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1、专题（二）磁扩散与磁聚焦专题（二）磁扩散与磁聚焦x xy yO Ov v0 0例、在例、在例、在例、在xoyxoy平面内有很多质量为平面内有很多质量为平面内有很多质量为平面内有很多质量为mm，电量为，电量为，电量为，电量为e e的电子，从的电子，从的电子，从的电子，从坐标原点坐标原点坐标原点坐标原点OO不断以相同速率沿不同方向射入第一象不断以相同速率沿不同方向射入第一象不断以相同速率沿不同方向射入第一象不断以相同速率沿不同方向射入第一象限，如图所示现加一垂直于限，如图所示现加一垂直于限，如图所示现加一垂直于限，如图所示现加一垂直于xOyxOy平面对里、磁感平面对里、磁感平面对里、磁感平面对里、
2、磁感强度为强度为强度为强度为B B的匀强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都的匀强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都的匀强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都的匀强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都能平行于能平行于能平行于能平行于x x轴且沿轴且沿轴且沿轴且沿x x轴正向运动，试问符合该条件的轴正向运动，试问符合该条件的轴正向运动，试问符合该条件的轴正向运动，试问符合该条件的磁场的最小面积为多大？（不考虑电子间的相互作磁场的最小面积为多大？（不考虑电子间的相互作磁场的最小面积为多大？（不考虑电子间的相互作磁场的最小面积为多大？（不考虑电子间的相互作用）用）用）用）全部全部电电子的子的轨轨迹迹圆圆半径相等，
3、且均半径相等，且均过过O点。点。这这些些轨轨迹迹圆圆的的圆圆心都在以心都在以O为圆为圆心，半径心，半径为为r的且位于第的且位于第象限的四分象限的四分之一之一圆圆周上，如周上，如图图所示。所示。电子由电子由O点射入第点射入第象限做匀速象限做匀速圆周运动圆周运动解解解解1:1:x xy yO Ov v0 0O O1 1O O2 2O O3 3O O4 4O O5 5O On n 即全部出射点均在以坐即全部出射点均在以坐标标(0，r)为圆为圆心的心的圆圆弧弧abO上，明上，明显显，磁磁场场分布的最小面分布的最小面积应积应是是实线实线1和和圆圆弧弧abO所所围围的面的面积积，由几何，由几何关系得关系得
4、 由图可知，由图可知，a、b、c、d 等点就是各电等点就是各电子离开磁场的出射点，均应满足方程子离开磁场的出射点，均应满足方程x2+(ry)2=r2。解解解解2:2:设设P(x，y)为磁场下边界上的一为磁场下边界上的一点，经过该点的电子初速度与点，经过该点的电子初速度与x轴轴夹角为夹角为 ，则由图可知：，则由图可知：x=rsin，y=rrcos ，得得:x2+(yr)2=r2。所以磁场区域的下边界也是半径为所以磁场区域的下边界也是半径为r，圆心为，圆心为(0，r)的的圆弧应是磁场区域的下边界。圆弧应是磁场区域的下边界。磁场上边界如图线磁场上边界如图线1所示。所示。x xy yO Ov v0 0
5、1 1 P P(x,yx,y)O Or rr r 两边界之间图形的面积即为所求。两边界之间图形的面积即为所求。图中的阴影区域面图中的阴影区域面积，即为磁场区域面积：积，即为磁场区域面积：例、（例、（例、（例、（20092009海南海南海南海南T16T16）如图，）如图，）如图，）如图，ABCDABCD是边长为是边长为是边长为是边长为a a的正的正的正的正方形。质量为方形。质量为方形。质量为方形。质量为mm电荷量为电荷量为电荷量为电荷量为e e的电子以大小为的电子以大小为的电子以大小为的电子以大小为v0v0的初速的初速的初速的初速度沿纸面垂直于度沿纸面垂直于度沿纸面垂直于度沿纸面垂直于BCBC边
6、射入正方形区域。在正方形内边射入正方形区域。在正方形内边射入正方形区域。在正方形内边射入正方形区域。在正方形内适当区域中有匀强磁场，电子从适当区域中有匀强磁场，电子从适当区域中有匀强磁场，电子从适当区域中有匀强磁场，电子从BCBC边上的随意点入边上的随意点入边上的随意点入边上的随意点入射，都只能从射，都只能从射，都只能从射，都只能从A A点射出磁场。不计重力，求：点射出磁场。不计重力，求：点射出磁场。不计重力，求：点射出磁场。不计重力，求：（1 1）此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向；）此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向；）此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向；）此匀强磁场区域中磁感
7、应强度的大小和方向；（2 2）此匀强磁场区域的最小面积。）此匀强磁场区域的最小面积。）此匀强磁场区域的最小面积。）此匀强磁场区域的最小面积。ABCDx xy yO Ov v0 0解：（解：（解：（解：（1 1）设匀强磁场的磁感应强度的大小为）设匀强磁场的磁感应强度的大小为）设匀强磁场的磁感应强度的大小为）设匀强磁场的磁感应强度的大小为B B。令圆弧。令圆弧。令圆弧。令圆弧AECAEC是自是自是自是自C C点垂直于点垂直于点垂直于点垂直于BCBC入射的电子在磁场中的运行轨道。依题意，圆心在入射的电子在磁场中的运行轨道。依题意，圆心在入射的电子在磁场中的运行轨道。依题意，圆心在入射的电子在磁场中的
8、运行轨道。依题意，圆心在A A、C C连线的中垂线上，连线的中垂线上，连线的中垂线上，连线的中垂线上，故故故故B B点即为圆心，圆半径为点即为圆心，圆半径为点即为圆心，圆半径为点即为圆心，圆半径为a a，依据牛顿定律有，依据牛顿定律有，依据牛顿定律有，依据牛顿定律有 ev0B=mv02/a ev0B=mv02/a，得，得，得，得B=mv0/eaB=mv0/ea。A AB BC CD DE EF Fp p q qO O（2）自）自BC边上其他点入射的电子运动轨道只能在边上其他点入射的电子运动轨道只能在BAEC区域中。因而，圆弧区域中。因而，圆弧AEC是所求的最小磁场区域的一个边界。是所求的最小磁
9、场区域的一个边界。（3）设某射中）设某射中A点的电子速度方向与点的电子速度方向与BA的延长线夹的延长线夹角为角为的情形。该电子的运动轨迹的情形。该电子的运动轨迹qpA如图所示。图中如图所示。图中圆弧圆弧Ap的圆心为的圆心为O，pq垂直于垂直于BC边边，圆弧，圆弧Ap的半径的半径仍为仍为a，在，在D为原点、为原点、DC为为x轴、轴、DA为为y轴的坐标系中，轴的坐标系中，p点的坐标为点的坐标为(x，y)，则，则 x=asin，y=-acos。因此，所求的最小匀强磁场区域，是分别以因此，所求的最小匀强磁场区域，是分别以B和和D为圆心、为圆心、a为半径的两个四分为半径的两个四分之一圆周之一圆周AEC和
10、和AFC所围成的区域，其面积为所围成的区域，其面积为S=2(a2/4-a2/2)=(-2)a2/2由由式可得：式可得：x2+y2=a2，这意味着在范围，这意味着在范围0/2内，内，p点处在以点处在以D为圆心、为圆心、a为半径的四分之一圆周为半径的四分之一圆周AFC上，上，它是电子做直线运动和圆周运动的分界线，构成所求它是电子做直线运动和圆周运动的分界线，构成所求磁场区域的另一边界。磁场区域的另一边界。磁聚焦概括：磁聚焦概括：磁聚焦概括：磁聚焦概括：平行会聚于一点平行会聚于一点平行会聚于一点平行会聚于一点一点发散成平行一点发散成平行一点发散成平行一点发散成平行RR Rrr区域半径区域半径区域半径
11、区域半径 R R 与运动半径与运动半径与运动半径与运动半径 r r 相等相等相等相等迁移与逆向、对称的物理思想！迁移与逆向、对称的物理思想！例、（例、（例、（例、（20092009年浙江卷）如图，在年浙江卷）如图，在年浙江卷）如图，在年浙江卷）如图，在xOyxOy平面内与平面内与平面内与平面内与y y轴平行的轴平行的轴平行的轴平行的匀强电场，在半径为匀强电场，在半径为匀强电场，在半径为匀强电场，在半径为R R的圆内还有与的圆内还有与的圆内还有与的圆内还有与xOyxOy平面垂直的匀平面垂直的匀平面垂直的匀平面垂直的匀强磁场。在圆的左边放置一带电微粒放射装置，它沿强磁场。在圆的左边放置一带电微粒放
12、射装置，它沿强磁场。在圆的左边放置一带电微粒放射装置，它沿强磁场。在圆的左边放置一带电微粒放射装置，它沿x x轴正方向放射出一束具有相同质量轴正方向放射出一束具有相同质量轴正方向放射出一束具有相同质量轴正方向放射出一束具有相同质量mm、电荷量、电荷量、电荷量、电荷量q(qq(q0)0)和初速度和初速度和初速度和初速度v v的带电微粒。放射时，这束带电微粒分布在的带电微粒。放射时，这束带电微粒分布在的带电微粒。放射时，这束带电微粒分布在的带电微粒。放射时，这束带电微粒分布在0 0y y2R2R的区间内。已知重力加速度大小为的区间内。已知重力加速度大小为的区间内。已知重力加速度大小为的区间内。已知
13、重力加速度大小为g g。（1 1）从）从）从）从A A点射出的带电微粒平行于点射出的带电微粒平行于点射出的带电微粒平行于点射出的带电微粒平行于x x轴从轴从轴从轴从C C点进入有磁点进入有磁点进入有磁点进入有磁场区域，并从坐标原点场区域，并从坐标原点场区域，并从坐标原点场区域，并从坐标原点OO沿沿沿沿y y轴负方向离开，求电场强轴负方向离开，求电场强轴负方向离开，求电场强轴负方向离开，求电场强度和磁感应强度的大小与方向。度和磁感应强度的大小与方向。度和磁感应强度的大小与方向。度和磁感应强度的大小与方向。（2 2）请指出这束带电微粒与）请指出这束带电微粒与）请指出这束带电微粒与）请指出这束带电微
14、粒与x x轴相轴相轴相轴相 交的区域，并说明理由。交的区域，并说明理由。交的区域，并说明理由。交的区域，并说明理由。（3 3）在这束带电磁微粒初速度变为）在这束带电磁微粒初速度变为）在这束带电磁微粒初速度变为）在这束带电磁微粒初速度变为 2v 2v，那么它们与，那么它们与，那么它们与，那么它们与x x轴相交的区域又在轴相交的区域又在轴相交的区域又在轴相交的区域又在 哪里？并说明理由。哪里？并说明理由。哪里？并说明理由。哪里？并说明理由。x xy yR RO O/O Ov v带带带带点点点点微微微微粒粒粒粒发发发发射射射射装装装装置置置置C CxyRO/Ov带带点点微微粒粒发发射射装装置置CPQ
15、r图图(c)x xy yR RO O/O Ov vC CA Ax xy yR RO O/v vQQP PO OR R 图图图图(a)a)图图图图(b)b)【答案】（【答案】（【答案】（【答案】（1 1）；方向垂直于纸面对外（）；方向垂直于纸面对外（）；方向垂直于纸面对外（）；方向垂直于纸面对外（2 2）见解析）见解析）见解析）见解析（3 3）与）与）与）与x x同相交的区域范围是同相交的区域范围是同相交的区域范围是同相交的区域范围是x0.x0.【解析解析解析解析】略略略略【关键关键关键关键】图示图示图示图示例、如图，在例、如图，在例、如图，在例、如图，在xOyxOy平面内，有以平面内，有以平面
16、内，有以平面内，有以O(RO(R，0)0)为圆心，为圆心，为圆心，为圆心，R R为半为半为半为半径的圆形磁场区域，磁感应强度大小为径的圆形磁场区域，磁感应强度大小为径的圆形磁场区域，磁感应强度大小为径的圆形磁场区域，磁感应强度大小为 B B，方向垂直，方向垂直，方向垂直，方向垂直xOyxOy平面对外，在平面对外，在平面对外，在平面对外，在 y=R y=R上方有范围足够大的匀强电场，上方有范围足够大的匀强电场，上方有范围足够大的匀强电场，上方有范围足够大的匀强电场，方向水平向右，电场强度大小为方向水平向右，电场强度大小为方向水平向右，电场强度大小为方向水平向右，电场强度大小为E E。在坐标原点。
17、在坐标原点。在坐标原点。在坐标原点OO处有处有处有处有一放射源，可以在一放射源，可以在一放射源，可以在一放射源，可以在xOyxOy平面内向平面内向平面内向平面内向 y y 轴右侧（轴右侧（轴右侧（轴右侧（x 0 x 0）放射）放射）放射）放射出速率相同的电子，已知电子在该磁场中的偏转半径也出速率相同的电子，已知电子在该磁场中的偏转半径也出速率相同的电子，已知电子在该磁场中的偏转半径也出速率相同的电子，已知电子在该磁场中的偏转半径也为为为为 R R，电子电量为电子电量为电子电量为电子电量为 e e，质量为，质量为，质量为，质量为 m m。不计重力及阻力的作用。不计重力及阻力的作用。不计重力及阻力
18、的作用。不计重力及阻力的作用。（1 1）求电子射入磁场时的速度大小；）求电子射入磁场时的速度大小；）求电子射入磁场时的速度大小；）求电子射入磁场时的速度大小；（2 2）速度方向沿）速度方向沿）速度方向沿）速度方向沿x x轴正方向射入磁场轴正方向射入磁场轴正方向射入磁场轴正方向射入磁场 的电子，求它到达的电子，求它到达的电子，求它到达的电子，求它到达y y轴所须要的时间；轴所须要的时间；轴所须要的时间；轴所须要的时间；（3 3）求电子能够射到）求电子能够射到）求电子能够射到）求电子能够射到y y轴上的范围。轴上的范围。轴上的范围。轴上的范围。x xy yO OE EOOR R例、如图所示，在例、
19、如图所示，在例、如图所示，在例、如图所示，在 xOy xOy平面上平面上平面上平面上H y HH y H的范围内有的范围内有的范围内有的范围内有一片稀疏的电子，从一片稀疏的电子，从一片稀疏的电子，从一片稀疏的电子，从 x x 轴的负半轴的远外以相同的轴的负半轴的远外以相同的轴的负半轴的远外以相同的轴的负半轴的远外以相同的速率速率速率速率 v0 v0 沿沿沿沿 x x 轴正向平行地向轴正向平行地向轴正向平行地向轴正向平行地向 y y 轴射来，试设计一个轴射来，试设计一个轴射来，试设计一个轴射来，试设计一个磁场区域，使得：磁场区域，使得：磁场区域，使得：磁场区域，使得：(1)(1)全部电子都能在磁场力作用下全部电子都能在磁场力作用下全部电子都能在磁场力作用下全部电子都能在磁场力作用下通过原点通过原点通过原点通过原点 O O；(2)(2)这一片电子最终扩展到这一片电子最终扩展到这一片电子最终扩展到这一片电子最终扩展到 2Hy2H 2Hyk1k20)(1k1k20)，求二者放射的时间差。，求二者放射的时间差。，求二者放射的时间差。，求二者放射的时间差。MMO Oa ab bc cN N1 12 23 3x x(mvmv0 0/qBqB)y y(mvmv0 0/qBqB)1 12 2v v0 0