高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

北京谱仪是北京正负电子对撞机的一部分,它可以利用带电粒子在磁场中的运动测量粒子的质量、动量等物理量。

考虑带电粒子在磁感应强度为$B$的匀强磁场中的运动,且不计粒子间相互作用。

一个电荷量为$q_{0}$的粒子的速度方向与磁场方向垂直,推导得出粒子的运动周期$T$与质量$m$的关系;

[["

$T=\\dfrac{2\\pi}{q_{0}B} \\cdot m$

"]]

粒子速度方向与磁场垂直,做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力$q_{0}vB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

解得轨道半径$R=\dfrac{mv}{q_{0}B}$

圆周运动的周期$T=\dfrac{2\pi R}{v}$

$R$代入得$T=\dfrac{2\pi m}{q_{0}B}$

比例关系为$T=\dfrac{2\pi}{q_{0}B} \cdot m$

两个粒子质量相等、电荷量均为$q$,粒子$1$的速度方向与磁场方向垂直,粒子$2$的速度方向与磁场方向平行。在相同的时间内,粒子$1$在半径为$R$的圆周上转过的圆心角为$\theta$,粒子$2$运动的距离为$d$。求:

$a$.粒子$1$与粒子$2$的速度大小之比$v_{1} : v_{2}$

$b$.粒子$2$的动量大小$p_{2}$

[["

$a$$v_{1} : v_{2}=\\theta R : d$$b$$\\dfrac{qBd}{\\theta}$

"]]

$a$.由题意知粒子$1$做圆周运动,线速度$v_{1}=\omega R=\dfrac{\theta}{t}R$

粒子$2$做匀速直线运动,速度$v_{2}=\dfrac{d}{t}$

所以速度之比$\dfrac{v_{1}}{v_{2}}=\dfrac{\dfrac{\theta R}{t}}{\dfrac{d}{t}}=\dfrac{\theta R}{d}$

$v_{1} : v_{2}=\theta R : d$

$b$.对粒子$1$,由洛伦兹力提供向心力有$qv_{1}B=m\dfrac{v_{1}^{2}}{R}$

可得$m=\dfrac{qBR}{v_{1}}$

粒子$2$的动量$p_{2}=mv_{2}$

结合前面的分析可得$p_{2}=\dfrac{qBR}{v_{1}} \cdot v_{2}=\dfrac{qBR \cdot d}{\theta R}=\dfrac{qBd}{\theta}$

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如图,在平面第一、四象限内存在垂直平面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为,一带正电的粒子从点射入磁场,速度方向与轴正方向夹角,从点射出磁场。已知粒子的电荷量为,质量为,忽略粒子重力及磁场边缘效应。 如图,在竖直平面内的直角坐标系中,轴上方存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。在第二象限内,垂直纸面且平行于轴放置足够长的探测薄板,到轴的距离为,上、下表面均能接收粒子。位于原点的粒子源,沿平面向轴上方各个方向均匀发射相同的带正电粒子。已知粒子所带电荷量为、质量为、速度大小均为。不计粒子的重力、空气阻力及粒子间的相互作用,则 地磁场能抵御宇宙射线的侵入,赤道剖面处地磁场可简化为包围地球且厚度为地球半径的的匀强磁场,方向垂直该剖面。图中给出的速度在图示平面内,从点沿平行与垂直地面两个不同方向入射的、、三种比荷相同的带电粒子(不计重力)在地磁场中的三条运动轨迹,其中、粒子入射速度大小分别为、,方向与地面平行,粒子入射速度方向与地面垂直,且它们都恰不能到达地面。则下列相关说法中正确的是 如图所示,在竖直向下的匀强磁场中,将一水平放置长度为的金属棒从距地面高为处,以水平初速度抛出。设运动的整个过程中棒的取向不变,且不计空气阻力。已知重力加速度为,则落地时金属棒、两端产生的感应电动势和电势高低,判断正确的是 如图所示,一质量为M的足够长“匚”型金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。质量为m、电阻不计的导体棒PQ平行bc放置在导轨上,PQ左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨单位长度的电阻为R,bc长为L,初始时bc与PQ间距离也为L。分界线ef与bc平行,其左侧有竖直向上的匀强磁场,右侧有水平向左的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨bc段中点,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,PQ与导轨间动摩擦因数为μ,且始终接触良好,则 如图所示,一质量为M的足够长“匚”型金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。质量为m、电阻不计的导体棒PQ平行bc放置在导轨上,PQ左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨单位长度的电阻为R,bc长为L,初始时bc与PQ间距离也为L。分界线ef与bc平行,其左侧有竖直向上的匀强磁场,右侧有水平向左的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨bc段中点,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,PQ与导轨间动摩擦因数为μ,且始终接触良好,则
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