带电体在复合场中的类平抛运动模型赏析

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  带电粒子在电场、磁场、重力场中的运动,简称带电粒子在复合场中的运动.由于洛伦兹力大小、方向随着速度的变化而变化的特点,这类运动一般具有较复杂的运动图景.
  一、在竖直方向的平抛运动
  如图1所示:匀强磁场的磁感应强度为B,方向竖直向上,将质量为m的带电量为+q的小球以初速度为v0水平抛出,设外加匀强电场的电场强度为E,方向垂直纸面向里.
  图1 图2
  讨论:由左手定则可知:小球在水平垂直纸面向外受洛伦兹力作用,大小为
  F洛=qv0B,在垂直纸面向里受电场力作用,大小为F电=qE,竖直向下受重力作用,G=mg,如图2示(左视图),若
  qv0B=qE
  ,即水平方向合力为0,速度保持不变,竖直向下只受重力,则加速度为重力加速度g,因此小球做竖直方向的平抛运动,竖直速度增加,但对洛伦兹力无影响.若小球带负电,则洛伦兹力、电场力均反向,情况同上.
  二、在水平方向的平抛运动
  图3
  如图3所示:匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,将质量为m的带电量为+q的小球以初速度为v0水平抛出,设外加匀强电场的电场强度为E,方向垂直纸面向外.
  讨论:由左手定则可知:小球在竖直向上受洛伦兹力作用,大小为
  F洛=qv0B,在垂直纸面向外受电场力作用,大小为F电=qE,竖直向下受重力作用,G=mg,如图4示(左视图),若
  qv0B=mg,即竖直方向合力为0,速度保持不变,水平方向只受电场力qE,则加速度为重力加速a=qE/m,因此小球水平向外做平抛运动,垂直于纸面向外速度增加,但对洛伦兹力无影响.
  当小球带负电时,匀强磁场方向必须垂直纸面向外且满足qv0B=mg,则小球垂直纸面向里做平抛运动.
  图4 图5
  三、在与水平面成一定夹角的平面内做平抛运动
  如图5所示,在与水平方向成θ角的斜向上的匀强磁场中,以初速度为v0与磁场方向垂直抛出一个质量为m,带电量为+q的小球.
  讨论1:作正面投影图如图6所示,由左手定则可知,小球受到洛伦兹力F洛=qv0B,方向垂直于磁感线斜向上,重力mg,竖直向下,将重力沿垂直及平行于磁感线分解,不难发现:当qv0B=mg·cosθ时,小球所受合外力为
  F合=mgsinθ,与初速度v0垂直,可见小球在与水平面成θ角的平面内做加速度为a=gsinθ的平抛运动.(若小球带负电,则只须将磁场反向,其条件不变)
  讨论2:若有外加匀强电场,当满足
  qv0B=mg·cosθ时,(1)当电场强度方向与磁场方向相反,小球所受合外力为 F合=qE+mg·sinθ,做加速度为a=
  (qE+mgsinθ)/m的平抛运动.(2)当电场强度方向与磁场方向相同,小球所受合外力恒为F合=|qE-mg·sinθ|,做加速度为a=
  |(qE-mgsinθ)/m|的平抛运动.
  图6 图7
  讨论3:若有外加匀强电场方向与匀强磁场方向不在同一直线上,设电场线与磁场线的夹角为α(如图7所示),将重力、电场力沿垂直及平行于磁感线分解,不难发现:当qv0B+qEsinα=mgcosθ时,小球所受合外力恒为
  F合=|mg·sinθ-qE·cosθ|,与初速度v0垂直,可见小球在与水平面成θ角的平面内做加速度恒为
  a=|(mg·sinθ-qE·cosθ)/m|的平抛运动.(与此种情景类似的模型还有其他情况,读者可以按同样的方法进行探究)
  综合上述分析:不难看出,不管重力或电场力是否做功,若带电粒子(体)在与匀强磁场的磁感线平行的平面内做平抛运动,尽管速度变化但洛伦兹力依然保持不变.因此带电粒子在复合场中做平抛运动是可能的.
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