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        帶電粒子在有界磁場中運動的高考題歸類分析

        2016-10-24 05:53:33何永澤
        物理之友 2016年8期
        關(guān)鍵詞:強磁場帶電粒子扇形

        何永澤

        (四川省廣元市實驗中學,四川 廣元 628000)

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        帶電粒子在有界磁場中運動的高考題歸類分析

        何永澤

        (四川省廣元市實驗中學,四川廣元628000)

        本文對2016年高考中帶電粒子在有界磁場中運動的考題進行了歸類分析,在此基礎(chǔ)上,進一步針對學生在答題中的難點和易錯點,給出相應(yīng)的應(yīng)對策略.

        帶電粒子;有界磁場;歸類分析

        在2016年全國高考物理試題中,針對帶電粒子在有界磁場中運動的考查,除了天津卷和上海卷沒有涉及外,其他各卷都有所涉及,題型主要是以選擇題和計算題為主,現(xiàn)對其進行歸類分析,供大家參考.

        1 直線邊界

        例1(2016年全國卷Ⅲ):平面OM和平面ON之間的夾角為30°,其橫截面(紙面)如圖1所示,平面OM上方存在勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小為B,方向垂直于紙面向外.一帶電粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0).粒子沿紙面以大小為v的速度從OM的某點向左上方射入磁場,速度與OM成30°角.已知該粒子在磁場中的運動軌跡與ON只有一個交點,并從OM上另一點射出磁場,不計重力,粒子離開磁場的出射點到兩平面交線O的距離為().

        圖1

        解析:如圖2所示,設(shè)粒子射入磁場的入射點為A,延長入射速度v所在直線交ON于一點C,則軌跡圓與AC相切.由于軌跡圓只與ON有一個交點,軌跡圓與ON相切,所以軌跡圓的圓心必在∠ACD的角平分線上,作出軌跡圓,其中O′為圓心,B為出射點.

        圖2

        點評:本題考查帶電粒子在直線邊界磁場中的運動,意在考查學生對帶電粒子在磁場中運動規(guī)律的理解能力和應(yīng)用數(shù)學手段處理物理問題的能力.能準確作出帶電粒子在直線邊界磁場中的運動軌跡是解題的關(guān)鍵,在應(yīng)考時可以應(yīng)用直尺、圓規(guī)輔助作圖.

        2 圓形邊界

        例2(2016年全國卷Ⅱ):一圓筒處于磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中,磁場方向與筒的軸平行,筒的橫截面如圖3所示.圖中直徑MN的兩端分別開有小孔,筒繞其中心軸以角速度ω順時針轉(zhuǎn)動.在該截面內(nèi),一帶電粒子從小孔M射入筒內(nèi),射入時的運動方向與MN成30°角.當筒轉(zhuǎn)過90°時,該粒子恰好從小孔N飛出圓筒.不計重力.若粒子在筒內(nèi)未與筒壁發(fā)生碰撞,則帶電粒子的比荷為().

        圖3

        圖4

        點評:本題考查帶電粒子在圓形磁場邊界中的運動,意在考查學生應(yīng)用磁場對運動電荷作用規(guī)律解題的能力.解決本題的關(guān)鍵是要正確地審題,并能根據(jù)審題結(jié)果正確地畫出粒子在圓形磁場邊界運動的軌跡圖,并找準幾何關(guān)系.

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        3 半圓形邊界

        圖5

        (1) 出射粒子的動能Em;

        (2) 粒子從飄入狹縫至動能達到Em所需的總時間t0;

        (3) 要使飄入狹縫的粒子中有超過99%能射出,d應(yīng)滿足的條件.

        點評:本題考查回旋加速器知識,以帶電粒子在半圓形磁場邊界中的運動為情境,意在考查學生應(yīng)用電磁場及力學知識綜合分析、解決問題的能力,此題來源于教材,學生比較熟悉.

        4 六邊形邊界

        例4(2016年四川卷):如圖6所示,正六邊形abcdef區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強磁場.一帶正電的粒子從f點沿fd方向射入磁場區(qū)域,當速度大小為vb時,從b點離開磁場,在磁場中運動的時間為tb,當速度大小為vc時,從c點離開磁場,在磁場中運動的時間為tc,不計粒子重力.則().

        圖6

        A.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=2∶1

        B.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=1∶2

        C.vb∶vc=2∶1,tb∶tc=2∶1

        D.vb∶vc=1∶2,tb∶tc=1∶2

        圖7

        點評:本題考查帶電粒子在六邊形磁場邊界中的運動,意在考查學生應(yīng)用磁場對運動電荷的作用規(guī)律解決問題的能力.解題的關(guān)鍵是要確定粒子在六邊形邊界磁場中做圓周運動的圓心,再根據(jù)幾何關(guān)系求出粒子做圓周運動的半徑以及運動軌跡所對應(yīng)的圓心角.

        5 扇形邊界

        例5(2016年浙江卷):為了進一步提高回旋加速器的能量,科學家建造了“扇形聚焦回旋加速器”.在扇形聚焦過程中,離子能以不變的速率在閉合平衡軌道上周期性旋轉(zhuǎn).

        圖8為扇形聚焦磁場分布的簡化圖,圓心為O的圓形區(qū)域等分成六個扇形區(qū)域,其中三個為峰區(qū),三個為谷區(qū),峰區(qū)和谷區(qū)相間分布.峰區(qū)內(nèi)存在方向垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B,谷區(qū)內(nèi)沒有磁場.質(zhì)量為m、電荷量為q的正離子,以不變的速率v旋轉(zhuǎn),其閉合平衡軌道如圖8中虛線所示.

        圖8

        (1) 求閉合平衡軌道在峰區(qū)內(nèi)圓弧的半徑r,并判斷離子旋轉(zhuǎn)的方向是順時針還是逆時針;

        (2) 求軌道在一個峰區(qū)內(nèi)圓弧的圓心角θ,及離子繞閉合平衡軌道旋轉(zhuǎn)的周期T;

        (3) 在谷區(qū)也施加垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B′,新的閉合平衡軌道在一個峰區(qū)內(nèi)的圓心角θ變?yōu)?0°,求B′和B的關(guān)系.

        圖9

        圖10

        點評:本題主要考查扇形聚焦回旋加速器的原理,意在考查學生對帶電粒子在扇形磁場邊界中運動規(guī)律的理解以及運用數(shù)學知識解決物理問題的能力.畫出帶電粒子在扇形磁場中的運動軌跡圖和熟練運用數(shù)學知識是解決此類問題的關(guān)鍵.

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