第九章 磁场
第一节 磁场基本性质
基础知识 一、磁场
1、磁场：磁场是存在于磁体、运动电荷周围的一种物质．它的基本特性是：对处于其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用．
2、磁现象的电本质：所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用．
3．磁场方向：规定小磁针在磁场中N极受力的方向（或者小磁针在磁场中静止时N极的指向）即为该位置处的磁场方向．
二、磁感线
为了描述磁场的强弱与方向，人们想象在磁场中画出的一组有方向 的曲线．
1．疏密表示磁场的强弱．
2．每一点切线方向表示该点磁场的方向，也就是磁感应强度的方向．
3．是闭合的曲线，在磁体外部由N极至S极，在磁体的内部由S极至N极．磁线不相切不相交。
4．匀强磁场的磁感线平行且距离相等．没有画出磁感线的地方不一定没有磁场．
5．通电直导线的磁场（安培定则）：姆指指向电流方向，四指指向磁场的方向．注意这里的磁感线是一个个同心圆，每点磁场方向是在该点切线方向·
*熟记常用的几种磁场的磁感线：
三、磁感应强度
1．磁场的最基本的性质是对放入其中的电流或磁极有力的作用，电流垂直于磁场时受磁场力最大，电流与磁场方向平行时，磁场作用力为零。
2．在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力F跟电流强度I和导线长度l的乘积Il的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度．
①表示磁场强弱的物理量．是矢量．
②大小：B=F/Il（电流方向与磁感线垂直时的公式）．
③方向：左手定则：是磁感线的切线方向；是小磁针N极受力方向；是小磁针静止时N极的指向．不是导线受力方向；不是正电荷受力方向；也不是电流方向．
④单位：牛/安米，也叫特斯拉，国际单位制单位符号T．
⑤点定B定：就是说磁场中某一点定了，则该处磁感应强度的大小与方向都是定值．
⑥匀强磁场的磁感应强度处处相等．
⑦磁场的叠加:空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场,则该点的磁感应强度是各电流或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和,满足矢量运算法则.
例1.、以下说法正确的是：（ ）
A.由可知，磁感应强度B与一小段通电直导线受到的磁场力F成正比
B.一小段通电直导线受到的磁场力的方向就是磁场的方向
C.一小段通电直导线在某处不受磁场力，该处的磁感应强度一定为零
D.磁感应强度为零处，一小段通电直导线在该处一定不受磁场力
例2.、如图所示，正四棱柱abed一a'b'c'd'的中心轴线00'处有一无限长的载流直导线，对该电流的磁场，下列说法中正确的是（AC）
A.同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等
B.四条侧棱上的磁感应强度都相同
C.在直线ab上，从a到b，磁感应强度是先增大后减小
D.棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大
解析:因通电直导线的磁场分布规律是B∝1/r，故A,C正确，D错误．四条侧棱上的磁感应强度大小相等，但不同侧棱上的点的磁感应强度方向不同，故B错误．
例3.、如图所示，两根导线a、b中电流强度相同．方向如图所示，则离两导线等距离的P点，磁场方向如何？
解析：由P点分别向a、b作连线Pa、Pb．然后过P点分别做Pa、Pb垂线，根据安培定则知这两条垂线用PM、PN就是两导线中电流在P点产生磁感应强度的方向，两导线中的电流在P处产生的磁感应强度大小相同，然后按照矢量的合成法则就可知道合磁感应强度的方向竖直向上，如图所示，这也就是该处磁场的方向． 答案：竖直向上
练习1。如图所示，一根通电直导线放在磁感应强度B=1T的匀强磁场中，在以导线为圆心，半径为r的圆周上有a,b,c,d四个点，若a点的实际磁感应强度为0，则下列说法中正确的是（AC）
A.直导线中电流方向是垂直纸面向里的
B.C点的实际磁感应强度也为0
C. d点实际磁感应强度为，方向斜向下，与B夹角为450
D.以上均不正确
解析:题中的磁场是由直导线电流的磁场和匀强磁场共同形成的，磁场中任一点的磁感应强度应为两磁场分别产生的磁感应强度的矢量和．a处磁感应强度为0，说明直线电流在该处产生的磁感应强度大小与匀强磁场B的大小相等、方向相反，可得直导线中电流方向应是垂直纸面向里．在圆周上任一点，由直导线产生的磁感应强度大小均为B＝1T，方向沿圆周切线方向，可知C点的磁感应强度大小为2T，方向向右.d点的磁感应强度大小为，方向与B成450斜向右下方．
四、磁通量
1．磁通量Φ：穿过某一面积磁力线条数，是标量．
2．与磁感强度关系：B＝Φ/S（当B与面垂直时），Φ＝BScosθ，Scosθ为面积垂直于B方向上的投影，θ是B与S法线的夹角．
例4.、如图所示，A为通电线圈，电流方向如图所示，B、C为与A在同一平面内的两同心圆，φB、φC分别为通过两圆面的磁通量的大小，下述判断中正确的是（ ）
A．穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向外
B．穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向里
C．φB＞φC D．φB＜φC
解析：由安培定则判断，凡是垂直纸面向外的磁感线都集中在是线圈内，因磁感线是闭合曲线，则必有相应条数的磁感线垂直纸面向里，这些磁总线分布在线圈是外，所以B、C两圆面都有垂直纸面向里和向外的磁感线穿过，垂直纸面向外磁感线条数相同，垂直纸面向里的磁感线条数不同，B圆面较少，c圆面较多，但都比垂直向外的少，所以 B、C磁通方向应垂直纸面向外，φB＞φC，所以A、C正确．
分析磁通时要注意磁感线是闭合曲线的特点和正反两方向磁总线条数的多少，不能认为面积大的磁通就大． 答案：AC
练习2．如图所示，a、b为两同心圆线圈，且线圈平面均垂直于条形磁铁，a的半径大于b，两线圈中的磁通量较大的是线圈___________。
［解答］b
［说明］部分学生由于对所有磁感线均通过磁铁内部形成闭合曲线理解不深，容易出错。
规律方法 1.磁通量的计算
例5.、如图所示，匀强磁场的磁感强度B＝2．0T，指向x轴的正方向，且ab=40cm，bc=30cm，ae=50cm，求通过面积Sl（abcd）、S2（befc）和S3（aefd）的磁通量φ1、φ2、φ3分别是多少？
解析：根据φ=BS垂，且式中S垂就是各面积在垂直于B的yx平面上投影的大小，所以各面积的磁通量分别为
φ1=BS1＝2．0×40×30×10－4＝0．24 Wb；φ2=0
φ3＝φ1=BS1＝2．0×40×30×10－4＝0．24 Wb
答案：φ1＝ 0． 24 Wb， φ2＝0， φ3＝ 0．24 Wb
例6.、如图4所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近位置Ⅱ，在这个过程中，线圈中的磁通量
A．是增加的； B．是减少的
C．先增加，后减少； D．先减少，后增加
解析：要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况．条形磁铁在 N极附近的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加．D选项正确．
点评：要知道一个面上磁通量，在面积不变的条件下，也必须知道磁场的磁感线的分布情况．因此，牢记条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、通电螺线管和通电圆环等磁场中磁感线的分布情况在电磁学中是很必要的．
2.磁场基本性质的应用
例7.、从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子，若到达地球，对地球上的生命将带来危害．对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中，正确的是（B）
A.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强，赤道附近最弱
B.地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强，南北两极最弱
C.地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同
D.地磁场对宇宙射线无阻挡作用
解析:因在赤道附近带电粒子运动方向与地磁场近似垂直，而在两极趋于平行．
例8.、超导是当今高科技的热点之一，当一块磁体靠近超导体时，超导体中会产生强大的电流，对磁体有排斥作用，这种排斥力可使磁体悬浮在空中，磁悬浮列车就采用了这项技术，磁体悬浮的原理是（D）
①超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同．
②超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反．
③超导体使磁体处于失重状态．
④超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡．
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
解析:超导体中产生的是感应电流，根据楞次定律的“增反减同”原理，这个电流的磁场方向与原磁场方向相反，对磁体产生排斥作用力，这个力与磁体的重力达平衡．
例9.、.如图所示，用弯曲的导线环把一铜片和锌片相连装在一绝缘的浮标上，然后把浮标浸在盛有稀硫酸的容器中，设开始设置时，环平面处于东西方向上．放手后，环平面将最终静止在 方向上．
解析:在地表附近地磁场的方向是大致由南向北的，此题中由化学原理可推知在环中有环形电流由等效法可假定其为一个垂直于纸面的条形磁体，而条形磁体所受地磁场的力的方向是南北方向的．
第二节 磁场对电流的作用
基础知识 一、安培力
1.安培力：通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力．
说明:磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用，磁场对这些定向移动电荷作用力的宏观表现即为安培力．
2.安培力的计算公式：F＝BILsinθ（θ是I与B的夹角）；通电导线与磁场方向垂直时，即θ＝900，此时安培力有最大值；通电导线与磁场方向平行时，即θ＝00，此时安培力有最小值，F=0N;00＜B＜900时，安培力F介于0和最大值之间.
3.安培力公式的适用条件:
①公式F＝BIL一般适用于匀强磁场中I⊥B的情况，对于非匀强磁场只是近 似适用（如对电流元），但对某些特殊情况仍适用．
如图所示，电流I1//I2,如I1在I2处磁场的磁感应强度为B，则I1对I2的安培力F＝BI2L，方向向左，同理I2对I1，安培力向右，即同向电流相吸，异向电流相斥．
②根据力的相互作用原理，如果是磁体对通电导体有力的作用，则通电导体对磁体有反作用力．两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律．
二、左手定则
1.用左手定则判定安培力方向的方法：伸开左手，使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向．
2.安培力F的方向既与磁场方向垂直，又与通电导线垂直,即F跟BI所在的面垂直．但B与I的方向不一定垂直．
3.由于B,I,F的方向关系常是在三维的立体空间，所以求解本部分问题时，应具有较好的空间想象力，要善于把立体图画变成易于分析的平面图，即画成俯视图，剖视图，侧视图等．
【例1】如图所示，一条形磁铁放在水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线，当导线通以如图所示方向电流时（ ）
A．磁铁对桌面的压力减小，且受到向左的摩擦力作用
B．磁铁对桌面的压力减小，且受到向右的摩擦力作用
C．磁铁对桌面的压力增大，且受到向左的摩擦力作用
D．磁铁对桌面的压力增大，且受到向右的摩擦力作用
解析：导线所在处磁场的方向沿磁感线的切线方向斜向下，对其沿水平竖直方向分解，如图10—15所示．对导线：
Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上．
By产生的效果是磁场力方向水平向左．
根据牛顿第三定律：导线对磁铁的力有竖直向下的作用力，因而磁铁对桌面压力增大；导线对磁铁的力有水平向右的作用力．因而磁铁有向右的运动趋势，这样磁铁与桌面间便产生了摩擦力，桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左． 答案：C
【例2】.如图在条形磁铁N极处悬挂一个线圈，当线圈中通有逆时针方向的电流时，线圈将向哪个方向偏转？
分析：用“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”最简单：螺线管的电流在正面是向下的，与线圈中的电流方向相反，互相排斥，而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转。
【例3】电视机显象管的偏转线圈示意图如右，即时电流方向如图所示。该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转？
解：画出偏转线圈内侧的电流，是左半线圈靠电子流的一侧为向里，右半线圈靠电子流的一侧为向外。电子流的等效电流方向是向里的，根据“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，可判定电子流向左偏转。
规律方法 1。安培力的性质和规律；
①公式F=BIL中L为导线的有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端．如图所示，甲中：，乙中：L/=d(直径）＝2R（半圆环且半径为R)
②安培力的作用点为磁场中通电导体的几何中心；
③安培力做功:做功的结果将电能转化成其它形式的能．
2．通电矩形导线框abcd与无限长通电直导线MN在同一平面内，电流方向如图所示，ab边与NM平行．关于MN的磁场对线框的作用，下列叙述正确的是（ ）
A．线框有两条边所受的安培力方向相同；
B．线框有两条边所受的安培力大小相同；
C．线框所受安培力的合力朝左；
D．cd处的感应强度与ab边感应强度的大小不同；
【例5】质量为m的通电细杆ab置于倾角为θ的平行导轨上，导轨宽度为d，杆ab与导轨间的摩擦因数为μ．有电流时aB恰好在导轨上静止，如图所示，如图10—19所示是沿ba方向观察时的四个平面图，标出了四种不同的匀强磁场方向，其中杆与导轨间摩擦力可能为零的是（ ）
解析：杆的受力情况为：
答案：AB
4、如图8-2-9所示，U形金属导轨与水平面成300角放置，空间有与导轨平面垂直的匀强磁场B=6×10-2T，两平行导轨相距L=0.1m，一质量m=0.01kg,电阻R=0.2Ω的导体棒ab搁在导轨上，与导轨串联的电源电动势E=3V，内阻r=0.1Ω,导轨电阻不计，导轨与导体无摩擦。求导体棒刚释放时的加速度。
2、安培力作用下物体的运动方向的判断
（1）电流元法：即把整段电流等效为多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断整段电流所受合力方向，最后确定运动方向．
（2）特殊位置法：把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断安培力方向，从而确定运动方向．
（3）等效法：环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁，条形磁铁也可等效成环形电流或通电螺线管，通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析．
（4）利用结论法：①两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥；②两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．
（5）转换研究对象法：因为电流之间，电流与磁体之间相互作用满足牛顿第三定律，这样，定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向．
（6）分析在安培力作用下通电导体运动情况的一般步骤
①画出通电导线所在处的磁感线方向及分布情况
②用左手定则确定各段通电导线所受安培力
③)据初速方向结合牛顿定律确定导体运动情况
【例6】如图所示，电源电动势E＝2V，r＝0.5Ω,竖直导轨电阻可略，金属棒的质量m＝0.1kg，R=0.5Ω，它与导体轨道的动摩擦因数μ＝0.4，有效长度为0.2 m,靠在导轨的外面，为使金属棒不下滑，我们施一与纸面夹角为600且与导线垂直向外的磁场，（g=10 m/s2）求：
（1)此磁场是斜向上还是斜向下？
（2）B的范围是多少？
解析:导体棒侧面受力图如图所示：
由平衡条件得：B最小时摩擦力沿导轨向上，则有
μFN＋BILcos300＝mg, FN=BILsin300 解得B＝2.34 T
当B最大时摩擦力沿导轨向下，则有BILcos300＝mg＋μFN
FN=BILsin300 解得B=3. 75 T
B的范围是2.34 T -- 3. 75 T
课后作业
1、下列表示通电导线在磁场中受力作用，图中正确的是（ ）
2．通电矩形导线框abcd与无限长通电直导线MN在同一平面内，电流方向如图所示，ab边与NM平行．关于MN的磁场对线框的作用，下列叙述正确的是（ ）
A．线框有两条边所受的安培力方向相同；
B．线框有两条边所受的安培力大小相同；
C．线框所受安培力的合力朝左；
D．cd处的感应强度与ab边感应强度的大小不同；
3．如图所示，在匀强磁场B的区域内有一光滑斜面，倾角为θ，在斜面上放置一根长为L，质量为m的直导线，通过导线的电流强度为I，若使导线恰好静止，则匀强磁场的磁感应强度必须满足（ ）
A．，方向垂直斜面向上
B．，方向垂直斜面向下
C．，方向水平向右
D．，方向竖直向上
4．如图所示，接通开关S的瞬间用丝线悬挂于一点的可自由转动的
通电直导线AB将（ ）
A．A端向上，B端向上，悬线张力不变
B．A端向下，B端向下，悬线张力不变
C．A端向纸外，B端向纸内，悬线张力变小
D．A端向纸内，B端向纸外，悬线张力变大
5、如图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根长直条线，导线与磁铁垂直，给导线通以垂直纸面向里的电流，用FN表示磁铁对桌面的压力，用F表示桌面对磁铁的摩擦力，导线中通电后与通电前相比较（ ）
A．FN减小，F=0 B．FN减小，F≠0
C．FN增大，F=0 D．FN增大，F≠0
6.如图，一段导线abcd位于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，且与磁场方向（垂直于纸面向里）垂直。线段ab、bc和cd的长度均为L，且。流经导线的电流为I，方向如图中箭头所示。导线段abcd所受到的磁场的作用力的合力
A. 方向沿纸面向上，大小为 B. 方向沿纸面向上，大小为
C. 方向沿纸面向下，大小为 D. 方向沿纸面向下，大小为
7、一根容易形变的弹性导线，两端固定。导线中通有电流，方向如图中箭头所示。当没有磁场时，导线呈直线状态：当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是
8、如图所示，一根均匀的导体AB，长为L，质量为m，电阻为R1，处于磁感强度为B的匀强磁场中，导线AB由两根相同的轻弹簧悬挂，并处于水平位置．这时每根弹簧的伸长量为x0．问当K闭合后，每根弹簧的伸长量x为多大？（设电源电动势为E，内电阻不计，两根弹簧总电阻为R2．）
9、如图8-2-17所示，宽为L的金属框架和水平面夹角为α，并处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于框架平面．导体棒ab的质量为m，长度为d，置于金属框架上时将向下匀加速滑动，导体棒与框架之间的最大静摩擦力为f．为使导体棒静止在框架上，将电动势为E，内阻不计的电源接入电路，若框架与导体棒的电阻不计，求需要接入的滑动变阻器R的阻值范围．
[来源:高考资源网KS5U.COM]
第三节 磁场对运动电荷的作用
基础知识 一、洛仑兹力：是磁场对运动电荷的作用力
1.洛伦兹力的公式: F=qvB sinθ，θ是V、B之间的夹角.
2.当带电粒子的运动方向与磁场方向互相平行时，F＝0
3.当带电粒子的运动方向与磁场方向互相垂直时，F=qvB
4.只有运动电荷在磁场中才有可能受到洛伦兹力作用，静止电荷在磁场中受到的磁场对电荷的作用力一定为0．
二、洛伦兹力的方向
1.洛伦兹力F的方向既垂直于磁场B的方向，又垂直于运动电荷的速度v的方向，即F总是垂直于B和v所在的平面．
2.使用左手定则判定洛伦兹力方向时，伸出左手，让姆指跟四指垂直，且处于同一平面内，让磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动方向（当是负电荷时，四指指向与电荷运动方向相反）则姆指所指方向就是该电荷所受洛伦兹力的方向．
例1、如图8-3-1所示，在阴极射线管的正下方平行放置一根通有强直流电流的长直导线，且电流的方向水平向右，则阴极射线将会 （ ）
A．向上偏转 B．向下偏转
C．向纸内偏转 D．向纸外偏转
三、洛伦兹力与安培力的关系
1.洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向称动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．
2.洛伦兹力一定不做功，它不改变运动电荷的速度大小;但安培力却可以做功．
四．洛伦兹力与电场力的对比
（1）受力特点
带电粒子在匀强电场中，无论带电粒子静止还是运动，均受到电场力作用，且F=qE；带电粒子在匀强磁场中，只有与磁场方向垂直的方向上有速度分量，才受洛伦兹力，且F=qvB⊥，当粒子静止或平行于磁场方向运动时，不受洛伦兹力作用。
（2）运动特点
带电粒子在匀强电场中，仅受电场力作用时，一定做匀变速运动，轨迹可以是直线，也可以是曲线。带电粒子在匀强磁场中，可以不受洛伦兹力，因此可以处于静止状态或匀速直线运动状态。当带电粒子垂直于磁场方向进入匀强磁场中，带电粒子做匀速圆周运动。
（3）做功特点
带电粒子在匀强电场中运动时，电场力一般对电荷做功W=qU。但带电粒子在匀强磁场中运动时，洛伦兹力对运动电荷不做功。
五、带电粒子在匀强磁场中的运动
1.不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分三种情况：
一是匀速直线运动（初速度平行磁场时）；
二是匀速圆周运动速度（初速度垂直磁场时）；
三是螺旋运动（初速与磁场间不平行不垂直时）．
2.不计重力的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径r=mv/qB；
其运动周期T=2πm/qB（与速度大小无关）．
例2、如图所示为正方体空腔的横截面，a、c、d为三个小孔，腔内匀强磁场B垂直纸面向里．一束具有相同电量的粒子由a孔沿ab方向射入空腔，恰好分别从c、d两孔射出，则从两孔射出的粒子带__________电，它们的速度之比vc：vd＝__________，它们运动的时间之比tc：td=
3.不计重力的带电粒子垂直进入匀强电场和垂直进入匀强磁场时都做曲线运动，但有区别：带电粒子垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动（类平抛运动）；垂直进入匀强磁场，则做变加速曲线运动（匀速圆周运动）．
例3．一带电粒子以初速度V0垂直于匀强电场E 沿两板中线射入，不计重力，由C点射出时的速度为V，若在两板间加以垂直纸面向里的匀强磁场，粒子仍以V0入射，恰从C关于中线的对称点D射出，如图所示，则粒子从D点射出的速度为多少?
解析：粒子第一次飞出极板时，电场力做正功，由动能定理可得电场力做功为W1=m（V2－v02）/2……①，当两板间加以垂直纸面向里的匀强磁场后，粒子第二次飞出极板时，洛仑兹力对运动电荷不做功，但是粒子从与C点关于中线的对称点射出，洛仑兹力大于电场力，由于对称性，粒子克服电场力做功，等于第一次电场力所做的功，由动能定理可得W2=m（V02－VD2）/2……②，W1=W2。由 ①②③式得VD=
点评：凡是涉及到带电粒子的动能发生了变化，均与洛仑兹力无关，因为洛仑兹力对运动电荷永远不做功。
例4．如图所示，竖直两平行板P、Q，长为L，两板间电压为U，垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为B，电场和磁场均匀分布在两板空间内，今有带电量为Q，质量为m的带正电的油滴，从某高度处由静止落下，从两板正中央进入两板之间，刚进入时油滴受到的磁场力和电场力相等，此后油滴恰好从P板的下端点处离开两板正对的区域，求（1）油滴原来静止下落的位置离板上端点的高度h。（2）油滴离开板间时的速度大小。
解析：（1）油滴在进入两板前作自由落体运动，刚进入两板之间时的速度为V0，受到的电场力与磁场力相等，则qv0B＝qU／d，v0＝U／Bd= ，h=U2／2gB2d2
（2）油滴进入两板之间后，速度增大，洛仑兹力在增大，故电场力小于洛仑兹力，油滴将向P板偏转，电场力做负功，重力做正功，油滴离开两板时的速度为Vx ，由动能定理mg（h＋L）－q U／2=mVx 2/2，
点评：（1）根据带电油滴进入两板时的磁场力与电场力大小相等求出油滴下落时到板上端的高度；（2）油滴下落过程中的速度在增大，说明了洛仑兹力增大，油滴向P板偏转，电场力做负功．
规律方法 1．求解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动问题的基本思路：
一．基本公式：①洛伦兹力提供向心力：
②轨道半径公式：
③周期公式：
二．基本思路：正确画出粒子的运动轨迹，充分利用有关圆周的几何知识，把握好“一找圆心O、二找半径R＝、三找周期T＝或运动时间t”的基本思路．
①圆心的确定：因为洛伦兹力F指向圆心，根据F⊥υ，画出粒子运动轨迹中任意两点（一般取射入和射出磁场的两点）的F方向，其延长线的交点就是圆心．或者利用圆心位置必定在圆中一根弦的中垂线上的定理，找出圆心位置．
②半径的确定和计算： 利用平面几何关系，求出该圆的可能半径（或圆心角）．
并注意以下两个重要的几何特点（如图〈1〉所示）：
1）粒子速度的偏向角（）等于回旋角（即圆心角），并等于 AB弦与切线的夹角（弦切角θ）的2倍，即＝2θ＝ωt．
2）相对的弦切角（θ）相等，与相邻的弦切角（θ）互补，
即θ ＋θ＝180°．
③在磁场中运动时间的确定：
利用回旋角（即圆心角）与弦切角的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角的大小，由公式可求出粒子在磁场中的运动时间．
④圆周运动中的有关对称规律：
1）如果带电粒子从某一边界射入匀强磁场，则从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等．
画出带电粒子的运动轨迹（不计重力）
2）在圆形区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出．
例5．、abcd为矩形匀强磁场区域，边长分别是ab=H，bc=H，某带电粒子质量为m，电量为q以速度V从a点沿ad方向射入磁场，恰好从c点射出磁场．
该粒子带何种电荷？
确定该粒子做圆周运动的圆心。
求出该粒子做圆周运动的半径R？
求出磁场的磁感应强度B？
求这个带电粒子通过磁场所用的时间？
例6．如图所示，一束电子（电量为e）以速度v垂直射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，穿过磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是300，则电子的质量是 ，穿过磁场的时间是 。
解析：电子在磁场中运动，只受洛伦兹力作用，故其轨迹是圆弧一部分，又因为f⊥v，故圆心在电子穿入和穿出磁场时受到洛伦兹力指向交点上，如图中的O点，由几何知识知，AB间圆心角θ=300，OB为半径．所以r=d/sin300=2d．
又由r=得m＝2dBe／v．
又因为AB圆心角是300，所以穿过时间 t=T=×=．
例7．如图所示，一束电子以大小不同的速率沿图示方向飞入横截面是一正方形的匀强磁场，下列判断正确的是（ ）
A、电子在磁场中运动时间越长，其轨迹线越长
B．电子在磁场中运动时间越长。其轨迹线所对应的圆心角越大
C．在磁场中运动时间相同的电子，其轨迹线一定重合
D．电子的速率不同，它们在磁场中运动时间一定不相同
解析：在图中画出了不同速率的电子在磁场中的轨迹，由前面的知识点可知轨迹的半径R=mv／qB，说明了半径的大小与电子的速率成正比．但由于电子在磁场中运动时间的长短仅与轨迹所对应的圆心角大小有关，故可判断图中五条轨迹线所对应的运动时间关系有t5＝t4＝t3＞t2＞t1显然，本题选项中只有B正确．
点评：本题所考查的是带电粒子在矩形（包括正方形）磁场中运动的轨迹与相应的运动时间的关系问题．不同速率的电子在磁场中的偏转角大小（也就是在磁场中运动时间的长短），由知识点中的周期表达式看来与半径是没有关系的，但由于磁场区域的边界条件的限制，由图说明了半径不同，带电粒子离开磁场时速度方向变化可能不同，也可能相同．由周期关系式必须明确的一点是：带电粒子在磁场中运动的时间长短决定于轨迹所对应的圆心角．
2、洛仑兹力的多解问题
（1）带电粒子电性不确定形成多解．
带电粒子可能带正电荷，也可能带负电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致双解．
（2）磁场方向不确定形成多解．
若只告知磁感应强度大小，而未说明磁感应强度方向，则应考虑因磁场方向不确定而导致的多解．
（3）临界状态不惟一形成多解．
带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，它可能穿过去，也可能偏转1800从入射界面这边反向飞出．另在光滑水平桌面上，一绝缘轻绳拉着一带电小球在匀强磁场中做匀速圆周运动，若绳突然断后，小球可能运动状态也因小球带电电性，绳中有无拉力造成多解．
（4）运动的重复性形成多解．
如带电粒子在部分是电场，部分是磁场空间运动时，往往具有往复性，因而形成多解．
例8．．长为L水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图40-B5所示，磁感应强度为B，板间距离也为L，板不带电，现有质量为m，电量为q的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度V射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是：( )
A.使粒子的速度
B.使粒子的速度
C.使粒子的速度
D.使粒子的速度
例9．．在光滑绝缘水平面上，一轻绳拉着一个带电小球绕O点在匀强磁场中做逆时针方向的水平匀速圆周运动，磁场方向竖直向下，其俯视图如图40-B7所示．若小球运动到A点时，绳子突然断开，关于小球在绳断开后可能的运动情况，以下说法正确的是( )
A．小球仍做逆时针匀速圆周运动，半径不变 B．小球仍做逆时针匀速圆周运动，但半径减小 C．小球做顺时针匀速圆周运动，半径不变 D．小球做顺时针匀速圆周运动，半径减小
例10．.（97年高考）如图40-B10，在x轴的上方存在着垂直于纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B.在原点O有一个离子源向x轴上方的各个方向发射出质量为m、电量为q的正离子，速率都为v.对那些在xy平面内运动的离子，在磁场中可能到达的最大x＝________________，最大y＝________________.
例11．S为电子源，它只能在如图（l）所示纸面上的3600范围内发射速率相同，质量为m，电量为e的电子，MN是一块竖直挡板，与S的水平距离OS=L，挡板左侧充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B．
（l）要使S发射的电子能到达挡板，则发射电子的速度至少多大？
（2）若S发射电子的速度为eBL／m时，挡板被电子击中范围多大？（要求指明S在哪个范围内发射的电子可以击中挡板，并在图中画出能击中挡板距O上下最远的电子的运动轨道）
【解析】（l）电子在磁场中所受洛仑较为提供向心力qBV= mV2/r
当r= L/2时，速度v最小， 由①、②可得，V=eBL／2m
（2）若S发射电子速率V/=eBL／m，由eV/B=mV/2/r/ 可得：r/=L
由左手定则知，电子沿SO发射时，刚好到达板上的b点，且OB= r/= L，由SO逆时针转1800的范围内发射的电子均能击中挡板，落点由b→O→a→b/→a，其中沿SO/发射的电并击中挡板上的a点，且aO==L．由上分析可知，挡板能被电子击中的范围由a→b，其高度h=L＋L=（十l）L，击中a、b两点的电子轨迹，如图（2）所示．
第三节 课后练习
1、质子和α粒子从静止开始经同一电场加速后，垂直磁场方向进入同一匀强磁场，则要磁场中各种运动参量间的正确关系是（ ）
A．速率之比为：1B．周期之比1：2
C．半径之比1： D．角速度之比1：1
2．两个电子以大小不同的初速度沿垂直磁场的方向射入同一匀强磁场中．设r1、r2为这两个电子运动的轨道半径，T1、T2是它们的运动周期，则（ ）
A．r1＝r2，T1＝T2 B．r1＝r2，T1≠T2 C．r1≠r2，T1＝T2 D．r1≠r2，T1≠T2
3、如图所示，ab是一弯管，其中心线是半径为R的一段圆弧．将弯管置于给定的匀强磁场中，磁场方向垂直于圆弧所在的平面（即纸面），并且指向纸外，有一束带电粒子对准a端射入弯管，若粒子有不同的质量，不同的速度，但都是一价的正离子，则能沿中心线通过弯管的粒子必须具有（ ）
A．相同的速度 B．相同的质量
C．相同的动量 D．相同的动能
4．带电粒子垂直匀强磁场方向运动时，会受到洛伦兹力的作用。下列表述正确的是（ ）
A.洛伦兹力对带电粒子做功 B．洛伦兹力不改变带电粒子的动能
C．洛伦兹力的大小与速度无关
D．洛伦兹力不改变带电粒子的速度方向
5、一个带电粒子，沿垂直于磁场方向射入一匀强磁场，粒子的 一段径迹如图所示．径迹上的每一小段都可以近似看成圆弧．由于带电粒子使沿途的的空气电离，粒子的能量逐渐减小（所带电荷量不变）．从图中情况可以确定：
A．粒子从a到b，带正电 B．粒子从a到b，带负电
C．粒子从b到a，带正电 D．粒子从b到a，带负电
6、一个带电粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，如果它又顺利地垂直进入到磁感应强度为2B的另一匀强磁场中，则：（ ）
A．粒子的速率加倍，周期减半 B．粒子的速率不变，轨道半径减半
C．粒子的速率不变，周期减半 D．粒子的速率减半，轨道半径变为原来的
7、如图所示，在x轴上方存在着垂直于纸面向里、 磁感应强度为B的匀强磁场。一个不计重力的带电粒子从坐标原点O处以速度v进入磁场，粒子进入磁场时的速度方向垂直于磁场且与x轴正方向成120°角，若粒子穿过y轴正半轴后在磁场中到x轴的最大距离为a，则该粒子的比荷和所带电荷的正负是
A.，正电荷 B.，正电荷 C. ，负电荷 D. ，负电荷
8、粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电。让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反的速度开始运动。已知磁场方向垂直纸面向里。以下四个图中，能正确表示两粒子运动轨迹的是
9、如图，在一水平放置的平板MN的上方有匀强磁场，磁感应强度的大小为B，磁场方向垂直于纸面向里。许多质量为m带电量为+q的粒子，以相同的速率v沿位于纸面内的各个方向，由小孔O射入磁场区域。不计重力，不计粒子间的相互影响。下列图中阴影部芬表示带电粒子可能经过的区域，其中。哪个图是正确的（ ）
A． B． C． D．
10、每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来，地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向，使它们不能到达地面，这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来，在地磁场的作用下，它将
A．向东偏转常 B．向南偏转 C．向西偏转 D．向北偏转
11、如左图所示，一个理想边界为PQ、MN的匀强磁场区域，磁场宽度为d，方向垂直纸面向里。一电子从O点沿纸面垂直PQ以速度v0进入磁场。若电子在磁场中运动的轨道半径为2d。O′在MN上，且OO′与MN垂直。下列判断正确的是
A．电子将向右偏转
B．电子打在MN上的点与O′点的距离为d
C．电子打在MN上的点与O′点的距离为
D．电子在磁场中运动的时间为
12、如图所示，在XOY坐标系的第一象限内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁应强度为B，现有一质量为m，电量为q的正粒子，与X轴成θ=30°
角的方向以速度v0垂直射入磁场，
（1）确定该粒子的圆心
（2）画出该粒子在磁场中的轨迹
（3）求出它运动轨道的圆心坐标为多少？
（2）求出它在磁场中运动的时间？
13、如图所示，在以O点为圆心，r为半径的圆形真空内，存在着垂直纸面向里的匀强磁场，一带电粒子质量为m，电量为q从A点以速度V0垂直于磁场方向正对O点射入磁场中从C点射出，AOC=120°，
该粒子带何种电荷？
确定它的圆心，并画出它在磁场中的轨迹？
求出它的轨道半径R？
求出磁场的磁感应强度B？
求该带电粒子在磁场中运动的时间为多少？
14、如图所示，在y<0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直平面并指向纸面外，磁感应强度为B．一带正电的粒子（不计重力）以速度v0从O点射入磁场，入射方向在xy平面内，与x轴正向的夹角为．若粒子射出磁场的位置与O点的距离为，求该粒子的电荷量与质量之比q/m．
15、如图，一根绝缘细杆固定在磁感应强度为B的水平匀强磁场中，杆和磁场垂直，与水平方向成θ角。杆上套一个质量为m、电量为+q的小球。小球与杆之间的动摩擦因数为μ。从A点开始由静止释放小球，使小球沿杆向下运动。设磁场区域很大，杆很长。已知重力加速度为g。求：
（1）定性分析小球运动的加速度和速度的变化情况；
（2）小球在运动过程中最大加速度的大小；
（3）小球在运动过程中最大速度的大小。
16、如图所示，匀强磁场的方向垂直纸面向里，一带电微粒从磁场边界d点垂直于磁场方向射入，沿曲线dpa打到屏MN上的a点，通过pa段用时为t，若该微粒经过P点时，与一个静止的不带电微粒碰撞并结合为一个新微粒，最终打到屏MN上。两个微粒所受重力均忽略。新微粒运动的 （ ）
A．轨迹为pb,至屏幕的时间将小于t
B．轨迹为pc,至屏幕的时间将大于t C．轨迹为pb，至屏幕的时间将等于t D．轨迹为pa，至屏幕的时间将大于t
17、如图8所示，在x>0、y>0空间存在一恒定的匀强磁场，磁感应强度的方向垂直于xOy平面向里，大小为B。现把α粒子（的原子核）和质子（）在x轴上的Q点以相同速度垂直于x轴射入此磁场，两粒子在磁场中运动轨迹如图中虚线所示，其中一个粒子由坐标原点垂直于x轴射出磁场，另一个粒子在y轴上的P点垂直于y轴射出磁场。以下关于上述过程的说法正确的是
A．从O点射出磁场的是α粒子，从Q点射出磁场的是质子
B．α粒子与质子在磁场中作圆周运动的半径之比为1∶2
C．α粒子与质子在磁场中运动轨迹的长度不相等
D．α粒子与质子在磁场中运动时间相等
第四节 专题:带电粒子在复合场中的运动
基础知识 一、复合场的分类：
1、复合场：即电场与磁场有明显的界线，带电粒子分别在两个区域内做两种不同的运动，即分段运动，该类问题运动过程较为复杂，但对于每一段运动又较为清晰易辨，往往这类问题的关键在于分段运动的连接点时的速度，具有承上启下的作用．
2、叠加场：即在同一区域内同时有电场和磁场，些类问题看似简单，受力不复杂，但仔细分析其运动往往比较难以把握。
二、带电粒子在复合场中运动形式的基本分析
1.当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止．
2.当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动．
3.当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动．
4.当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的时，粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理．
三、对于重力的考虑[来源:高考资源网KS5U.COM]
重力考虑与否分三种情况．（1)对于微观带电粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就可以不计其重力，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略；而对于一些实际物体，如带电小球、液滴、金属块等不做特殊交待时就应当考虑其重力．（2)在题目中有明确交待的是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单．（3)对未知名的带电粒子其重力是否忽略又没有明确时，可采用假设法判断，假设重力计或者不计，结合题给条件得出的结论若与题意相符则假设正确，否则假设错误．
四、复合场中的特殊物理模型[来源:高考资源网]
1．粒子速度选择器
如图所示，粒子经加速电场后得到一定的速度v0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，则有qv0B＝qE,v0=E/B，若v=v0=E/B，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关
若v＜E/B，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加．
若v＞E/B，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少．
2.磁流体发电机
如图所示，由燃烧室电离成的正、负离子（等离子体）以高速v喷入偏转磁场B中．在洛伦兹力作用下，正、负离子分别向上、下极板偏转、积累，从而在板间形成一个向下的电场．两板间形成一定的电势差．当qvB=qU/d时电势差稳定U＝dvB，这就相当于一个可以对外供电的电源．
3.电磁流量计．
电磁流量计原理可解释为：如图所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动．导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下纵向偏转，a,b间出现电势差．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定．
由Bqv=Eq=Uq/d，可得v=U/Bd.流量Q=Sv=πUd/4B
4.质谱仪
如图所示
组成：离子源O，加速场U，速度选择器（E,B）， 偏转场B2，胶片．
原理：加速场中qU=?mv2
选择器中:v=E/B1
偏转场中:d＝2r，qvB2＝mv2/r
比荷:
质量
作用：主要用于测量粒子的质量、比荷、研究同位素．
5.回旋加速器
如图所示
组成：两个D形盒，大型电磁铁，高频振荡交变电压，两缝间可形成电压U
作用：电场用来对粒子（质子、氘核,a粒子等）加速，磁场用来使粒子回旋从而能反复加速．高能粒子是研究微观物理的重要手段．
要求：粒子在磁场中做圆周运动的周期等于交变电源的变化周期．
关于回旋加速器的几个问题：
(1)回旋加速器中的D形盒，它的作用是静电屏蔽，使带电粒子在圆周运动过程中只处在磁场中而不受电场的干扰，以保证粒子做匀速圆周运动‘
(2)回旋加速器中所加交变电压的频率f,与带电粒子做匀速圆周运动的频率相等:
(3)回旋加速器最后使粒子得到的能量，可由公式来计算，在粒子电量，、质量m和磁感应强度B一定的情况下，回旋加速器的半径R越大，粒子的能量就越大．
【注意】直线加速器的主要特征．
如图所示，直线加速器是使粒子在一条直线装置上被加速．
6．霍尔效应（磁强计）：
①霍尔效应：将导体板放在垂直于它的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板上侧面和下侧面之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差．
②磁强计：是利用霍尔效应来测量磁感应强度的仪器．
规律方法 1、带电粒子在复合场中的运动
例1．如图8-4-4甲所示，匀强电场方向水平向右，匀强磁场垂直于纸面向里。一质量为m、带电量为q的微粒以速度v与磁场垂直、与电场成450角射入复合场中恰好做匀速直线运动，求电场E的大小及磁场B的大小。
例2．如图所示，在X轴上方有匀强电场，场强为E；在X轴下方有匀强磁场，磁感应强度为B，方向如图，在X轴上有一点M，离O点距离为L．现有一带电量为十q的粒子，使其从静止开始释放后能经过M点．如果把此粒子放在y轴上，其坐标应满足什么关系？（重力忽略不计）
解析：由于此带电粒子是从静止开始释放的，要能经过M点，其起始位置只能在匀强电场区域．物理过程是：静止电荷位于匀强电场区域的y轴上，受电场力作用而加速，以速度V进入磁场，在磁场中受洛仑兹力作用作匀速圆周运动，向X轴偏转．回转半周期过X轴重新进入电场，在电场中经减速、加速后仍以原速率从距O点2R处再次超过X轴，在磁场回转半周后又从距O点4R处飞越X轴如图10一53所示（图中电场与磁场均未画出）故有L＝2R，L＝2×2R，L＝3×2R
即 R＝L／2n，（n=1、2、3……）…………… ①
设粒子静止于y轴正半轴上，和原点距离为h，由能量守恒得mv2／2=qEh……②
对粒子在磁场中只受洛仑兹力作用而作匀速圆周运动有：R＝mv／qB………③
解①②③式得：h＝B2qL2／8n2mE （n＝l、2、3……）
练习1、如图8-4-8所示，在y＞0的空间存在匀强电场，场强沿y轴的负方向；在y＜0的空间，存在匀强磁场，磁感应应强度垂直于纸面向外。一电荷量为q、质量为m的带正电的运动粒子，经过y轴上y=h处的P1点时速率为v0，方向沿x轴的正方向；然后经过x轴上x=2h，处的P2点进入磁场，并经过y轴上y=－2h处的P3点，不计重力，求：⑴电场强度的大小；⑵粒子到达P2点时的速度的大小和方向；⑶磁感应强度的大小。
例3．如图所示，在宽l的范围内有方向如图的匀强电场，场强为E，一带电粒子以速度v垂直于电场方向、也垂直于场区边界射入电场，不计重力，射出场区时，粒子速度方向偏转了θ角，去掉电场，改换成方向垂直纸面向外的匀强磁场，此粒子若原样射入磁场，它从场区的另一侧射出时，也偏转了θ角，求此磁场的磁感强度B．
解析：粒子在电场中运行的时间t＝ l／v；加速度 a＝qE／m；它作类平抛的运动．有
tgθ=at/v=qEl/mv2………①
粒子在磁场中作匀速圆周运动由牛顿第二定律得：qvB=mv2/r，所以r=mv/qB
又：sinθ=l/r=lqB/mv………②
由①②两式得：B=Ecosθ/v[来源:Z。xx。k.Com]
例4．如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a、b、c和d，外筒的半径为r0。在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小为B。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场。一质量为m、带电量为＋q的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝a的s点出发，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点S，则两电极之间的电压U应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）。
解析：如图所示，带电粒子从S出发，在两筒之间的电场力作用下加速，沿径向穿出a而进入磁场区，在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动。粒子再回到S点的条件是能沿径向穿过狭缝d。只要穿过了d，粒子就会在电场力作用下先减速，再反向加速，经d重新进入磁场区。然后，粒子将以同样方式经过c、d，再经过a回到s点。
设粒子射入磁场区的速度为V，根据能量守恒，有?mv2＝qU
设粒子在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动的半径为R，由洛仑兹力公式和牛顿定律得 mv2/R=qvB
由前面分析可知，要回到S点，粒子从a到d必经过3/4圆周。所以半径R必定等于筒的外半径r0，则v=qBR/m=qBr0/m，U=mv2/2q=qB2r20/2m。
2、带电粒子在叠加场中的运动
例5．如图所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E（方向竖直向上）和匀强磁场B（方向垂直于纸面向外）中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场?
A．增大电场强度E，减小磁感强度B
B．减小加速电压U ，增大电场强度E
C．适当地加大加速电压U
D．适当地减小电场强度E
解析：正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场的区域中，受到的电场力F＝qE，方向向上，受到的洛仑兹力f＝qVB，方向向下，离子向上偏，说明了电场力大于洛仑兹力，要使离子沿直线运动，则只有使洛仑兹力磁大或电场力减小，增大洛仑兹力的途径是增大加速电场的电压U或或增大磁感强度B，减小电场力的途径是减小场强E．对照选项的内容可知C、D正确．?
点评：带电粒子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域，则它的速度V=E／B，这个区域就是速度选择器，且速度选择器对进入该区域的粒子所带电荷的符号无关，只要是具有相同的速度的带电粒子均能沿直线通过这一区域，但是有一点必须明确的是：速度选择器的进口与出口的位置不具有互换性。
例6．如图所示，静止在负极板附近的带负电的微粒在MN间突然加上电场时开始运动，水平匀速地击中速度为零的中性微粒后粘合在一起恰好沿一段圆弧落在N极板上，若ml＝9．995×10－7千克，带电量q=l08库，电场强度E=103伏／米，磁感应强度B=0．5特，求击中m2时的高度，击中m2前的微粒速度，m2的质量和圆弧的半径．
解析：由于击中m2前微粒已达水平匀速，由匀速直线运动条件得：
mlg ＋f洛=qE mlg＋qvB＝qE。 v＝（qE—m1g）／qB，代入数据可算得： v＝1米／秒
m1从开始运动到击中m2的过程，只有重力和电场力做功．洛伦兹力不做功．由于涉及m1竖直方向的位移h，故选用动能定理分析得： qU一m1gh=?m1v2一0
qEh—m1gh=?m1v2，h＝
代入数据可算得h≈0．1米．
又由于m1击中m2 能沿圆弧运动，说明这时重力已与电场力平衡，只是洛仑兹力充当向心力使它们作匀速圆周运动，故有：m1g＋m2g＝qE得m2=，代入数据可算得m2＝5×10－10千克
m1、m2粘合在一起作圆周运动半径为： r＝（ml十m2）v/／qB
在ml击中m2瞬间，动量守恒， 即：m1vl=（m1＋m2）v/
代入数据解①②两式得：r≈200．
例7．如图所示，空间存在着垂直向外的水平的匀强磁场和竖直向上的匀强电场，磁感应强度为B，电场强度为E.在这个场区内，有一带正电的液滴a在电场力和重力作用下处于静止．现从场中某点由静止释放一个带负电的液滴b(图中未画出），当它的运动方向变为水平方向时恰与a相撞，撞后两液滴合为一体，并沿水平方向做匀速直线运动．已知液滴b的质量是a质量的2倍，b所带电荷量是a所带电荷量的4倍，且相撞前a,b间的静电力忽略不计．
（1)求两液滴相撞后共同运动的速度大小；
(2)画出液滴b在相撞前运动的轨迹示意图；
(3)求液滴b开始下落时距液滴a的高度h.
解析:液滴在匀强磁场、匀强电场中运动．同时受到洛伦兹力、电场力和重力作用，‘
（1）可设a液滴质量为m、电量为q,b液滴质量为2m、电量为一4q.
平衡时，有qE=mg……①,a、b相撞合为一体时,质量为3m,电量为-3q,速度为v，由题意知处于平衡状态，重力3mg,电场力3qE均竖直向下，所以洛伦兹力必定竖直向上，满足3qvB=3mg+3qE……②
由①、②两式，可得撞后速度v=2E/B
(2)对b液滴开始时重力2mg,电场力4qE均竖直向下，所以开始向下加速，由左手定则，洛伦兹力向右,可见b液滴从初始位置沿一曲线向右下方运动，当与a相撞前b的速度已水平向右，其轨迹示意图如图所示．
(3)对b,从开始运动至与a相撞之前，由动能定理:we＋wG＝△EK,即(4qE＋2mg)h=?（2m）v02
a,b相撞时，可看做动量守恒，有2mv0=3mv
由以上几式可得v0=3E/B
再由上两式得
例8．汤姆生用来测定电子的比荷（电子的电荷量与质量之比）的实验装置如图所示，真空管内加速后，穿过A'中心的小孔沿中心轴010的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P/，间的区域．当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心0点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到0'点，（O'与0点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计）．此时，在P和P/间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场．调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到0点．已知极板水平方向的长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2（如图所示）．
(1)求打在荧光屏0点的电子速度的大小．
(2）推导出电子的比荷的表达式
解析:(1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回复到中心0点，设电子的速度为v，则evB＝Ee,得v=E/B=U/Bb.
(2）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向作匀加速运动，加速度为a=eU/mb.
电子在水平方向作匀速运动，在电场内的运动时间为t1=L1/v这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离为
离开电场时竖直向上的分速度为
电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏
t2时间内向上运动的距离为:
这样，电子向上的总偏转距离为d=d1＋d2=
可解得
例9 设在地面上方的真空室内，存在匀强电场和匀强磁场，已知电场强度和磁感应强度的方向是相同的，电场强度的大小E=4.0V/m，磁感应强度的大小B=0.15T．今有一个带负电的质点以v=20m/s的速度在的区域内沿垂直场强方向做匀速直线运动，求此带电质点的电量与质量之比q/m以及磁场的所有可能方向（角度可用反三角函数表示）．
分析：带负电的质点在同时具有匀强电场、匀强磁场和重力场中做匀速直线运动，表明带电质点受重力mg、电场力qE和洛仑兹力qvB的作用处于平衡状态．因重力方向竖直向下，3个力合力为零，要求这3个力同在一竖直平面内，且电场力和洛仑兹力的合力方向应竖直向上．
由此推知，带电质点的受力图，如图所示；再运用力学知识就可求解．
解：带电质点受3个力（重力、电场力、洛仑兹力）作用．根据题意及平衡条件可得质点受力图，如图所示（质点的速度垂直纸面向外）所以
由质点受力图可得tanθ=qvB/qE,所以
即磁场是沿着与重力方向夹角θ=37?，且斜向下方的一切方向．
答：带电质点的荷质比q/m等于1.96C/kg，磁场的所有可能方向是与重力方向夹角θ=37?的斜向下方的一切方向．
3、磁偏转技术的应用
例10．电视机显像管中电子束的偏转是用磁偏转技术实现的，电子束经电压为U的加速电场加速后，进入一圆形磁场区，如图所示，磁场方向垂直圆面，磁场区的中心为O，半径为r，当不加磁场时，电子束将通过O点而打到屏幕中心M点，为了使电子束射到屏幕边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感应强度B为多大？
解析:电子在磁场中沿圆弧ab运动如图所示，圆心为C，半径为R，以v表示电子进入电场的速度，m、e分别表示电子质量和电量，则：eU=?mv2
evB=mv2/R,又有tan(θ/2)=r/R,
联立解得
第四节 课后作业
1、图中为一“滤速器”装置示意图。a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间。为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选 电子仍能够沿水平直线OO'运动，由O'射出。不计重力作用。可能达到上述目的的办法是
A.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里
B.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里
C.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外
D.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外
2、如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图．速度选择器（也称滤速器）中场强E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外．在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若m甲 =m乙＜m丙=m丁 ，υ甲 ＜υ乙 =υ丙 ＜υ丁 ，在不计重力的情况下， 则分别打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是：（ ）
A．甲乙丙丁 B．甲丁乙丙 C．丙丁乙甲 D．甲乙丁丙
3、图9是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是
A．质谱仪是分析同位素的重要工具
B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小
4、图所示，在竖直虚线MN和M′N′之间区域内存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场，一带电粒子（不计重力）以初速度v0由A点垂直MN进入这个区域，带电粒子沿直线运动，并从C点离开场区。如果撤去磁场，该粒子将从B点离开场区；如果撤去电场，该粒子将从D点离开场区。则下列判断正确的是 （ ）
A．该粒子由B、C、D三点离开场区时的动能相同
B．该粒子由A点运动到B、C、D三点的时间均不相同
C．匀强电场的场强E与匀强磁场的磁感应强度B之比
D．若该粒子带负电，则电场方向竖直向下，磁场方向垂直于纸面向外
5、如图所示，两平行金属板中间有相互正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度为E，磁感应强度为B，一质子沿极板方向以速度v0从左端射入，并恰好从两板间沿直线穿过。不计质子重力，下列说法正确的是（ ）
A．若质子以小于v0的速度沿极板方向从左端射入，它将向上偏转
B．若质子以速度2v0沿极板方向从左端射入，它将沿直线穿过
C．若电子以速度v0沿极板方向从左端射入，它将沿直线穿过
D．若电子以速度v0沿极板方向从左端射入，它将沿直线穿过
6、如图7所示，两平行、正对金属板水平放置，使上面金属板带上一定量正电荷，下面金属板带上等量的负电荷，再在它们之间加上垂直纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子以初速度沿垂直于电场和磁场的方向从两金属板左端中央射入后向上转。若带电粒子所受承力可忽略不计，仍按上述方式将带电粒子射入两板间，为使其向下偏转，下列措施中一定不可行的是 （ ）
A．仅增大带电粒子射入时的速度
B．仅增大两金属板所带的电荷量
C．仅减小粒子所带电荷量 D．仅改变粒子的电性
7、右图是磁流体发电机的原理示意图，金属板M、N正对着平行放置，且板面垂直于纸面，在两板之间接有电阻R。在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场。当等离子束（分别带有等量正、负电荷的离子束）从左向右进入极板时，下列说法中正确的是
A．N板的电势高于M板的电势 B．M板的电势高于N板的电势
C．R中有由b向a方向的电流 D．R中有由a向b方向的电流
8、为了测量某化肥厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧面固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U．若用Q表示污水流量 (单位时间内排出的污水体积)，下列说法正确的是 ( )
A．若污水中正离子较多，则前内侧面比后内侧面电势高
B．前内侧面的电势一定低于后内侧面的电势，与哪种离子多无关
C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大
D．污水流量Q与电压U成正比，与a、b有关
9、如图所示，在带电平行板中间，匀强电场竖直向上，匀强磁场方向垂直纸面向里．某带电小球从光滑绝缘轨道上的a点自由下滑，经过轨道端点p进入板间后恰好沿水平方向做 直线运动．现使小球从稍低些的b点开始自由滑下，在经p点进入板间的运动过程中（ ）
A．其动能将会减小 B．其动能将会增大
C．小球所受洛伦兹力将会增大
D．小球所受电场力将会增大
10、右图为等离子体发电机原理的示意图，平行金属板间距为d，有足够的长度和宽度，其间有匀强磁场，磁感应强度为B，方向如图．等离子气流截面积为S，流速为υ，等效电阻r，负载电阻为R．等离子气流从一侧沿垂直于磁场且与极板平行的方向射入极板间．（开关闭合）
试求：（1）该发电机的电动势E；（2）该发电机的总功率P．
11、如图，空间存在水平向左的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，电场和磁场相互垂直。在电磁场区域中，有一个竖直放置的光滑绝缘圆环，环上套有一个带正电的小球。O点为圆环的圆心，a、b、c为圆环上的三个点，a点为最高点，c点为最低点，Ob沿水平方向。已知小球所受电场力与重力大小相等。现将小球从环的顶端a点由静止释放。下列判断正确的是
A．当小球运动的弧长为圆周长的1/4时，洛仑兹力最大
B．当小球运动的弧长为圆周长的1/2时，洛仑兹力最大
C．小球从a点到b点，重力势能减小，电势能增大
D．小球从b点运动到c点，电势能增大，动能先增大后减小
12、图是质谱仪工作原理的示意图。带电粒子a、b经电压U加速（在A点初速度为零）后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分别打在感光板S上的x1、x2处。图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则
A．a的质量一定大于b的质量
B．a的电荷量一定大于b的电荷量
C．a运动的时间大于b运动的时间
D．a的比荷（q a /ma）大于b的比荷（qb /mb）
13、在如图所示的空间中，存在场强为E的匀强电场，同时存在沿x轴负方向，磁感应强度为B的匀强磁场。一质子(电荷量为e)在该空间恰沿y轴正方向以速度v匀速运动。据此可以判断出
A．质子所受电场力大小等于eE，运动中电势能减小;沿z轴正方向电势升高
B．质子所受电场力大小等于eE，运动中电势能增大;沿z轴正方向电势降低
C．质子所受电场力大小等于evB，运动中电势能不变;沿z轴正方向电势升高
D．质子所受电场力大小等于evB，运动中电势能不变;沿z轴正方向电势降低
14、如图所示的虚线区域内，充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场。一带电粒子a（不计重力）以一定的初速度由左边界的O点射入磁场、电场区域，恰好沿直线由区域右边界的O′点（图中未标出）穿出。若撤去该区域内的磁场而保留电场不变，另一个同样的粒子b（不计重力）仍以相同初速度由O点射入，从区域右边界穿出，则粒子b
A．穿出位置一定在O′点下方 B．穿出位置一定在O′点上方
C．运动时，在电场中的电势能一定减小 D．在电场中运动时，动能一定减小
15、如图所示，MN、PQ是平行金属板，板长为L，两板间距离为d，PQ带正电,MN板带负电,在PQ板的上方有垂直纸面向里的匀强磁场。一个电荷量为q、质量为m的带负电粒子以速度v0从MN板边缘沿平行于板的方向射入两板间，结果粒子恰好从PQ板左边缘飞进磁场，然后又恰好从PQ板的右边缘飞进电场。不计粒子重力。试求：
（1）两金属板间所加电压U的大小；
（2）匀强磁场的磁感应强度B的大小；
（3）在图中正确画出粒子再次进入电场中的运动轨迹，并标出粒子再次从电场中飞出的速度方向。
16、如图所示，在y>0的区域内有沿y轴正方向的匀强电场，在y<0的区域内有垂直坐标平面向里的匀强磁场。一电子（质量为m、电量为e）从y轴上A点以沿x轴正方向的初速度v0开始运动。当电子第一次穿越x轴时，恰好到达C点；当电子第二次穿越x轴时，恰好到达坐标原点；当电子第三次穿越x轴时，恰好到达D点。C、D两点均未在图中标出。已知A、C点到坐标原点的距离分别为d、2d。不计电子的重力。求（1）电场强度E的大小；（2）磁感应强度B的大小；（3）电子从A运动 到D经历的时间t．
17、如图所示，一带电微粒质量为m=2.0×10-11kg、电荷量q=+1.0×10-5C，从静止开始经电压为U1=100V的电场加速后，水平进入两平行金属板间的偏转电场中，微粒射出电场时的偏转角θ=30o，并接着进入一个方向垂直纸面向里、宽度为D=34.6cm的匀强磁场区域。已知偏转电场中金属板长L=20cm，两板间距d=17.3cm，重力忽略不计。求：
⑴带电微粒进入偏转电场时的速率v1；
⑵偏转电场中两金属板间的电压U2；
⑶为使带电微粒不会由磁场右边射出，该匀强磁场的磁感应强度B至少多大？
18、如图所示，直角坐标系在一真空区域里，y轴的左方有一匀强电场，场强方向跟y轴负方向成θ=30o角，y轴右方有一垂直于坐标系平面的匀强磁场，在x轴上的A点有一质子发射器，它向x轴的正方向发射速度大小为v=2.0×106m/s的质子，质子经磁场在y轴的P点射出磁场，射出方向恰垂直于电场的方向，质子在电场中经过一段时间，运动到x轴的Q点。已知A点与原点O的距离为10cm，Q点与原点O的距离为(20-10)cm，质子的比荷为，不计质子的重力。求：
磁感应强度的大小和方向；
质子在磁场中运动的时间；
电场强度的大小。
19、如图4，质量为1g的小环带4×10-4C的正电，套在长直的绝缘杆上，两者间的动摩擦因数μ＝0.2。将杆放入都是水平的互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，杆所在平面与磁场垂直，杆与电场的夹角为37°。若E＝10N／C，B＝0.5T，小环从静止起动。求：(1)当小环加速度最大时，环的速度和加速度；(2)当小环的速度最大时，环的速度和加速度
20、如图，在平面直角坐标系xOy内，第Ⅰ象限存在沿y轴负方向的匀强电场，第Ⅳ象限以ON为直径的半圆形区域内，存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子，从y轴正半轴上y = h处的M点，以速度v0垂直于y轴射入电场，经x轴上x = 2h处的P点进入磁场，最后以垂直于y轴的方向射出磁场。不计粒子重力。求（1）电场强度大小E ；（2）粒子在磁场中运动的轨道半径r； （3）粒子从进入电场到离开磁场经历的总时间t。
21、如图所示，坐标系xOy在竖直平面内，空间有沿水平方向、垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。在x>0的空间内有沿x轴正方向的匀强电场，场强为E。一个带正电荷的小球经过图中x轴上的M点，沿着与水平方向成θ=30o角的斜向下的直线做匀速运动，经过y轴上的N点进入x<0的区域内。要使小球进入x<0区域后能在竖直面内做匀速圆周运动，需在x<0区域内另加一匀强电场。若带电小球做圆周运动通过y轴上的P点（P点未标出），重力加速度设为g， 求：
⑴小球运动的速度大小； ⑵在x<0的区域内所加电场的场强大小和方向； ⑶小球从N点运动到P点所用的时间。
22、如图甲所示，MN为一竖直放置的足够大的荧光屏，O为它的中点，OO′与
荧光屏垂直，且长度为。在MN的左侧O′O空间内存在着方向竖直向下的匀强电场，场强大小为E。乙图是从甲图的左侧去看荧光屏得到的平面图，在荧光屏上以O为原点建立如图乙的直角坐标系。一细束质量为m、电荷为e的电子以相同的初速度从O′点O′O方向射入电场区域。电子的重力和电子间的相互作用都可忽略不计。（1）求电子打在荧光屏上亮点的位置坐标。（2）若在MN左侧O′O空间内再加一个匀强磁场，使得荧光屏上的亮点恰好位于原点O处，求这个磁场的感应强度B的大小和方向。
（3）如果保持（2）问中磁感应强度不变，但把电场撤去，粒子仍能达到荧光屏上，求荧光屏上的亮点的位置坐标及从O′到荧光屏所需要的时间（若，则可用反三角函数表示为）。
23、如图12所示为一真空示波管的示意图，电子从灯丝K发出（初速度可忽略不计），经灯丝与A板间的电压U1加速，从A板中心孔沿中心线KO射出，然后进入两块平行金属板M、N形成的偏转电场中（偏转电场可视为匀强电场），电子进入M、N间电场时的速度与电场方向垂直，电子经过电场后打在荧光屏上的P点。 已知M、N两板间的电压为U2，两板间的距离为d，板长为L，电子的质量为m，电荷量为e，不计电子受到的重力及它们之间的相互作用力。
（1）求电子穿过A板时速度的大小；
（2）求电子从偏转电场射出时的侧移量；
（3）若要使电子打在荧光屏上P点的上方，可采取哪些措施？
24、如图所示的装置，左半部为速度选择器，右半部为匀强的偏转电场。一束同位素离子流从狭缝S1射入速度选择器，能够沿直线通过速度选择器并从狭缝S2射出的离子，又沿着与电场垂直的方向，立即进入场强大小为的偏转电场，最后打在照相底片上。已知同位素离子的电荷量为(＞0)，速度选择器内部存在着相互垂直的场强大小为的匀强电场和磁感应强度大小为的匀强磁场，照相底片与狭缝S1、S2的连线平行且距离为，忽略重力的影响。
(1)求从狭缝S2射出的离子速度的大小；(2)若打在照相底片上的离子在偏转电场中沿速度方向飞行的距离为，求出与离子质量之间的关系式(用、、、、、L表示)。
25、右图中左边有一对平行金属板，两板相距为d，电压为V；两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为B0，方向与金属板面平行并垂直于纸面朝里，图中右边有一半径为R、圆心为O的圆形区域，区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面朝里。一电荷量为q的正离子沿平行于金属板面、垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿同一方向射出平行金属板之间的区域，并沿直径EF方向射入磁场区域，最后从圆形区域边界上的G射出，已知弧GF所对应的圆心角为。不计重力，求：
（1）离子速度的大小；
（2）离子的质量。
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