探究电荷在直线电流周围磁场中的运动规律

1 引言

近日，在翻阅我市普通高中2020-2021学年高三年级第一次模拟考试试卷的时候，被其中的第15题吸引住了。

该题以带电粒子在磁场中的运动为背景设计问题，涉及到向心加速度、电流磁效应、右手螺旋定则、洛伦兹力、涵盖动力学、电磁学等多个模块，具有相当的综合性。

2 试题回放与参考解析

如下图所示，长指导线水平固定放置，导线中通入向右的恒定电流I，一个带电粒子在长指导线的正下方的P点处，以平行于长指导线的方向向右射出，不计粒子的重力，此后粒子的运动轨迹可能是（        ）

A.a或c        B.a或d

C.b或c        D.b或d

3 质疑

就一道试题而言，此题将物理情景背后的物理实质已经表现得淋漓尽致了，但是作为将创客思维与高中物理教学深度融合的践行者，还是萌发了继续探究的欲望。

试题插图中国给出的显然是较短时间内运动电荷的径迹，如果是较长时间，结果又将如何呢？

4 研究

如果要研究带电粒子在磁场中的运动规律，显然WorkingModel技胜一筹。在WM中以x轴为界，在x轴的下方可以设置一个强度与到x轴距离成反比的磁场，让带电粒子在其中运动。

其实就是在带电粒子上面施加一个力，让这个力遵循运动电荷在直线电流磁场中的受力规律就可以了。

考虑到直线电流周围空间中的磁感应强度公式为

则带电粒子在磁场中的受力按照如下设置

fx=e4 * body[1].charge * self.v.y/body[1].p.y

fy=-e4 * body[1].charge * self.v.x/body[1].p.y

随后运行程序，可以看到带电粒子在直线电流磁场中运动的丰富细节。

正电荷初速度与电流同向的情形

正电荷初速度与电流反向的情形

其实，带电粒子在直线电流磁场中运动时，由于靠近电流时曲率半径小，远离电流时曲率半径大，构成了一个周期性的螺旋运动，整体运动趋势与电流所在直线平行。

在创客活动中，教材、教参、练习册、考试卷也是学生创新创客选题的重要来源，只要有善于发现的眼睛，只要有解决问题的手段，什么样的问题可以、也都能够拿出来探究一番。

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