“捕捉”带电粒子,智取高考高分(下)

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  带电粒子在重力场,电场,磁场以及这些场的组合场、复合场中的运动都有可能成为高考计算题的出题点,从而占据压轴题的地位。本文不会给大家做所谓的“猜题”,而是希望通过一道典型的题目,和大家一起把其中涉及的知识点搞通、弄透。
  例(带电粒子在组合场中的运动):(14分)如图所示,在平面直角坐标系xOy中有一个垂直于纸面向里的圆形匀强磁场,其边界过原点O、y轴上的点a(0,L)和x轴上的b点。一质量为m、带电荷量为e的电子从a点以初速度v0平行于x轴正方向射入磁场,并从x轴上的b点射出磁场,此时速度方向与x轴正方向的夹角为60°。不计电子的重力。
  (1)求电子在磁场中运动的半径R及时间t;
  (2)若在电子到达b点时撤掉磁场的同时在第四象限加一大小E=、方向与x轴正方向成30°角的匀强电场,如图所示,求电子离开电场通过y轴时的坐标。
  解析:(1)如图所示,设电子的轨迹半径为R,由几何知识,有:
  方法总结:带电粒子在组合场中的运动模型。
  带电粒子在组合场中的运动过程比较复杂,但如果认真分析其运动过程会发现,粒子的运动实际上是几个运动过程的组合,只要认真分析每个过程,找出其所满足的物理规律,并找出各个过程之间的衔接点和相关联的物理量,问题便可迎刃而解。
  ①先电场后磁场模型
  ②先磁场后电场模型
  对于粒子从磁场进入电场的运动,常见的有两种情况:(a)进入电场时粒子速度方向与电场方向相同或相反;(b)进入电场时粒子速度方向与电场方向垂直。(如图所示)
  (2)带电粒子在磁场中运动,常常遇到磁场有界而产生临界问题。对于此类问题采用以下两种方法。
  ①动态放缩法:当带电粒子射入磁场的方向确定,但射入时的速度v大小或磁场的强弱B变化时,粒子做圆周运动的轨道半径r随之变化。在确定粒子运动的临界情景时,可以以入射点为定点,将轨道半径放缩,作出一系列的轨迹,从而探索出临界条件。如图所示,粒子进入长方形边界OABC形成的临界情景为②和④。
  ②定圆旋转法:当带电粒子射入磁场时的速率v大小一定,但射入的方向变化时,粒子做圆周运动的轨道半径r是确定的。在确定粒子运动的临界情景时,可以以入射点为定点,将轨迹圆旋转,作出一系列轨迹,从而探索出临界条件,如图所示为粒子进入单边界磁场时的情景。
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