董光順
摘 要:基于同源帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典模型,以高考?jí)狠S真題為例,回顧并探討了處理抽象磁場(chǎng)難題時(shí)化抽象為具體的解題要點(diǎn)。同時(shí),為充分開(kāi)發(fā)學(xué)生抽象思維與分析能力的教學(xué)資源,嘗試將最近兩年磁場(chǎng)壓軸題的考查熱點(diǎn):“粒子在交變磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”等內(nèi)容與同源帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行融合,對(duì)開(kāi)辟粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的命題新領(lǐng)域做一點(diǎn)嘗試。
關(guān)鍵詞:磁場(chǎng);同源粒子;規(guī)律;交變磁場(chǎng)
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2015)5-0067-5
1 回顧經(jīng)典:同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)模型及重要規(guī)律
由于同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)這一版塊的內(nèi)容極具思維內(nèi)涵且較為靈活,對(duì)學(xué)生的分析能力、抽象思維和數(shù)學(xué)能力均有較高要求,故在2011年以前,該內(nèi)容一度受到了壓軸試題命制者的青睞。通過(guò)分析,筆者發(fā)現(xiàn)同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)遵循很多經(jīng)典的規(guī)律,這類核心規(guī)律的應(yīng)用可將試題對(duì)抽象能力和數(shù)學(xué)能力的過(guò)高要求轉(zhuǎn)移到對(duì)分析能力的考查上,有助于學(xué)生高效地處理此類問(wèn)題。
題型一:同源帶電粒子群在磁場(chǎng)中完成軌跡變形
重要規(guī)律1:如圖1所示,同源帶電粒子群自某位置以等大的速率從不同方向射入與運(yùn)動(dòng)軌跡等大的圓形磁場(chǎng)中,則所有粒子必從該圓形磁場(chǎng)的邊界平行射出。反之,相同粒子群從與運(yùn)動(dòng)軌跡等大的圓形磁場(chǎng)邊界平行射入,則所有粒子必從某一共點(diǎn)射出。
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一點(diǎn)發(fā)散成平行 平行匯聚于一點(diǎn)
圖1
證明:如圖2所示,一帶電粒子①自坐標(biāo)原點(diǎn)沿y軸正方向射入磁場(chǎng),其運(yùn)動(dòng)1/4周期的軌跡如圖1所示(粒子水平出射)。對(duì)于朝任意方向射入的另一個(gè)同源粒子②(速度方向與水平方向的夾角為θ),設(shè)當(dāng)粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)至速度方向與粒子①平行時(shí)處于P(x,y)位置:x=Rsinθ,y=R-Rcosθ。由勾股定理得坐標(biāo)關(guān)系式x2+(y-R)2=R2。由此可知,粒子出射位置的坐標(biāo)集合(即,磁場(chǎng)邊界)是一個(gè)半徑r=■R,圓心位于(0,R)的圓形磁場(chǎng)。
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圖2 證明圖示
反之,假設(shè)粒子自左向右平行進(jìn)入強(qiáng)度相同方向相反的磁場(chǎng),則粒子的受力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律與上述情況一致,粒子將匯聚于一點(diǎn)(原出發(fā)點(diǎn)),由此便可獲得規(guī)律一。
典例1 如圖3-甲所示,在xOy平面內(nèi)有許多電子(質(zhì)量為m、電量為e)從坐標(biāo)O不斷以相同速率沿不同方向射入第一象限,現(xiàn)在xOy平面內(nèi)施加一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),若要使這些電子穿過(guò)磁場(chǎng)后都能平行于x軸向x正方向運(yùn)動(dòng),求符合題意的磁場(chǎng)最小面積。
邏輯分析:若要計(jì)算磁場(chǎng)的最小面積,應(yīng)確定磁場(chǎng)的邊界,而速度沿y軸正方向的粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)至x軸正方向?qū)儆谄D(zhuǎn)程度最大的,所以該粒子所做的1/4圓軌跡即為磁場(chǎng)的上邊界,再利用規(guī)律1,即可確定磁場(chǎng)的下邊界是(0,R)為圓心,半徑等于■的1/4圓弧,如圖3-乙所示。
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甲 乙
圖3 例1圖示
答案:通過(guò)分析,磁場(chǎng)的最小范圍應(yīng)是以上兩個(gè)1/4圓弧的交集,其面積為Smin=πR2/2-R2=[(π-2)/2](mv0)2/B2e2。
典例2 (2009·海南)如圖4-甲所示,ABCD是邊長(zhǎng)為a的正方形。質(zhì)量為m、電荷量為e的電子以大小為v0的初速度沿紙面垂直于BC邊射入正方形區(qū)域。在正方形內(nèi)適當(dāng)區(qū)域中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)。電子從BC邊上的任意點(diǎn)入射,都只能從A點(diǎn)射出磁場(chǎng),不計(jì)重力。求:
(1)勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域中磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和大??;(解析略)
(2)此勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的最小面積。
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甲 乙
圖4 例2圖示
邏輯分析:第(2)問(wèn)分析中,若要使垂直于BC入射的粒子均從A點(diǎn)飛出磁場(chǎng),只需把握好粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡特點(diǎn):“平行射入,最終匯聚于一點(diǎn)”,便知下邊界是與運(yùn)動(dòng)軌跡等半徑的1/4圓弧,如圖4-乙所示,其圓心位于D處,故磁場(chǎng)的最小面積為Smin=πa2/2-a2=[(π-2)/2](mv0)2/B2e2。
評(píng)析:對(duì)于思維能力較為一般的學(xué)生,在確定磁場(chǎng)下邊界的過(guò)程中通常會(huì)陷入困境,一方面很難想象到磁場(chǎng)下邊界相應(yīng)的圖像類型;另一方面,很難快速地證明并確定該邊界的圓心及半徑。但如果考生能夠抓住與“規(guī)律1”相應(yīng)的關(guān)鍵信息:“從某點(diǎn)出發(fā),最終平行射出”“平行射入,最終匯聚于一點(diǎn)”然后將規(guī)律1遷移應(yīng)用到此類問(wèn)題中,就能突破解題過(guò)程中所遇到的抽象思維和數(shù)學(xué)能力障礙。
題型二:同源帶電粒子群磁場(chǎng)中的分布范圍
常規(guī)方法:“旋轉(zhuǎn)圓法”是處理同源離子偏轉(zhuǎn)問(wèn)題最為常用的方法之一,是以粒子出射位置為旋轉(zhuǎn)點(diǎn),將粒子運(yùn)動(dòng)的圓軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而獲得粒子群軌跡大致的分布圖樣。
典例3 (2009·全國(guó)新課標(biāo))如圖5-甲所示,在0≤x≤a,0≤y≤a/2范圍內(nèi)有垂直于xOy平面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。坐標(biāo)原點(diǎn)O處有一個(gè)粒子源,在某時(shí)刻發(fā)射大量質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子,它們的速度大小相同,速度方向均在xOy平面內(nèi),與y軸正方向的夾角分布在0~90 °范圍內(nèi)。己知粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑介于a/2到a之間,從發(fā)射粒子到粒子全部離開(kāi)磁場(chǎng)經(jīng)歷的時(shí)間恰好為粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期的四分之一。求最后離開(kāi)磁場(chǎng)的粒子從粒子源射出時(shí)的:(1)速度大?。唬?)速度方向與y軸正方向夾角的正弦。
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甲 乙
圖5 例3圖示
評(píng)析與解:為獲得最后離開(kāi)磁場(chǎng)的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡,繞O點(diǎn)以半徑R(a/2
解得:v=(2-■)■,sinα=■。
重要規(guī)律2:同源帶電粒子群自某位置以等大的速率朝不同方向同時(shí)射入磁場(chǎng),則粒子群在任意時(shí)刻均處于以出射點(diǎn)為圓心,任意粒子距出發(fā)點(diǎn)的距離為半徑的圓周上。如圖6所示,若某粒子自O(shè)點(diǎn)射出,則該粒子沿軌道①運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)時(shí),同一時(shí)刻射入磁場(chǎng)的粒子此時(shí)均處于以O(shè)點(diǎn)為圓心,OA為半徑的圓周I上。
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圖6 規(guī)律2圖示
此規(guī)律系筆者的原創(chuàng)想法,提煉的意圖是希望在分析同源帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況時(shí),與常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)圓法形成互補(bǔ)。并且,這一規(guī)律在確定某條件下粒子群位置時(shí)尤其便捷,可廣泛應(yīng)用于做圓周運(yùn)動(dòng)的同源粒子群經(jīng)過(guò)相同時(shí)間、運(yùn)動(dòng)相同弧長(zhǎng)、跨過(guò)相同弦長(zhǎng)、掃過(guò)相同圓心角以及在磁場(chǎng)中發(fā)生相同角度的速度偏向等情況下,粒子群所處的位置。
此外,從圖中很容易看出帶電粒子離出發(fā)點(diǎn)最遠(yuǎn)時(shí),粒子群位于以出發(fā)點(diǎn)為圓心,圓周軌跡的直徑為半徑的圓周上。
筆者以為,常用的旋轉(zhuǎn)圓法是通過(guò)作出一系列的運(yùn)動(dòng)軌跡后進(jìn)行的試探性分析,側(cè)重于“試誤”,而規(guī)律2的應(yīng)用則是基于問(wèn)題情景分析后進(jìn)行的思考,偏重于“遷移”。
典例4 (2010·全國(guó)I卷)如圖7-甲,在區(qū)域內(nèi)存在與xOy平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B。在t=0時(shí)刻,一位于坐標(biāo)原點(diǎn)的粒子源在xOy平面內(nèi)發(fā)射出大量同種帶電粒子,所有粒子的初速度大小相同,方向與y軸正方向的夾角分布在0~180 °范圍內(nèi)。已知沿y軸正方向發(fā)射的粒子在時(shí)刻t1剛好從磁場(chǎng)邊界上P(■a,a)點(diǎn)離開(kāi)磁場(chǎng)。求:
(1)粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R及粒子的比荷q/m;(解析略)
(2)此時(shí)刻仍在磁場(chǎng)中的粒子的初速度方向與y軸正方向夾角的取值范圍;
(3)從粒子發(fā)射到全部粒子離開(kāi)磁場(chǎng)所用的時(shí)間。(解析略)
評(píng)析與解:針對(duì)第(2)問(wèn),為快捷地確定沿y軸發(fā)射的粒子自P處離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí),其他粒子所處的位置,可依據(jù)規(guī)律2,以O(shè)點(diǎn)為圓心,OP為半徑,做出圓弧如圖7-乙所示。虛線圓弧即為粒子群此刻(應(yīng)處)的位置,結(jié)合題中磁場(chǎng)的分布可知,弧線MN(圖中實(shí)線)表示的是此時(shí)刻仍處于磁場(chǎng)中的粒子。其中,M、N兩粒子處于磁場(chǎng)邊緣,由幾何關(guān)系知,P處粒子所對(duì)應(yīng)的出射速度vp與弦線OP之間的夾角為■、而P、M、N三處的粒子在磁場(chǎng)中經(jīng)過(guò)的軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角相同,即與OM、與ON的夾角均為■。所以速度與y軸的正方向的夾角范圍是■到■。
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甲 乙
圖7 例4圖示
2 重組經(jīng)典:同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況再創(chuàng)造
從近兩年的壓軸試題上看,關(guān)于帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況的考查熱點(diǎn)似乎由同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題轉(zhuǎn)向了帶電粒子在交變磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況(2014·重慶、2014·山東、2013·江蘇),帶電粒子射擊目標(biāo)(2014·四川)等內(nèi)容的考查上。但筆者以為,同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況蘊(yùn)涵著非常豐富的思維內(nèi)涵,是培養(yǎng)學(xué)生分析能力的優(yōu)質(zhì)資源。另外,倘若命題人或教師在教學(xué)中對(duì)本塊內(nèi)容進(jìn)行挖掘,或?qū)⑵渑c交變磁場(chǎng)等熱點(diǎn)進(jìn)行融合,應(yīng)能柳暗花明,下面附兩例原創(chuàng)試題作引玉之用。
思路一:同源帶電粒子在交變磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
原創(chuàng)1 如圖8-甲所示,在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形豎直邊框ABCD內(nèi)分布著垂直邊框強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向按圖8-乙所示的規(guī)律變化,t=0時(shí),A處有一電子發(fā)射源在豎直平面內(nèi)以相同速率朝框內(nèi)的各個(gè)方向同時(shí)發(fā)射了足夠多的電子,已知電子質(zhì)量為m,帶電量為e,不計(jì)電子重力以及電子間的相互作用力,試求:
(1)為使沿AD邊射出的電子垂直打在AB邊,則電子從A點(diǎn)射出時(shí)的速度大小范圍以及磁場(chǎng)變化周期T的最小值。
(2) 若調(diào)整電子發(fā)射速度及磁場(chǎng)變化周期,使得v=■,T=■,則電子打在邊框上的范圍是多少?
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甲 乙
圖8 原創(chuàng)1圖示
評(píng)析與解:(1)依題意,在臨界條件下,粒子打在B點(diǎn),即0 (2)當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)1/4圓周時(shí),磁場(chǎng)反向,對(duì)于沿AD方向射出的粒子其軌跡如圖8-丙中①所示,利用旋轉(zhuǎn)圓法,以A為中心將①順時(shí)針旋轉(zhuǎn)便可獲得粒子軌跡分布的大致圖樣,對(duì)于軌跡與AB相切的電子,設(shè)切點(diǎn)為E,∵ΔAOF≌ΔO1EF,∴OF=EF,O1F=AF,而OF+O1F=OO1=2R=L,故AF+FE=L,即E與B點(diǎn)重合。所以,電子打在A至B與B至C的邊框上。 ■ 丙 圖8 思路二:同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的軌跡分布以及偏轉(zhuǎn)后射擊特定目標(biāo) 原創(chuàng)2 如圖9-甲所示,在原點(diǎn)O處有一粒子源向坐標(biāo)系xOy平面的第一象限內(nèi)以大小為v0的速率朝各方向發(fā)射足夠多的帶正電的相同粒子,粒子運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間t0后,在第一象限區(qū)域內(nèi)施加方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),已知粒子質(zhì)量為m,帶電量為q,不計(jì)重力以及粒子間的相互作用力。 (1)若發(fā)射速度與x軸正方向夾角為θ的粒子恰好垂直打在x軸上,試確定勻強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。 (2)若所加磁場(chǎng)的強(qiáng)度與第(1)問(wèn)相同,試求未飛出磁場(chǎng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡所分布的面積大小。 (3)若施加磁場(chǎng)后又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t'(t'>■)后撤去磁場(chǎng),可否使仍處在磁場(chǎng)中的粒子重聚于一點(diǎn)。若可以,則t'值為多少?寫(xiě)出粒子重聚的點(diǎn)的坐標(biāo)。 ■ 圖9 甲 評(píng)析與解:(1)作圖知,對(duì)以θ出射的粒子R=v0ttanθ=■,可得,B=■。 (2)對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡與x、y軸分別相切的兩個(gè)粒子①、②,其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9-乙實(shí)線所示,未飛出磁場(chǎng)的粒子在磁場(chǎng)中的軌跡分布于圖中的封閉區(qū)域(封閉區(qū)域由兩端的兩個(gè)半圓與中間的兩個(gè)扇形面積之差構(gòu)成),由幾何關(guān)系知β=θ、兩扇形半徑分別為r1=v0tsecθ-R,r2=v0tsecθ+R。 ∴S=(■-2θ)·■·π(r■■-r■■)。 ■ 圖9 乙(下轉(zhuǎn)第74頁(yè)) (上接第70頁(yè)) (3)以O(shè)點(diǎn)為圓心,v0t為半徑作1/4圓?。ㄈ鐖D9-丙中的虛線所示),依題意,當(dāng)粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)至軌跡與該圓弧相交處時(shí)撤去磁場(chǎng),粒子群即可聚集于一點(diǎn),t=(■+n)·T=(■+n)■,(n=0,1,2…)。 ■ 圖9 丙 關(guān)于粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題,上述試題的命制,實(shí)質(zhì)上就是將兩個(gè)經(jīng)典模型進(jìn)行整合的過(guò)程,這種在教學(xué)中大家都熟悉的做法,一方面維續(xù)了經(jīng)典,另一方面開(kāi)發(fā)了教學(xué)資源,開(kāi)拓了思考的新領(lǐng)域。 3 結(jié) 語(yǔ) (1)隨著中學(xué)物理教學(xué)的發(fā)展,在每年高考之后都會(huì)出現(xiàn)一系列針對(duì)重難知識(shí)考查的經(jīng)典模型。事實(shí)上,絕大多數(shù)經(jīng)典模型都極具思維內(nèi)涵,而新一年的試題必將在考查方式上推陳出新。所以,這些經(jīng)典往往會(huì)很快過(guò)時(shí)并被遺忘。筆者以為,試題命制或備考復(fù)習(xí)時(shí),推陳出新的同時(shí)應(yīng)適度兼顧經(jīng)典。 (2)同源帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題不僅對(duì)抽象思維有較高要求,同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)能力的考查程度也較深,但這類運(yùn)動(dòng)遵循很多經(jīng)典“物理性”規(guī)律,對(duì)這類核心規(guī)律的理解和應(yīng)用可將試題對(duì)抽象能力和數(shù)學(xué)能力的過(guò)高要求轉(zhuǎn)移到對(duì)分析、遷移能力的考查上,有助于中等學(xué)生突破學(xué)習(xí)困難。 參考文獻(xiàn): [1]彭俊昌.巧用“動(dòng)態(tài)圓”處理帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題[J].物理教學(xué)探討,2007,(11):35. (欄目編輯 鄧 磊)