11.2洛伦兹力 带电粒子在匀强电场中的运动
带电粒子在匀强磁场中的运动速度公式
带电粒子在匀强磁场中的运动速度公式在我们学习物理的过程中，带电粒子在匀强磁场中的运动速度公式可是个相当重要的知识点。
咱先来说说这个公式到底是啥。
带电粒子在匀强磁场中运动时，它所受到的洛伦兹力大小为 qvB，其中 q 是粒子的电荷量，v 是粒子的速度，B 是磁场的磁感应强度。
当这个洛伦兹力刚好提供了粒子做圆周运动的向心力时，就有 qvB = mv²/r ，通过这个式子一番推导，就得出了带电粒子在匀强磁场中的运动速度公式 v = qBr/m 。
我还记得有一次给学生们讲这个知识点的时候，有个学生一脸懵地问我：“老师，这玩意儿在生活中有啥用啊？”我笑着跟他们说：“这用处可大了去啦！就比如说医院里的核磁共振成像，那可就是利用了带电粒子在磁场中的运动原理。
你们想想，如果没有这些知识，医生怎么能通过这么高科技的手段看到咱们身体里的情况呢？”咱们再深入聊聊这个公式的应用。
比如说在一个特定的磁场中，已知磁场的磁感应强度 B ，还有粒子的电荷量 q 和质量 m ，只要能测量出粒子运动的半径 r ，就能轻松算出粒子的运动速度 v 。
这在科学研究和实际应用中，可都是非常关键的一步。
假设咱们要研究一种新型的带电粒子，通过精心设计的实验，控制好磁场的强度，然后精确地测量出粒子运动的轨迹半径。
这时候，运用这个速度公式，就能准确地算出粒子的速度，从而进一步了解这种新型粒子的性质和特点。
在解题的时候，同学们可一定要注意单位的换算。
有时候就是因为单位没搞清楚，结果得出了一个让人哭笑不得的答案。
我之前批改作业的时候，就发现有个同学因为单位的问题，算出的速度比火箭还快，这要是真的，那可就太神奇啦！而且，理解这个公式的时候，不能死记硬背，要真正理解其中每个物理量的含义和它们之间的关系。
比如说，电荷量的变化会怎样影响速度，磁场强度的改变又会带来什么结果。
再给大家举个例子，假如有一个带电粒子在一个强度为 0.5T 的匀强磁场中做圆周运动，粒子的电荷量是 1.6×10⁻¹⁹C ，质量是9.1×10⁻³¹kg ，测量得到运动半径是 0.1m ，那咱们来算算它的速度。
初中物理：带电粒子在匀强磁场中的运动
第6节 带电粒子在匀强磁场中的运动1．洛伦兹力方向总是垂直于速度方向，所以洛伦兹力不对带电粒子做功，它只改变带电粒子速度的方向，不改变带电粒子速度的大小．2．垂直射入匀强磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动．洛伦兹力充当向心力．即Bq v ＝m v 2r ，所以r ＝m v Bq ，由v ＝2πr T ，得知T ＝2πmBq3．质谱仪的原理和应用 (1)原理图：如图1所示．图1(2)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU ＝12m v 2①(3)偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：q v B ＝m v 2r②(4)由①②两式可以求出粒子的质量、比荷、半径等，其中由r ＝1B 2mUq可知电荷量相同时，半径将随质量变化．(5)质谱仪的应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素 4．回旋加速器的原理及应用 (1)构造图：如图2所示．回旋加速器的核心部件是两个D 形盒．图2(2)原理回旋加速器有两个铜质的D 形盒D 1、D 2，其间留有一空隙，加以加速电压，离子源处在中心O 附近，匀强磁场垂直于D 形盒表面．粒子在两盒空间的匀强磁场中，做匀速圆周运动，在两盒间的空隙中，被电场加速．如果交变电场的周期与粒子在磁场中的运动周期相同，粒子在空隙中总被加速，半径r 逐渐增大，达到预定速率后，用静电偏转极将高能粒子引出D 形盒用于科学研究．(3)用途加速器是使带电粒子获得高能量的装置，是科学家探究原子核的有力工具，而且在工、农、医药等行业得到广泛应用．5．一个质量为m 、电荷量为q 的粒子，在磁感应强度为B 的匀强磁场中做匀速圆周运动，则下列说法中正确的是( )A ．它所受的洛伦兹力是恒定不变的B ．它的速度是恒定不变的C ．它的速度与磁感应强度B 成正比D ．它的运动周期与速度的大小无关 答案 D解析 粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力，沦伦兹力的大小不变，方向始终指向圆心，不断改变，所以A 错．速度的大小不变，方向不断改变，所以B 错．由于粒子进入磁场后洛伦兹力不做功，因此粒子的速度大小不改变，粒子速度大小始终等于其进入磁场时的值，与磁感应强度B 无关，所以C 错．由运动周期公式T ＝2πmBq ，可知T 与速度v 的大小无关．即D 正确．6．两个粒子，带电量相等，在同一匀强磁场中只受洛伦兹力而做匀速圆周运动( ) A ．若速率相等，则半径必相等 B ．若质量相等，则周期必相等 C ．若动能相等，则周期必相等 D ．若质量相等，则半径必相等 答案 B解析 根据粒子在磁场中的运动轨道半径r ＝m v qB 和周期T ＝2πmBq 公式可知，在q 、B 一定的情况下，轨道半径r 与v 和m 的大小有关，而周期T 只与m 有关．【概念规律练】知识点一 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动1．在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又垂直进入另一磁感应强度是原来的磁感应强度2倍的匀强磁场，则( )A ．粒子的速率加倍，周期减半B ．粒子的速率不变，轨道半径减半C ．粒子的速率减半，轨道半径为原来的四分之一D ．粒子的速率不变，周期减半 答案 BD解析 洛伦兹力不改变带电粒子的速率，A 、C 错．由r ＝m v qB ，T ＝2πmqB 知：磁感应强度加倍时，轨道半径减半、周期减半，故B 、D 正确．2．质子(p)和α粒子以相同的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径分别为R p 和R α，周期分别为T p 和T α，则下列选项正确的是( )A ．R p ∶R α＝1∶2 T p ∶T α＝1∶2B ．R p ∶R α＝1∶1 T p ∶T α＝1∶1C ．R p ∶R α＝1∶1 T p ∶T α＝1∶2D ．R p ∶R α＝1∶2 T p ∶T α＝1∶1 答案 A解析 质子(11H)和α粒子(42He)带电荷量之比q p ∶q α＝1∶2，质量之比m p ∶m α＝1∶4.由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律，R ＝m v qB ，T ＝2πmqB，粒子速率相同，代入q 、m 可得R p ∶R α＝1∶2，T p ∶T α＝1∶2，故选项A 正确．知识点二 带电粒子在有界磁场中的圆周运动3. 如图3所示，一束电子的电荷量为e ，以速度v 垂直射入磁感应强度为B 、宽度为d 的有界匀强磁场中，穿过磁场时的速度方向与原来电子的入射方向的夹角是30°，则电子的质量是多少？电子穿过磁场的时间又是多少？图3答案2deB v πd3v解析 电子在磁场中运动时，只受洛伦兹力作用，故其轨道是圆弧的一部分．又因洛伦兹力与速度v 垂直，故圆心应在电子穿入和穿出时洛伦兹力延长线的交点上．从图中可以看出，AB 弧所对的圆心角θ＝30°＝π6，OB 即为半径r ，由几何关系可得：r ＝d sin θ＝2d.由半径公式 r ＝m v Bq 得：m ＝qBr v ＝2deB v. 带电粒子通过AB 弧所用的时间，即穿过磁场的时间为： t ＝θ2πT ＝112×T ＝112×2πm Be ＝πm 6Be ＝πd 3v. 点评 作出辅助线，构成直角三角形，利用几何知识求解半径．求时间有两种方法：一种是利用公式t ＝θ2πT ，另一种是利用公式t ＝Rθv求解．4. 一磁场宽度为L ，磁感应强度为B ，如图4所示，一电荷质量为m 、带电荷量为－q ，不计重力，以某一速度(方向如图)射入磁场．若不使其从右边界飞出，则电荷的速度应为多大？图4答案 v ≤BqLm (1＋cos θ)解析 若要粒子不从右边界飞出，当达最大速度时运动轨迹如图，由几何知识可求得半径r ，即r ＋rcos θ＝L ，r ＝L1＋cos θ，又Bq v ＝m v 2r ，所以v ＝Bqr m ＝BqLm (1＋cos θ).知识点三 质谱仪5. 质谱仪原理如图5所示，a 为粒子加速器，电压为U 1；b 为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B 1，板间距离为d ；c 为偏转分离器，磁感应强度为B 2.今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动．求：图5(1)粒子的速度v 为多少？(2)速度选择器的电压U 2为多少？(3)粒子在B 2磁场中做匀速圆周运动的半径R 为多大？答案 (1) 2eU 1m (2)B 1d 2eU 1m (3)1B 2 2U 1me解析 根据动能定理可求出速度v ，据电场力和洛伦兹力相等可得到v 2，再据粒子在磁场中做匀速圆周运动的知识可求得半径．(1)在a 中，e 被加速电场U 1加速，由动能定理有eU 1＝12m v 2得v ＝ 2eU 1m.(2)在b 中，e 受的电场力和洛伦兹力大小相等，即e U 2d＝e v B 1，代入v 值得U 2＝B 1d2eU 1m. (3)在c 中，e 受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径R ＝m v B 2e ，代入v 值解得R ＝1B 2 2U 1m e.点评 分析带电粒子在场中的受力，依据其运动特点，选择物理规律进行求解分析． 知识点四 回旋加速器 6．在回旋加速器中( )A ．电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B ．电场和磁场同时用来加速带电粒子C ．在交流电压一定的条件下，回旋加速器的半径越大，则带电粒子获得的动能越大D ．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关，而与交流电压的频率无关． 答案 AC解析 电场的作用是使粒子加速，磁场的作用是使粒子回旋，故A 选项正确；粒子获得的动能E k ＝(qBR )22m ，对同一粒子，回旋加速器的半径越大，粒子获得的动能越大，故C选项正确．7．有一回旋加速器，它的高频电源的频率为1.2×107 Hz ，D 形盒的半径为0.532 m ，求加速氘核时所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大动能为多少？(氘核的质量为3.3×10－27 kg ，氘核的电荷量为1.6×10－19C)答案 1.55 T 2.64×10－12 J解析 氘核在磁场中做圆周运动，由洛伦兹力提供向心力，据牛顿第二定律q v B ＝m v 2R，周期T ＝2πR v，解得圆周运动的周期T ＝2πmqB .要使氘核每次经过电场均被加速，则其在磁场中做圆周运动的周期等于交变电压的周期，即T ＝1f.所以B ＝2πfm q ＝2×3.14×1.2×107×3.3×10－271.6×10－19T＝1.55 T.设氘核的最大速度为v ，对应的圆周运动的半径恰好等于D 形盒的半径，所以v ＝qBRm .故氘核所能达到的最大动能E max ＝12m v 2＝12m·(qBR m )2＝q 2B 2R 22m＝(1.6×10－19)2×1.552×0.53222×3.3×10－27J ＝2.64×10－12 J.【方法技巧练】一、带电粒子在磁场中运动时间的确定方法8. 如图6所示，在第一象限内有垂直纸面向里的匀强磁场，一对正、负电子分别以相同速度沿与x 轴成60°角从原点射入磁场，则正、负电子在磁场中运动时间之比为( )图6A ．1∶2B ．2∶1C ．1∶ 3D ．1∶1 答案 B9. 如图7所示，半径为r 的圆形空间内，存在着垂直于纸面向外的匀强磁场，一个带电粒子(不计重力)，从A 点沿半径方向以速度v 0垂直于磁场方向射入磁场中，并由B 点射出，且∠AOB ＝120°，则该粒子在磁场中运动的时间为( )图7A.2πr 3v 0B.23πr 3v 0C.πr 3v 0D.3πr 3v 0 答案 D 解析由图中的几何关系可知，圆弧AB 所对的轨迹圆心角为60°，O 、O ′的连线为该圆心角的角平分线，由此可得带电粒子圆轨迹半径为R ＝rcot 30°＝3r.故带电粒子在磁场中运动的周期为 T ＝2πR v 0＝23πr v 0.带电粒子在磁场区域中运动的时间t ＝60°360°T ＝16T ＝3πr 3v 0.方法总结 粒子在磁场中运动一周的时间为T ，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间可由下式表示：t ＝α360°T 或t ＝α2πT.1．运动电荷进入磁场后(无其他力作用)可能做( ) A ．匀速圆周运动 B ．匀速直线运动 C ．匀加速直线运动 D ．平抛运动 答案 AB解析 若运动电荷垂直于磁场方向进入匀强磁场，则做匀速圆周运动；若运动方向和匀强磁场方向平行，则做匀速直线运动，故A 、B 正确，由于洛伦兹力不做功，故电荷的动能和速度不变，C 错误．由于洛伦兹力是变力，故D 错误．2．有三束粒子，分别是质子(p)、氚核(31H)和α粒子(42He)束，如果它们以相同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场(磁场方向垂直纸面向里)，在下面所示的四个图中，能正确表示出这三束粒子运动轨迹的是( )答案 C3．带电粒子进入云室会使云室中的气体电离，从而显示其运动轨迹．如图8所示是在有匀强磁场的云室中观察到的粒子的轨迹，a 和b 是轨迹上的两点，匀强磁场B 垂直于纸面向里．该粒子在运动时，其质量和电荷量不变，而动能逐渐减少，下列说法正确的是( )图8A ．粒子先经过a 点，再经过b 点B ．粒子先经过b 点，再经过a 点C ．粒子带负电D ．粒子带正电答案 AC解析 由于粒子的速度减小，所以轨道半径不断减小，所以A 对，B 错；由左手定则得粒子应带负电，C 对，D 错．4．质子(11H)和α粒子(42He)在同一匀强磁场中做半径相同的圆周运动．由此可知质子的动能E 1和α粒子的动能E 2之比E 1∶E 2等于( )A ．4∶1B ．1∶1C ．1∶2D ．2∶1 答案 B解析 由r ＝m v qB ，E ＝12m v 2得E ＝r 2B 2q 22m，所以E 1∶E 2＝q 21m 1∶q 22m 2＝1∶1. 5. 长为l 的水平极板间有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B ，板间距离也为l ，板不带电．现有质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v 水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是( )A ．使粒子的速度v <Bql4mB ．使粒子的速度v >5Bql4mC ．使粒子的速度v >BqlmD ．使粒子的速度Bql 4m <v <5Bql4m答案 AB 解析如右图所示，带电粒子刚好打在极板右边缘时，有r 21＝(r 1－l 2)2＋l 2又r 1＝m v 1Bq ，所以v 1＝5Bql4m粒子刚好打在极板左边缘时，有r 2＝l 4＝m v 2Bq，v 2＝Bql 4m综合上述分析可知，选项A 、B 正确．6．如图9所示，在边界PQ 上方有垂直纸面向里的匀强磁场，一对正、负电子同时从边界上的O 点沿与PQ 成θ角的方向以相同的速度v 射入磁场中，则关于正、负电子，下列说法不正确的是( )图9A．在磁场中的运动时间相同B．在磁场中运动的轨道半径相同C．出边界时两者的速度相同D．出边界点到O点处的距离相等答案 A7. 如图10所示，ab是一弯管，其中心线是半径为R的一段圆弧，将它置于一给定的匀强磁场中，磁场方向垂直于圆弧所在平面，并且指向纸外．有一束粒子对准a端射入弯管，粒子有不同的质量、不同的速度，但都是一价正离子()图10A．只有速度v大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管B．只有质量m大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管C．只有m、v的乘积大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管D．只有动能E k大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管答案 C解析因为粒子能通过弯管要有一定的半径，其半径r＝R.所以r＝R＝m vqB，由q和B相同，则只有当m v一定时，粒子才能通过弯管．8. 如图11所示，一带负电的质点在固定的正的点电荷作用下绕该正电荷做匀速圆周运动，周期为T0，轨道平面位于纸面内，质点的速度方向如图中箭头所示．现加一垂直于轨道平面的匀强磁场，已知轨道半径并不因此而改变，则()图11A．若磁场方向指向纸里，质点运动的周期将大于T0B．若磁场方向指向纸里，质点运动的周期将小于T0C．若磁场方向指向纸外，质点运动的周期将大于T0D．若磁场方向指向纸外，质点运动的周期将小于T0答案AD解析不加磁场时：F E＝mR(2πT0)2，若磁场方向向里，则有F E－F B＝mR(2πT1)2，若磁场方向向外，则有F E＋F B＝mR(2πT2)2，比较知：T1＞T0，T2＜T0，选项A、D正确．9．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图12所示，要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是()图12A．增大匀强电场间的加速电压B．增大磁场的磁感应强度C ．减小狭缝间的距离D ．增大D 形金属盒的半径 答案 BD解析 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由牛顿第二定律q v B ＝m v 2r，得v ＝qBr m.若D 形盒的半径为R ，则r ＝R 时，带电粒子的最终动能E km ＝12m v 2＝q 2B 2R 22m ，所以要提高加速粒子射出时的动能，应尽可能增大磁感应强度B 和加速器的半径R.10. 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图13所示，离子源S 产生一个质量为m ，电荷量为q 的正离子，离子产生出来时的速度很小，可以看作是静止的，离子产生出来后经过电压U 加速，进入磁感应强度为B 的匀强磁场，沿着半圆运动而达到记录它的照相底片P 上，测得它在P 上的位置到入口处S 1的距离为x ，则下列说法正确的是( )图13A ．若某离子经上述装置后，测得它在P 上的位置到入口处S 1的距离大于x ，则说明离子的质量一定变大B ．若某离子经上述装置后，测得它在P 上的位置到入口处S 1的距离大于x ，则说明加速电压U 一定变大C ．若某离子经上述装置后，测得它在P 上的位置到入口处S 1的距离大于x ，则说明磁感应强度B 一定变大D ．若某离子经上述装置后，测得它在P 上的位置到入口处S 1的距离大于x ，则说明离子所带电荷量q 可能变小答案 D解析 由qU ＝12m v 2，得v ＝2qU m ，x ＝2R ，所以R ＝x 2＝m vqB ，x ＝2m v qB ＝2m qB 2qU m＝8mUqB 2，可以看出，x 变大，可能是因为m 变大，U 变大，q 变小，B 变小，故只有D 对．11．回旋加速器D 形盒中央为质子流，D 形盒的交流电压为U ，静止质子经电场加速后，进入D 形盒，其最大轨道半径为R ，磁场的磁感应强度为B ，质子质量为m.求：(1)质子最初进入D 形盒的动能多大；(2)质子经回旋加速器最后得到的动能多大； (3)交流电源的频率是多少．答案 (1)eU (2)e 2B 2R 22m (3)eB2πm解析 (1)粒子在电场中加速，由动能定理得： eU ＝E k －0，解得E k ＝eU.(2)粒子在回旋加速器的磁场中绕行的最大半径为R ，由牛顿第二定律得：e v B ＝m v 2R①质子的最大动能：E km ＝12m v 2②解①②式得：E km ＝e 2B 2R 22m(3)f ＝1T ＝eB 2πm12. 如图14所示，在x 轴上方有磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里的匀强磁场．x 轴下方有磁感应强度大小为B/2，方向垂直纸面向外的匀强磁场．一质量为m 、电荷量为－q 的带电粒子(不计重力)，从x 轴上O 点以速度v 0垂直x 轴向上射出．求：图14(1)射出之后经多长时间粒子第二次到达x 轴？ (2)粒子第二次到达x 轴时离O 点的距离．答案 (1)3πmqB (2)6m v 0qB解析 粒子射出后受洛伦兹力做匀速圆周运动，运动半个圆周后第一次到达x 轴，以向下的速度v 0进入x 轴下方磁场，又运动半个圆周后第二次到达x 轴．如下图所示．(1)由牛顿第二定律q v 0B ＝m v 20r①T ＝2πr v 0②得T 1＝2πm qB ，T 2＝4πmqB ，粒子第二次到达x 轴需时间 t ＝12T 1＋12T 2＝3πm qB. (2)由①式可知r 1＝m v 0qB ，r 2＝2m v 0qB ，粒子第二次到达x 轴时离O 点的距离 x ＝2r 1＋2r 2＝6m v 0qB.。
带电粒子在匀强磁场中的运动 课件
二、质谱仪
阅读教材第100页“例题”部分,了解质谱仪的结构和作用。
1.质谱仪的组成
由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成。
2.质谱仪的用途
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现
了氖20和氖22,证实了同位素的存在。质谱仪是测量带电粒子的
质量和分析同位素的重要工具。
三、回旋加速器
B.两粒子都带负电,质量比 =4
1
C.两粒子都带正电,质量比 =
4
1
D.两粒子都带负电,质量比 =
4
A.两粒子都带正电,质量比
1
解析:由于 qa=qb、Eka=Ekb,动能 Ek=2mv2 和粒子偏转半径 r= ,
2 2 2
可得 m= 2 ,可见 m 与半径
k
r 的二次方成正比,故 ma∶mb=4∶1,
再根据左手定则判知粒子应带负电,故选 B。
答案:B
【例题2】如图所示,一束电荷量为e的电子以垂直于磁场方向
(磁感应强度为B)并垂直于磁场边界的速度v射入宽度为d的磁场中,
穿出磁场时速度方向和原来射入方向的夹角为θ=60°。求电子的
质量和穿越磁场的时间。
解析:过 M、N 作入射方向和出射方向的垂线,
两垂线交于 O 点,O 点即电子在磁场中做匀速圆周运动的圆心,
连结 ON,过 N 作 OM 的垂线,垂足为 P,如图所示。由直角三角形 OPN
2 3
知,电子的轨迹半径 r=sin60° = 3 d
2
由圆周运动知 evB=m
2 3
联立①②解得 m= 3 。
带电粒子在匀强磁场中的运动
带电粒子在匀强磁场中的运动
带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动在带电粒子只受洛伦兹力作用、重力可以忽略的情况下，其在匀强磁场中有两种典型的运动：（1）若带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力，做匀速直线运动．（2）若带电粒子的速度方向与磁场方向垂直，带电粒子在垂直于磁感线的平面内以入射速度v做匀速圆周运动，其运动所需的向心力即洛伦兹力．可见T与v及r无关，只与B及粒子的比荷有关．荷质比q/m相同的粒子在同样的匀强磁场中，T,f和ω相同．（3）圆心的确定．因为洛伦兹力f指向圆心，根据f⊥v，画出粒子运动轨迹上任意两点（一般是射入和出磁场的两点）的f的方向，其延长线的交点即为圆心．（4）半径的确定和计算．圆心找到以后，自然就有了半径（一般是利用粒子入、出磁场时的半径）．半径的计算一般是利用几何知识，常用解三角形的方法及圆心角等于圆弧上弦切角的两倍等知识．（5）在磁场中运动时间的确定．利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角θ的大小，由公式t=θ/360°×T可求出运动时间．有时也用弧长与线速度的比．如图所示，注意到：①速度的偏向角ψ等于弧AB所对的圆心角θ．②偏向角ψ与弦切角α的关系为：ψ<180°，ψ=2α；ψ>180°，ψ=360°-2α；（6）注意圆周运动中有关对称规律如从同一直线边界射入的粒子，再从这一边射出时，速度与边界的夹角相等；在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出．确定粒子在磁场中运动圆心的方法①已知粒子运动轨迹上两点的速度方向，作这两速度方向的垂线，交点即为圆心。
②已知粒子入射点、入射方向及运动轨迹上的一条弦，作速度方向的垂线及弦的垂直平分线，交点即为圆心。
③已知粒子运动轨迹上的两条弦，作出两弦垂直平分线，交点即为圆心。
④已知粒子在磁场中的入射点、入射方向和出射方向(不一定在磁场中)，延长(或反向延长)两速度方向所在直线使之成一夹角，作出这一夹角的角平分线，角平分线上到两直线距离等于半径的点即为圆心。
洛伦兹力使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动
洛伦兹力使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动在我们生活中，电磁现象到处都有。
像是磁铁吸铁的“勾搭”，电流通过导线的“过招”，这些都离不开一个神奇的力量，那就是洛伦兹力。
说到洛伦兹力，你可能会想，“哎呀，又是那些枯燥的物理公式！”不过，别急，今天我们不讲公式，我们要用更简单的方式聊聊带电粒子在磁场里的奇妙运动，保证你看完后对这事儿有一个全新的理解！你听过匀速圆周运动吗？嗯，是的，今天的主角正是它！想象一下，有个小小的带电粒子，譬如一个电子，像个调皮的孩子，被放到一个均匀的磁场中。
你肯定想，这个小家伙会不会“乱跑”？那可不！它可不是随便乱动的。
你知道，为啥吗？因为一旦它进入了磁场，洛伦兹力就会在背后推它，给它一个“拽”的力，强迫它沿着一个完美的圆圈走。
是的，没错，就是一个圆圈！这小家伙可不想自己不听指挥，跑偏了，它一直得在这条圈里绕啊绕，像个永远也跑不出的运动员，在自己的跑道上狂奔。
话说回来，洛伦兹力到底是怎么回事？不难理解，就是一股作用在带电粒子上的力，大小跟粒子的电量、磁场强度和粒子速度都有关系。
更有意思的是，洛伦兹力总是和粒子的速度方向垂直的，咱们可以理解为它就像是一个“方向盘”，一直指引着粒子沿着某个特定的轨迹行驶。
想象一下，如果你开车的时候，方向盘一直往一边转，车就永远不会走直线。
你会绕着一个大圆圈一直走下去。
想一想，这是不是挺有意思的？不管你怎么加速，磁场都会让你一直保持匀速，根本没有办法加速或减速。
那么这个匀速圆周运动的速度咋办呢？它也没啥改变。
无论你跑得多快，那条圆轨迹永远不会变，除非你改变电量、磁场的强度或者粒子的速度。
也就是说，洛伦兹力像个“保镖”，无论你跑多快，都会保护着你按部就班，绝不会让你偏离轨道。
你可能会想，这不是挺无聊的吗？其实不然！你可以把它想象成一场充满控制力的舞蹈。
粒子不断被洛伦兹力“拉着”在圆圈中旋转，而这个“舞蹈”永远不会乱。
你可能会问，那为什么我们日常生活中看不到这种现象呢？带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，是在特定条件下才会发生的。
带电粒子在匀强磁场中的运动课件【新教材】人教版高中物理选择性必修第二册
第3节带电粒子在匀强磁场中 的运动
新知探究
如图是一台粒子回旋加速器，它的直径长达2km，请你探究分析 回旋加速器直径为什么要这样大？
新知探究
知识点 1 带电粒子在匀强磁场中的运动
洛伦兹力的特点 (1)洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小，或者说，洛伦兹力 对带电粒子不做功。
(2)洛伦兹力方向总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作 用。
磁感应强度为 B 的匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，即 qvB
＝mrv2，可得半径公式
mv r＝___q_B______，再由
T＝2vπr得周期公式
2πm T＝____q_B_____，
由此可知带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟速率 v 和半径 r__无__关____。
名师指点
带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动问题
带电粒子在复合场中的几种运动形式
知识点 知识点
轨带带电电粒粒道子子在在半复复合合径场场中中的的与运运动动磁感应强度、运动速度相联系，偏转角度与圆心角、运动
联立可得
，B正确。
时间相联系，在磁场中运动的时间与周期、圆心角相联系。 假如我们在北极地区仰视，发现正上方如图所示的弧状极光，则关于这一现象中高速粒子的说法正确的是（ ）
知识点 带电粒子在匀强磁场中的运动 (2)确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合。 1．如图所示，在x轴上方存在垂直于xOy平面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。 三个粒子中质子的比荷最大，氚核的比荷最小，则质子的轨迹最小，氚核的轨迹半径最大 B．运动过程中粒子因空气阻力做负功，粒子的动能变小，速度减小，根据公式 ②电荷在上述复合场中如果做匀速圆周运动，只能是除洛伦兹力以外的所有恒力的合力为零才能实现。 即若θ一定，无论v大小如何，则粒子在磁场中运动的时间都保持不变，故D错误。
带电粒子在匀强磁场中运动轨迹
带电粒子在匀强磁场中运动轨迹带电粒子在匀强磁场中运动轨迹一、带电粒子在匀强磁场中运动轨迹带电粒子只受洛伦兹力作用的条件下,在匀强磁场中的运动有:1.粒子初速度方向平行磁场方向（V ∥B ）：运动轨迹：匀速直线运动2.粒子初速度方向垂直磁场方向（V ⊥B ）：(1)动力学角度：洛伦兹力提供了带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力(2)运动学角度：加速度方向始终和运动方向垂直，而且加速度大小不变。
运动轨迹：匀速圆周运动二、轨道半径和运动周期1.轨道半径r ：qBm v r = 在匀强磁场中做匀速圆周运动的带电粒子，轨道半径跟运动速率成正比。
2.运动周期T ：qBm T π2= (1)周期跟轨道半径和运动速率均无关(2)粒子运动不满一个圆周的运动时间：qB m t θ=，θ为带电粒子运动所通过的圆弧所对的圆心角三、有界磁场专题：（三个确定）1、圆心的确定已知进出磁场速度方向已知进出磁场位置和一个速度方向2. 半径的确定：半径一般都在确定圆心的基础上用平面几何知识求解，常常要解三角形带电粒子在匀强磁场中运动轨迹3、时间的确定（由圆心角确定时间）粒子速度的偏转角(?)等于回旋角(α)，并等于AB 弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍即．θα?2==粒子在磁场中运动一周的时间为T ，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间可由下式表示：T t πα2= （1）直界磁场区: 如图，虚线上方存在无穷大的磁场B ，一带正电的粒子质量m 、电量q 、若它以速度v 沿与虚线成o o o o o o*****6030、、、、、角分别射入，请你作出上述几种情况下粒子的轨迹、并求其在磁场中运动的半径和时间。
粒子在直界磁场（足够大）的对称规律：从同一边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等。
（2）、圆界磁场带电粒子在匀强磁场中运动轨迹偏转角：rR =2tan θR ：磁场半径r:圆周运动半径经历时间：qBmt θ= 圆运动的半径：qBm v r = 圆界磁场对称规律：在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出。
北京专用高考物理总复习第十一章第2讲洛伦兹力带电粒子在匀强磁场中的运动课件
a带负电,粒子b、c带正电 c在磁场中运动的时间最长 c在磁场中的加速度最大 c在磁场中的动量最大
答案 B 由左手定则可知,带电粒子进入磁场中,向左偏的a带正电荷,
向右偏的b、c带负电荷,故A错误;三个粒子在磁场中做圆周运动的周期
T= 2 m 都相同,而c的轨迹圆弧所对的圆心角θ最大,由t= θ T得c在磁场
v
R
Bq
通过调节“励磁电流调节旋钮” 改励磁电流改变从而改变了磁感应强度大小,则电子沿①、②轨迹
运动一周所用时间之比 T1 = B2 = I2 = 2
T2 B1 I1 1
(或由周期T= 2 R ,通过调节“励磁电流调节旋钮”改变径迹的情况中,
v
“加速电压调节旋钮”位置保持不变,说明电压U不变,即电子速率v不
考点二 带电粒子做圆周运动的分析思路
2-1 在垂直纸面的匀强磁场中,有不计重力的甲、乙两个带电粒子,在 纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹如图所示。则下列说法中正确 的是 ( )
A.甲、乙两粒子所带电荷种类不同 B.若甲、乙两粒子所带电荷量及运动的速率均相等,则甲粒子的质量 较大 C.若甲、乙两粒子的动量大小相等,则甲粒子所带电荷量较大
变,因此可得 T1 = R1 = 2 )
T2 R2 1
考点三 带电粒子在有界匀强磁场中的运动
(1)已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点分别作垂直于 入射方向和出射方向的垂线,两条垂线的交点就是圆弧轨迹的圆心(如 图甲所示,P为入射点,M为出射点)。 (2)已知入射点和出射点的位置及入射方向时,可以通过入射点作入射 方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是 圆弧轨迹的圆心(如图乙所示,P为入射点,M为出射点)。
11-3洛伦兹力
11－6,7 带电粒子在电磁场中的运动 －
十一章 真空中的恒定磁场
二、带电粒子在均匀磁场中的运动 1 . v0 ⊥ B 粒子：电量q,质量m, 粒子：电量 ,质量 ,速度 v0
v02 qv0B = m R
mv0 R= qB
2π R 2π m T= = v0 qB
11－6,7 带电粒子在电磁场中的运动 － 2.
11－6,7 带电粒子在电磁场中的运动 －
十一章 真空中的恒定磁场
§8－6 带电粒子在静电场中的运动
力矩) 一、带电粒子在匀强场中受力(力矩 带电粒子在匀强场中受力 力矩
+q
F = F+ + F− = qE − qE = 0
M = qEr0 sinθ = pE sinθ
r0
θ
稳定平衡
F+
E
F−
M =0
F = qE e Fm = qv × B
z
2. 磁场力（洛仑兹力） 磁场力（洛仑兹力） 特征
Fm
o x
q+ θ
B
y
v
始终与电荷的运动方向垂直， 1) 始终与电荷的运动方向垂直，只改变电荷运动方向 2) 洛伦兹力永远不会对运动电荷作功。 洛伦兹力永远不会对运动电荷作功。 • 运动电荷在电场和磁 F = qE + qv× B 场中受的力
作业
书 11-17 11-20
（同轴电缆） 同轴电缆）
下次课内容
§11-8、9、10 、 、 磁场对载流导线的作用 第十二章 磁介质
11-23 11-26
当太阳黑子活动引起空间磁 场的变化， 场的变化，使粒子在两极处的磁 力线引导下， 力线引导下，在两极附近进入大 气层，能引起美妙的北极光。 气层，能引起美妙的北极光。
带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动
带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动1. 引言带电粒子在外加电场和磁场的作用下，会受到力的作用而发生运动。
本文将详细讨论带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动规律。
2. 匀强电场中的运动在匀强电场中，带电粒子受到电场力的作用。
根据库仑定律，带电粒子所受力与其所处位置成正比，方向与电场方向相同或相反。
假设带电粒子的质量为m，带有单位正电荷q，所处位置为r，则其所受力可以表示为F = qE，其中E为电场强度。
根据牛顿第二定律 F = ma，将上式代入可以得到 ma = qE。
由于在匀强电场中，加速度是常量 a = qE/m。
因此，在匀强电场中，带电粒子的加速度与其质量无关。
根据基本物理公式 v = u + at （u为初速度），可以得到 v = u + (qE/m)t。
如果假设初始时刻t=0时，带电粒子具有初始速度v0，则可以得到 v = v0 +(qE/m)t。
这就是带电粒子在匀强电场中的速度公式。
3. 匀强磁场中的运动在匀强磁场中，带电粒子受到洛伦兹力的作用。
洛伦兹力的大小与带电粒子的电荷量、速度以及磁场强度之间有关。
根据洛伦兹力公式 F = q(v × B)，其中v为带电粒子的速度，B为磁感应强度。
根据牛顿第二定律 F = ma，将上式代入可以得到ma = q(v × B)。
由于在匀强磁场中，加速度是常量a = q(v × B)/m。
因此，在匀强磁场中，带电粒子的加速度与其质量成反比。
当带电粒子初始时刻t=0时，其速度方向与磁场方向垂直，可以通过右手定则确定。
假设初始时刻t=0时，带电粒子具有初始速度v0，则可以得到 v = v0 +(q/m)(v0 × B)t。
这就是带电粒子在匀强磁场中的速度公式。
4. 匀强电场和匀强磁场共同作用下的运动当带电粒子同时处于匀强电场和匀强磁场中时，将同时受到电场力和磁场力的作用。
根据洛伦兹力公式F = q(E + v × B)，带电粒子所受合力为 F = q(E + v × B)。
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例1 对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究 ,
找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。一段横截面积为S、
长为l的直导线,单位体积内有n个自由电子,电子电荷量为e。该导线通有 电流时,假设自由电子定向移动的速率均为v。
(a)求导线中的电流I;
(b)将该导线放在匀强磁场中,电流方向垂直于磁感应强度B,导线所受安培 力大小为F安,导线内自由电子所受洛伦兹力大小的总和为F,推导F安=F。
看图3.5-1，本演示能说明哪些问题？电子运源自方向？ 磁场方向？ 电子会如何偏转？
1、洛伦兹力的方向用_____判定，说一说这个定则？
2、推导洛伦兹力大小？
F安=BIL
F洛=qvB N=nSvt F安=NqvB
F=BIL sin θ
F洛=qvB sin θ
完成p97的“思考与讨论” ：洛伦兹力对带 电粒子运动的速度有什么影响？洛伦兹力 对带电粒子做的功是多少？
例2
处于匀强磁场中的一个带电粒子,仅在磁场
力作用下做匀速圆周运动。将该粒子的运动等效 为环形电流,那么此电流值 ( A.与粒子电荷量成正比 C.与粒子质量成正比 )
B.与粒子速率成正比 D.与磁感应强度成正比
(注意:解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量,要在解题时做必
要的说明)
看图3.6-1，完成“演示”中的问题？ 看图3.6-2，分析带电粒子垂直进入匀强磁 场会做什么运动？
完成p100“思考与讨论”，看图3.6-3，推 导出带电粒子做匀速圆周运动的 半径公式____________； 周期公式____________。 带电粒子在磁场中运动半径、周期发生变 化，可能是什么原因导致的？