磁偏转问题例析

2019-11-07 15:22:22

近年来,磁偏转问题成为高考的考查热点,如1998年高考的第23题,1999年高考的全国卷及广东卷的压轴题.此类习题具有思维难度大、与几何知识联系多(空间图形)、有周期性、易形成多解等特点,常会使一些学生“望题兴叹”.教师在复习此类问题时要精心选题,加强解法指导.本文向大家介绍一道有关磁偏转内容的好题,以供参考.
 题目:如图1,L1和L2为两平行的虚线,L1上方和L2下方都是垂直纸面向里的磁感强度相同的匀强磁场,A、B两点都在L2上.带电粒子从A点以初速v与L2成30°角斜向上射出,经过偏转后正好过B点,经过B点时速度方向也斜向上.不计重力,下列说法中正确的是:

图1

A.带电粒子经过B点时速度一定跟在A点时速度相同
B.若将带电粒子在A点时的初速度变大(方向不变),它仍能经过B点
C.若将带电粒子在A点时初速度的方向改为与L2成60°角斜向上,它就不一定经过B点
D.此粒子一定带正电荷
 此题的新颖之处是:带电粒子在磁场中的偏转构成残缺圆;在无磁场区轨迹得到“放大”;同时又变换初始条件,考查了由于初始条件的变化对运动结果的影响.思维能力要求高,物理情景富有变化,很有典型性和启发性.下面就本题展示的物理情景做详尽分析.
 在以下的讨论中,假定粒子带正电荷.
 1.粒子恰能过B点的条件
 如图2所示,粒子进入匀强磁场后做匀速圆周运动,半径为r=mv/qB.设粒子由C点进入上部匀强磁场,从D点飞出;由E点进入下部匀强磁场,正好经过B点射出,且E点在A点的右方.

图2

 在图2中容易证明:∠COD=60°,△OCD为等边三角形,CD=r.
 连结BC,则△ABC为等腰三角形,底角为30°,所以B点应满足的条件为:
=2·=2dctg30°=2d.  ①
 以上讨论的是粒子经过一圈(上下两部分圆弧构成一个完整的圆)到达B点的情况.粒子也可经过n圈再到达B点,这时可把图2中第1圈结束时的B点作为新的出发点,依此类推,即得
=2·nd,n=1,2,3…….
 应该指出,由于L1和L2的间距d的不确定性,粒子飞入下部磁场的E点相对于射出点A的位置会有不同.可有下述三种情形:
 (1)E点在A点的右侧,对应于d较大时,如图2所示;
 (2)E点与A点重合,对应于d较小时;
 (3)E点在A点的左侧,对应于d更小时.
 从图2中可以看出,若将下部磁场的边界L2上移,即减小d,就可得到(2)、(3)两种情形.当L2过M点时,即表示E点与A点重合的情形;当L2再向上移,至M点上方,即表示E点在A点左侧的情形.

图3

 图3给出了E点在A点左侧的情形.图中=,所以BCDE为平行四边形,△ABC则为等腰三角形.由此仍可得到
=2dctgα.
 同理可证,当E点与A点重合时,仍有=2dctgα.
 由上述讨论可知,不论在何种情况下,粒子恰能过B点的条件(通式)为.
=n·2d,n=1,2,3…….  ②
 2.粒子的速度增大而方向不变时,能否经过B点
 在①式中,距离AB仅与粒子在A点射出时的角度α、间距d有关,与速率v无关,所以v变化时不变,即粒子仍可经过B点.
 3.入射角变为60°时,粒子能否经过B点
 由=2dctgα可知,当d一定,α增大时,ctgα减小,距离减小.当满足/=ctgα/ctgα′=整数k(k>1)时,粒子仍能经过B点,但粒子旋转的圈数是原来的k倍.
 当/=ctgα/ctgα′≠整数k时,粒子一定不经过B点.
 上式中,为粒子的入射角变为α′时,粒子旋转一周后再次从边界L2上射出的点到A点的距离.
 当α′=60°时,距离=2dctg60°=2d/3,则=3·,显然粒子要转3圈方可达到B点.
 在一般情况下,α=30°时粒子若经n圈到达B点,则在α′=60°时,粒子需经3n圈才能到达B点.
 4.粒子带负电荷的情形
  若粒子带负电荷,粒子的运动轨迹如图4所示.在图4中仍可证明=2dctgα,于是下述结论仍然成立:

图4

 (1)粒子速度v大小变化而方向不变时,仍可经过B点.
 (2)粒子速度大小不变而方向变为60°时,粒子仍可经过B点.
 综上所述,本题的正确答案应为A、B.
 此题物理情景较为复杂,具有多种可能情况,不经认真全面的分析很难做出正确的判断.若改为计算题,似乎更为合理.