn)改造的大型陶瓷企業(yè)。
材料二 我國高嶺土(陶瓷生產(chǎn)的主要原料)礦產(chǎn)資源分布示意圖
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材料三 2007年佛山陶瓷產(chǎn)業(yè)的能耗、排污量和成本分析表
|
項目 |
占全市(%) |
項目 |
價格漲幅(與2005年比)(%) |
|
能耗 |
20 |
工資、柴油 |
20 |
|
二氧化硫排放 |
13 |
土地 |
100 |
|
煙塵粉塵排放 |
18 |
運輸 |
15 |
(1)國內(nèi)引進(jìn)的第一條大型瓷磚自動化生產(chǎn)線選擇在廣東佛山落戶,佛山相對于廣東其它城市明顯的陶瓷產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢區(qū)位因素有
A.良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ) B.大量廉價勞動力 C.豐富的原料 D.廣闊市場
E.發(fā)達(dá)的科技水平 F.優(yōu)越的交通地理位置 G.政策優(yōu)勢
(2)我國高嶺土分布具有 特點。
(3)簡述佛山陶瓷生產(chǎn)企業(yè)紛紛外遷的主要原因。
(4)分析佛山陶瓷產(chǎn)業(yè)的今后發(fā)展方向
答案 (1)AG
(2)南方多,北方少;東部多,西部少。
(3)佛山環(huán)境污染嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境壓力越來越大;環(huán)保、勞動力、土地和運輸成本上升; 政策環(huán)境變化;過度集聚導(dǎo)致惡性競爭
(4)陶瓷產(chǎn)業(yè)的營銷、管理、服務(wù)中心、產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中心、出口轉(zhuǎn)銷中心和信息和金融中心,發(fā)展藝術(shù)、科技陶瓷,發(fā)展陶瓷文化、旅游,發(fā)展陶瓷產(chǎn)業(yè)總部經(jīng)濟(jì)或建立陶瓷產(chǎn)業(yè)總部基地。
(濟(jì)南市2007年3月高三統(tǒng)一考試地理試題)讀“區(qū)位因素構(gòu)成示意圖”,完成17-19題。
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17.若a、b、c分別代表農(nóng)業(yè)區(qū)位因素的勞動力,生產(chǎn)資料和科技因素,則圖示農(nóng)業(yè)地域類型是 ( )
A.商品谷物農(nóng)業(yè) B.乳畜業(yè)
C.稻作農(nóng)業(yè) D.原始遷移農(nóng)業(yè)
18.若a、b、c分別代表工業(yè)區(qū)位因素中的原料、能源和市場,則圖示工業(yè)部門是 ( )
A.煉鋁工業(yè) B.制糖工業(yè)
C.航天工業(yè) D.服裝加工業(yè)
19.若該圖表示城市中心商務(wù)區(qū)的區(qū)位因素構(gòu)成,則a代表的是
A.市場 B.交通 C.教育水平 D.環(huán)境狀況
答案 17.C 18.B 19.A
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