高中物理磁场相关知识在必修一和选修3-2中都有涉及^[2]^。
在必修一中的内容主要包括电流的磁场、磁感应强度以及磁感线等;而在选修3-2中的内容主要包括洛伦兹力,带电粒子在匀强磁场中的运动等。磁场是存在于磁体周围的空间,在磁场中某一点,磁场方向与放在该点的磁针北极所受的磁力方向相同,与放在该点的电流元受到的力方向相同^[1]^。
题目:一个电子在匀强磁场中以一定的速度运动,磁场方向垂直于电子的的运动平面。已知电子的质量为m,电量为e,磁感应强度为B,运动轨迹如右图所示,请回答下列问题:
(1)请在图中画出电子所受洛伦兹力f的方向;
(2)求出电子在磁场中的速度大小v;
(3)求出电子在磁场中运动的周期T。
解析:
(1)根据左手定则可知,电子所受洛伦兹力f的方向垂直于运动平面且指向圆心。
(2)根据洛伦兹力提供向心力可得:$evB = m\frac{v^{2}}{r}$,其中$r$为电子做圆周运动的半径。由图可知,电子做圆周运动的半径为$r = \frac{mv}{eB}$,代入上式可得电子在磁场中的速度大小为$v = \frac{eB}{m}$。
(3)由于电子在磁场中做匀速圆周运动,因此其运动的周期为$T = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi m}{eB}$。
答案:(1)电子所受洛伦兹力f的方向垂直于运动平面且指向圆心。
(2)$v = \frac{eB}{m}$
(3)$T = \frac{2\pi m}{eB}$
这个例题主要考察了磁场的概念以及洛伦兹力的应用,通过求解电子在磁场中的速度和周期,加深了对磁场性质的理解。