带电粒子在磁场中运动规律的可视化研究

针对带电粒子在磁场中的运动规律比较抽象、不容易被学生理解的问题,本文建立了带电粒子在磁场中的运动方程,利用Matlab强大的绘图功能,模拟仿真了带电粒子在磁场中的运动情况,形象地展示了带电粒子在均匀磁场和非均匀磁场中的运动轨迹,帮助学生直观地理解运动规律。仿真条件的多样性,为进一步演示和深入研究带电粒子在不同条件下的运动规律创造了条件,同时,通过数值求解微分方程法,解决了更为复杂的实际问题。通过对磁场的可视化研究,有助于触发学生的想象力,引导学生深入探究物理规律,提高课堂教学效果。     

从“ 两个半径的大小关系”入手分析 带电粒子在圆形磁场中的运动

带电粒子在磁场中的运动涉及到的物理知识和方法较多, 学生在运动情境的再现和几何关系的寻找上 更是感到非常困难. 这其中尤其以圆形磁场中的运动问题较难, 涉及到两个圆及圆与边的复杂的关系, 对粒子运动 的约束条件较为隐蔽, 此类问题学生感到无从下手. 本文从圆形磁场区域半径R和带电粒子轨迹半径r的大小关系 入手, 详细梳理了粒子在圆形磁场区域中运动的特点, 并在解决两个难解例题中加以了应用     

坐标原点平移法处理带电粒子 在交变电场中的运动问题

利用物理图像以及坐标原点平移法来解决带电粒子在交变电场中的运动问题, 使学生对复杂过程一 目了然, 缩短了解题时间, 提高了得分率     

谈回旋加速器中带电粒子在磁场中运动轨迹的间距问题

我们都知道回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,带电粒子在两个D型盒间的交变电场中做加速运动,在D型盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动,各种教材都给出了带电粒子在回旋加速器中运动的图示.笔者研究了各种教材中所画的图示(图1).发     

利用虚光子散射对回旋脉塞自发辐射的分析

利用电磁场变换分析了带电粒子在磁场中的螺旋运动,基于康普顿散射理论和多普勒公式分析了虚光子与带电粒子的康普顿散射,并推导了在磁场中做螺旋运动的带电粒子的自发辐射波长公式.结果表明,当带电粒子在回旋脉塞的磁场中作螺旋运动时,在粒子静止系中可以观察到运动的周期性变化电场和磁场,即运动的虚光子.通过与带电粒子发生康普顿散射,虚光子能够转化为实光子辐射出去.     

磁场旋度对磁场漂移的影响

讨论了静态非均匀磁场中的磁场旋度对带电粒子引导中心漂移的影响。运用三维矢量分析的方法,将带电粒子垂直于磁场运动所引起的磁场漂移分为两项,分别由磁场的曲率和磁场的旋度决定。给出了螺旋状环形磁场中由磁场旋度引起的磁场漂移的近似表达式,讨论了该漂移成分对于该磁场中通行粒子轨道和捕获粒子轨道的可能影响。结果表明,带电粒子垂直于磁场运动所引起的磁场漂移主要由磁场的曲率决定,而磁场旋度对该漂移的影响比较微弱。     

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讨论了静态非均匀磁场中的磁场旋度对带电粒子引导中心漂移的影响。运用三维矢量分析的方法,将带电粒子垂直于磁场运动所引起的磁场漂移分为两项,分别由磁场的曲率和磁场的旋度决定。给出了螺旋状环形磁场中由磁场旋度引起的磁场漂移的近似表达式,讨论了该漂移成分对于该磁场中通行粒子轨道和捕获粒子轨道的可能影响。结果表明,带电粒子垂直于磁场运动所引起的磁场漂移主要由磁场的曲率决定,而磁场旋度对该漂移的影响比较微弱。     

带电粒子在交变磁场中运动问题的分析策略

在解析带电粒子在交变磁场中运动的对称性和周期性特点的基础上,以2014年的两道高考题为例,阐述带电粒子在交变磁场中运动问题的分析思路.     

带电粒子在非均匀磁场中运动的教学设计

从大学物理的教学目的出发,对带电粒子在轴对称非均匀磁场中的运动进行了教学设计．带电粒子在均匀磁场中的运动是基础,分析轴对称非均匀磁场的特点是重点、难点,磁约束概念的讲解是结果．所贯穿的教学方法是问题式的引导,设计的特点是：将物理学中经常用到的处理问题的方法“近似”巧妙地应用到“带电粒子在轴对称非均匀磁场中运动”的分析之中,使复杂问题简单化．     

带电粒子在磁镜中运动的模拟

通过构造一个磁约束磁场来研究带电粒子在该磁场中的运动.通过理论分析和数值计算模拟了磁镜中带电粒子的运动,并将计算结果可视化.     

离子漩涡--带电粒子在复合场中的运动

带电粒子在复合场中的运动在日常生活中学生难得一见;阴极射线管能很好地向学生展示电子在磁场和电场中的运动.但要演示电子在复合场中的运动时,阴极射线管在操作上存在困难.我们设计的这一实验操作简单、现象明显、说服力强,能很好地向学生展示带电粒子在复合场中的运动.     

带电粒子在磁场中运动的几个特征及应用

对带电粒子在磁场中的运动问题,学生对直接用公式解题,一般尚能应付. 但对于较复杂的问题,往往显得办法不多,束手无策.本文介绍几个有关特征,供学生解题时应用.1 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的几个基本特征     

例析有界磁场中的对称特性

带电粒子在有界匀强磁场中的运动是高中物理的难点,也是历年高考的重点和热点.带电粒子在磁场中的运动轨迹是圆周(或圆弧).圆是中心对称图形,因而,充分利用带电粒子运动轨迹的对称性解决此类问题,往往会收到事半功倍的效果.现将带电粒子在有界磁场中做匀速圆周运动的对称特性总结     

2009年全国各地高考试题赏析——带电粒子在磁场中运动问题

带电粒子在磁场中的运动是历年高考中的重点内容之一.在2009年的全国各地高考试卷中,涉及带电粒子在磁场中运动的问题很多,题型新颖,构思巧妙、灵活,题材也较丰富,并且以计算题为主.纵观这类题目,所涉及的情景基本相同,都是带电粒子在洛仑兹力作用下在磁场中做匀速圆周运动,但题目往往拟定不同的题设条件,从多角度提出问题,多层次考查知识和能力.     

谈2011年高考全国理综卷中的一道命题——带电粒子在复合场中的运动

带电粒子在电磁场中的运动是高考的一个重要内容,因为该理论经常被用到现代科技和生产生活中．高考试题主要考查学生对带电粒子在电场中和磁场中的受力分析及对物体运动情况的判断．试题经常以电场和磁场叠加的形式出现,也就是所谓的“复合场”．2011年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试Ⅱ卷第25题考查的就是带电粒子在复合场中的运动．但该题没有考虑清楚实际的物理情境,在电场的边界模型上出现了问题．     

从三个层次突破高考最后一题

带电粒子在磁场中的运动是历年高考考查的重点,各地高考往往将它作为压卷题,具有较高的区分度．由于在平时学习中学生没有及时、有效地归纳,临场找不到恰当的解题方法而心生畏惧,加之在两个半小时内要完成物理、化学、生物三门学科组成的理综考试,时间显得尤为紧迫．如何在短时间内迅速找到突破口一直是困扰广大师生的难题．本文从三个层次分析带电粒子在磁场中运动题型,并给出相应对策,以期对学生、教师有所帮助．     

巧用已知图形突破作图难关

高中物理中有两个作图的难关,一个是根据两点振动情况,画简谐波波形求解波长的问题;另一个是根据带电粒子在两个点的运动情况,画出带电粒子在有界磁场中运动轨迹,确定带电粒子运动轨迹圆的半径,进而求解粒子速度和运动时间的问题.完整的简谐波的波形是一个正弦或余弦函数的图像;带电粒子在磁场中的运动轨迹是一个圆.但是在受到两个点的限制下,需要画的不是完整的图形或图像.如果先画出完整的图形或图像,再在图像上取满足题目条件的点,作图就显得很容易,问题解决起来就比较轻松.     

带电粒子在交叉电磁场中运动的受力分析

在学习电磁学时,带电粒子在交叉电磁场中的运动是一个有趣的问题。这里所谓交叉电磁场,是指均匀恒定并且相互垂直的电场和磁场,假定粒子的速度与磁场垂直。初看起来,似乎带电粒子会在垂直于磁场的平面内作圆周运动,同时沿电场方向作匀加速运动,整个运动是这两种运动的合成。然而这种看法是错误的。通过解运动方程可以证明[1],实际的运动是垂直于磁场的平面上的圆周运动和垂直于(而不是平行于)电场的匀速(而不是匀加速)运动的合成。 为了深刻理解发生上述运动的物理原因,下面来进行这一问题的受力分析。 (一)受力分析 会磁场压指向S轴,(垂直…     

借助几何画板探析2011年高考福建理综物理压轴题

建立了带电粒子在电场和磁场中运动的参数方程,借助"几何画板"5.00制作了带电粒子运动的摆线动画,讨论了初速度对带电粒子运动轨迹形状的影响,指出了2011年高考福建理综物理压轴题的瑕疵.     

离子旋涡——带电粒子在复合场中的运动

带电粒子在复合场中的运动在日常生活中学生难得一见；阴极射线管能很好地向学生展示电子在磁场和电场中的运动．但要演示电子在复合场中的运动时，阴极射线管在操作上存在困难，我们设计的这一实验操作简单、现象明显、说服力强，能很好地向学生展示带电粒子在复合场中的运动．