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《带电粒子在匀强磁场里的运动》

书接上回:上一节学习了磁场对带电粒子的作用力。最后提到了一个应用,显像管的显像就是利用磁场对带电粒子的偏转来实现的,只是这个磁场是特殊的匀强磁场。本节就来学习带电粒子在匀强磁场中的运动。

推理与实验相结合,新力与旧规律同应用。

一.知识储备

  1. 匀强磁场的特点:磁感应强度大小、方向处处相同。

  2. 磁场对带电粒子的作用力特点。方向:洛伦兹力与磁场和带电粒子速度方向都垂直。

  3. 洛伦兹力对带电粒子是否做功?

二.带电粒子在匀强磁场中的运动

  1. 磁场方向与带电粒子速度方向平行时。

    忽略其它力的前提下,磁场对带电粒子的运动无影响。粒子做匀速直线运动。

    用洛伦兹力演示仪演示现象,验证推理。

  2. 磁场方向与带电粒子的速度方向垂直

a.分析带电粒子所受洛伦兹力方向与粒子速度方向的关系;

b.洛伦兹力特点:大小不变,

c.分析粒子在洛伦兹力作用下的运动。洛伦兹力的方向与带电粒子的速度方向始终垂直,不计粒子所受其他力的情况下,洛伦兹力的大小不变。带电粒子做匀速圆周运动。

实验演示现象,验证推理。

证实带电粒子做匀速圆周运动后,能否求出带电粒子做匀速圆周运动的运动参量呢?牛顿第二定律及圆周运动的规律。

    3.磁场方向与带电粒子速度方向既不垂直也不平行时。

先看演示实验,再分析形成如此轨迹的原因。

轨迹是螺旋线。

运用运动的合成与分解知识去处理:带电粒子的速度方向可分解为两个方向,一个与磁场平行,一个与磁场垂直。

v1做匀速圆周运动,v2做匀速直线运动,带电粒在空间内做螺旋线运动,轨迹类似于螺纹。根据运动学规律,可以计算其螺距,螺纹半径。

            

三.解释上节显像管中带电粒子的偏转

  1. 构造模型:圆形有界匀强磁场

  2. 找磁场圆、偏转圆半径之间的关系、找偏转角与带电粒子的速度、比荷、磁感应强度的关系。

    数学中的几何、物理中的牛顿第二定律,又要走在一起打天下。这也是学习这一部分知识的主要方法。

四.其他类型的有界磁场、和重力场、电场结合的有界磁场。


在这些多场并存的情况下,分析粒子的运动情况,就是几何知识和物理知识的综合应用。

总结:从磁场方向与带电粒子的速度方向之间的夹角关系来分析受力,进一步推断运动。忽略其他力的前提下:两者方向平行时,粒子做匀速直线运动;两者方向垂直时,粒子做匀速圆周运动;两者方向既不垂直也不平行时,分解速度,各自行动,变成了同时参与匀速直线和匀速圆周运动的立体综合运动。

学习启示:高中物理可以定量计算的问题,通常都是特殊问题,从匀变速直线、曲线运动,到匀速圆周运动,莫不如此。

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