一輪複習:洛倫茲力衝量的應用

小牛物理 發佈 2023-02-04T22:03:53.281279+00:00

根據單方向動量定理有:-qvyBΔt=mΔvx,其中vyΔt=Δy。兩邊求和有:-qB∑vyΔt=m∑Δvx。

僅在洛倫茲作用下,

根據單方向動量定理有:

-qvyBΔt=mΔvx(負號表示洛倫茲力與v₀x方向相反),其中vyΔt=Δy

兩邊求和有:

-qBvyΔt=mΔvx

其中∑vyΔt=y,∑Δvx=vx-v₀x

得:qBy=mvx-mv₀x

同理可得:qBx=mvy-mv₀y


洛倫茲力公式為f=qBv,大小與速度成正比,平均洛倫茲力也與平均速度成正比,方向始終與速度垂直。

洛倫茲力的衝量與位移成正比,方向與位移垂直。

qBy=mvx-mv₀x

qBx=mvy-mv₀y

☞洛倫茲力不做功,速度可以應用動能定理求得,因此還要和動能定理結合。

☞在複合場中,電場力往往是單方向,因此用單方向動量定理。

☞要注意除開無磁場區域。

☞磁場換向要取「-」號。

☞技巧:看哪個方向上沒有電場力、重力,該方向上動量的變化就是洛倫茲力引起的,在該方向列出動量定理。

【拓展】有類似f=kv這種結構的表達式,一般可以應用動量定理求解。

例題:求入射點和出射點的距離x和粒子離磁場邊界最遠的距離y.

解析::求水平位移需要計算豎直方向的動量變化量:

2mvsinθ=qBx

求豎直位移需要計算水平方向的動量變化量:

mv(1+cosθ)=qBy

最高點速度水平向左,這裡要注意的是動量的矢量性。

【引申】:物理學研究問題一般從最簡單的理想情況入手,由簡入繁,逐漸貼近實際。在研究真實的向上拋出的物體運動時,我們可以先從不受阻力入手,再從受恆定阻力研究,最後研究接近真實的、阻力變化的運動情形。現將一個質量為m的小球以速度v₀豎直向上拋出,重力加速度為g。

(1)若忽略空氣阻力對小球運動的影響,求物體經過多長時間回到拋出點;

(2)若空氣阻力大小與小球速度大小成正比,已知小球經t時間上升到最高點,再經一段時間勻速經過拋出點時,速度大小為v₁,求小球拋出後瞬間的加速度和上升的最大高度。

例題:

mv(sinβ-sinα)=qBy

mv(cosβ+cosα)=qBL

R=mv/qB

因此:R(sinβ-sinα)=y

R(cosβ+cosα)=L

例題:如題圖所示,

A₁和A₂是兩塊面積很大、互相平行又相距較近的帶電金屬板,相距為d,兩板間的電勢差為U.同時,在這兩板間還有方向與均勻電場正交而垂直於紙面向外的均勻磁場.一束電子通過左側帶負電的板A₁上的小孔沿垂直於金屬板的方向射入,為使該電子束不碰到右側帶正電的板A₂,問所加磁場的磁感應強度至少要多大?設電子所受到的重力和從小孔進入時的初速度均可不計。

【解析】粒子做旋輪線運動,可用配速法求解,現用洛倫茲力衝量求解。

在豎直方向上,電場力沒有衝量,應用單方向動量定理:

eBVx·t=m·△Vy

eBd=mv

mv²/2=eU

解得:


例題 :在場強為B的水平勻強磁場中,一質量為m、帶正電q的小球在O點靜止釋放,小球的運動曲線如圖所示。

已知此曲線在最低點的曲率半徑為該點到x軸距離的2倍,重力加速度為g。

求: (1)小球運動到任意位置P(x,y)的速率v。

(2)小球在運動過程中第一次下降的最大距離ym

(3)當在上述磁場中加一豎直向上場強為E,E>(mg/q)的勻強電場時,小球從O點靜止釋放後獲得的最大速率vm.

【解析】應用動量定理求第(3)問,豎直距離最大,豎直速度為零,重力向下,對水平方向動量無貢獻,在水平方向應用動量定理。

qBVy·t=m·△Vx

qBy=mv

洛倫茲力不做功,(qE-mg)y=mv²/2

得:y=mv/qB

(qE-mg)mv/qB=mv²/2

v=2(qE-mg)/qB


例題:如圖甲所示,空間存在一範圍足夠大的垂直於xOy平面向外的勻強磁場,磁感應強度大小為B.讓質量為m、電荷量為q(q>0)的粒子從坐標原點O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向入射到該磁場中,不計重力和粒子間的影響。

(1)若粒子以初速度v₁沿y軸正向入射,恰好能經過x軸上的A(a,0)點,求v₁的大小;

(2)已知一粒子的初速度大小為v(v>v₁),為使該粒子能經過A(a,0)點,其入射角θ(粒子初速度與x軸正向的夾角)有幾個?求出對應的sinθ值;

(3)如圖乙所示,若在此空間再加入沿y軸正向、大小為E的勻強電場,一粒子從O點以初速度v₀沿y軸正向發射研究表明:粒子在xOy平面內做周期性運動,且在任一時刻,粒子速度的分量vx,與其所在位置的y坐標成正比,比例係數與電場強度大小E無關求該粒子運動過程中的最大速度值vm。

【解析】第(3)問,洛倫茲力不做功,速度最大,電場力不再做功,即速度與電場力垂直。

電場力在豎直方向,在水平方向上不影響動量。

水平方向上應用動量定理:qBVy·t=mVx=mVm

qBy=mVm

mVm²/2-mv₀²/2=qEy(動能定理)

可求Vm。

例題:現代科學儀器常利用電場、磁場控制帶電粒子的運動。真空中存在著如圖所示的多層緊密相鄰的勻強電場和勻強磁場,電場與磁場的寬度均為d。電場強度為E,方向水平向右;磁感應強度為B,方向垂直紙面向里。電場、磁場的邊界互相平行且與電場方向垂直。一個質量為m、電荷量為q的帶正電粒子在第1層電場左側邊界某處由靜止釋放,粒子始終在電場、磁場中運動,不計粒子重力及運動時的電磁輻射。

(1)求粒子在第2層磁場中運動時速度v₂的大小與軌跡半徑r₂;

(2)粒子從第n層磁場右側邊界穿出時,速度的方向與水平方向的夾角為θ,試求sinθ;

(3)若粒子恰好不能從第n層磁場右側邊界穿出,試問在其他條件不變的情況下,也進入第n層磁場,但比荷較該粒子大的粒子能否穿出該層磁場右側邊界,請簡要推理說明之。

【解析】第(2)問,

洛倫茲力不做功,電場力不影響豎直方向動量,在豎直方向應用動量定理。

qBVx·t=mVy=mvsinθ

Vx·t=nd(只算有磁場區域)

ndqB=mvsinθ

nqEd=mv²/2


例題:如圖所示,

在相鄰的矩形區域abef和正方形區域bcde中,分別有垂直紙面向里和向外的勻強磁場,磁感應強度大小分別為2B和B,邊長ab=L,bc=cd=2L。一帶正電粒子從f點以速度v沿邊界fe的方向進入磁場,恰好從c點離開磁場,不計粒子重力.下列說法正確的是(BC)

A.粒子過c點時,速度方向與邊界cd不垂直

B.粒子過c點時,速度方向與邊界cd垂直

C.粒子的比荷為6v/13BL

D.粒子的比荷為2v/5BL

q·2BL+(-qB·2L)=m△Vy=0

例題:如圖所示,

空間有一個範圍足夠大的勻強磁場,磁感應強度為B,將一個質量為m、電荷量為+q的帶電小圓環套在一根固定的絕緣豎直細杆上,杆足夠長,環與杆之間的動摩擦因數為μ。現使圓環以初速度v₀向上運動,經時間t圓環回到出發位置。不計空氣阻力。已知重力加速度為g。求當圓環回到出發位置時速度v的大小。

FN=F洛=qvB

f=μFN=μqvB(f與v成正比)

取向上為正

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