探讨带电粒子在电、磁场中的运动

摘要：带电粒子在电、磁场中的运动是高中物理的难点.深入探讨带电粒子在电、磁拼接场及叠加场运动的应用，并辅以例题解析，以期帮助学生更好地掌握带电粒子在电、磁场中的运动规律，并为高中物理教学提供更丰富的教学资源.

关键词：带电粒子；电磁场；教学应用

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2024）25-0094-03

收稿日期：2024-06-05

作者简介：曹莉（1978.12—），女，江苏省苏州人，本科，中学高级教师，从事物理教学研究.

在高中物理学习过程中，学生对带电粒子在电、磁场中的运动问题往往感到困惑.为了帮助学生更好地理解和掌握这一知识点，本文着眼于带电粒子在拼接场和叠加场中的应用.通过分析回旋加速器、质谱仪、速度选择器等典型物理仪器的工作原理，揭示带电粒子在电、磁场中的运动规律，并对相关物理问题进行解析.

1带电粒子在拼接场运动的应用

1.1回旋加速器

回旋加速器是一种高效能的粒子加速装置，整个装置整体置于真空容器内，其核心构件是两个D形扁金属盒，分别连接在高频交变电源两极上，中间隔有一条细缝.这个缝隙内形成一个方向不断变化的交变电场，通过粒子源释放带电粒子，每当这些粒子经过缝隙时，都会被电场加速，进而实现能量的逐级提升.因此，回旋加速器主要是通过电场对粒子的加速和磁场对运动电荷的偏转，生成高能粒子.

点评解决本题的关键在于理解回旋加速器的工作原理和特性，即带电粒子在磁场中做圆周运动的周期与交流电场的周期相同，且当粒子圆周运动半径等于金属盒半径R时，其速度达到最大[1].

1.2质谱仪

具有相同核电荷数而不同质量数的原子互称同位素，质谱仪是一种用于分离各种元素的同位素并测量它们质量的仪器，其构成包括静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等部件.质谱仪利用磁场中相同速率或相同动能的带电粒子在轨迹上呈现出不同的偏转，从而实现对不同质量的粒子的分离.高考中关于质谱仪的主要考查方向是基于轨迹半径与粒子质量、比荷的关系进行分析.

点评本题目要求考生掌握粒子在电磁场中的运动规律.了解速度选择器的原理对于正确解答至关重要.

2带电粒子在叠加场运动的应用

2.1速度选择器

速度选择器涉及带电粒子在电磁复合场中的运动，其中粒子能够沿直线匀速通过叠加场区域.带电粒子通过速度选择器需要满足两个条件：一是粒子受到的电场力和洛伦兹力必须平衡；二是电场力对粒子不做功.而对于未能传出速度选择器的粒子，则可结合动能定理和动量定理进行处理[2].

点评本题主要考查带电粒子在有界磁场中的运动，解题的关键是要画出粒子轨迹过程图，找到临界几何条件，再运用洛伦兹力提供向心力与几何关系结合求解即可.

2.2电磁流量计、磁流体发电、霍尔效应

这类问题涉及电磁流量计、磁流体发电机和霍尔效应，共同原理在于带电粒子在磁场中受到洛伦兹力偏转，在垂直于其运动方向的两侧积累异种电荷，形成电场，达到稳定状态时洛伦兹力与电场力平衡，即qE=Bqv.

点评本题目要求学生掌握带电粒子在电场与磁场的复合场中的运动规律、感应电流的产生条件以及涡流等知识点.学生需要熟练理解磁偏转在现代科技中的应用及其基本原理[3].

3结束语

通过解析回旋加速器、质谱仪、速度选择器等带电粒子在电磁拼接场和叠加场中的具体应用，旨在帮助学生深化对带电粒子在电、磁场中运动规律的理解，并掌握解决相关物理问题的方法，使其在解题过程中更加得心应手.

参考文献：

［1］刘兴.带电粒子在电场中运动规律分类例析 [J].数理天地（高中版）， 2024（08）：18-19.

[2] 龚圣龙，杨天才.深度解析带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动的三条解题思路[J].中学生理科应试，2024（03）：35-36.

[3] 史建华.带电粒子（带电体）在电场中运动的综合问题[J].数理天地（高中版），2024（04）：12-13.

［责任编辑：李璟］