賞析2013年“北約”自主招生物理第10題

王大春

2013年“北約”自主招生第10題考查了帶電粒子在復合場中的運動問題，題目如下：如圖1所示，水平面上方某一足夠大的空間存在水平向里的勻強磁場，磁感應強度大小為B，現從磁場中的A點垂直于磁場方向水平發射一個帶電粒子，質量為m，電荷量為q，考慮粒子的重力，問：（1）如果粒子從A水平運動到C，AC距離為L，求粒子的速度v0大小？（2）如果速度不滿足上問時，粒子速度無論多大都能到達C點，試求AC的距離L應該滿足的條件？A到C的時間為多少？（3）如果初速度為0，問是否可能到達C點，在此過程中，最大速度為多少？

一、物理分析

第（1）問：粒子沿直線由A運動到C，則要求重力和洛倫茲力平衡，有mg=qv0B，解得v0=■，粒子帶正電.

第（2）問：由于v≠v0=■，在運動過程中粒子受到的洛倫茲力f=qvB的大小和方向都在改變，帶電粒子將在復合場（重力場和磁場）中做變加速曲線運動，運用常規的運動分解方法無法解決問題.

此問中要求無論初速度v多大時，粒子均能到達C點，需要對初速度的方向和大小進行分類討論，如v<0、0≤v<■、v>■時的粒子運動情形進行分析，能夠很好地考查學生對擺線運動情形的掌握程度和思維的嚴密程度.下面以v>■時的運動情形為例進行分析，其余的運動情形在將在后文中運用MATLAB軟件進行編程模擬繪圖分析.

當v>v0時，如圖2所示，將初速度v分解為同一直線上的v0和v′，使■=■0+■′，洛倫茲力■=q■B=q■0B+q■′B，若使f0=qv0B=mg，即v0產生的洛倫茲力與重力相平衡，將粒子的變加速曲線運動分解為以速度v0的勻速直線運動和在洛倫茲力f′=qv′B作用下的勻速圓周運動，例如，當v′

粒子做擺線運動時，處于軌跡的最低點時，v0與v′同向，當處于軌跡的最高點時，v0與v′反向，運動的周期T=■，一個周期前進的距離為d=v0T=■，與粒子初速度的大小無關.當A、C間距離為d的整數倍時，即當L=nd=■（n∈Z）時，粒子能夠到達C點.

第（3）問：粒子的初速度為0時，為了平衡重力，可將初速度0分解為0=v0-v0，此時粒子的軌跡如圖4所示，一個周期前進的距離d=v0T=■，故能夠到達C點，運動過程中速度的最大值位于軌跡的最低點處，vm=v0+v0=2■.

二、數學推導

如圖5所示，以A指向C的方向為x軸正向，豎直向上為y軸正向，將粒子的變加速曲線分解為x和y方向的直線運動，■=■x+■y，洛倫茲力■=■x+■y=q■yB+q■xB，x方向受到的合力Fx=-q■yB，y方向受到的合力為Fy=-mg+q■xB，由牛頓第二定律可列如下的微分方程：

x方向：-q■yB=m■①；y方向：q■xB-mg=m■②；由①、②兩式得：■=-（■）2vy，令？棕=■，則■=-？棕2vy，此式為二階齊次常微分方程，通解為vy=C1cos？棕t+C2sin？棕t，由初始條件t=0，vy=0，得C1=0，vy=C2sin？棕t.代入②式得qvxB-mg=C2m？棕sin？棕t，由初始條件t=0，vx=v，得C2=v-■，則有

vy=（v-■）sin？棕t；vx=■-（v-■）cos？棕t；令v0=■，得：

vy=（v-v0）sin？棕t③；vx=v0-（v-v0）cos？棕t④.

帶電粒子的位置坐標：

x=■vxdt=v0t-■（v-v0）sin？棕t⑤；y=■vydt=■（v-v0）（1-cos？棕t）⑥；

令R=■，k=■，⑤、⑥兩式簡化為：

x=R[？棕t-（k-1）sin？棕t]⑦；y=R（k-1）（1-cos？棕t）⑧；

⑦、⑧兩式為數學中擺線的參數方程，由數學知識可知，粒子的運動周期T=■=■，一個周期內前進的距離d=2πR=■，與速度構造法得到的結論相同.

三、軟件模擬

粒子做擺線運動的軌跡與k=■的值有關，即與初速度的大小和方向有關.下面運用MATLAB軟件對-2≤k≤4（負號表示初速度沿x軸負向）范圍內的軌跡進行編程模擬繪圖.

令R=（■）2g=10，則？棕=■=1，周期T=■=2π.

程序：

syms R w t k x y；

R=10；w=1；

for k=-2：0.5：4

x=R*（w*t+（k-1）*sin（w*t））；

y=R*（k-1）*（1-cos（w*t））；

ezplot（x，y，[-2pi，2pi]）；

hold on；

end

程序運行后得到如圖6所示的不同初速度（k）時粒子的運動軌跡，由運動軌跡圖可以直觀地看出無論初速度v的大小為多少，方向與x軸正向相同與否，粒子在一個周期內沿x軸正向前進的距離都相等，形象地呈現了第（2）問中粒子的運動情形.下面對一個周期內粒子的做擺線運動情形進行簡要說明：

■

（1）如圖6（a）所示，當k<0時，即粒子初速度沿x軸負向時，粒子在x軸下方做長幅運動，初速度越大，幅度越大，一個周期內粒子沿x軸正向前進相同的距離；當k=0時，即初速度v=0時，粒子做的運動是本題第（3）問中的情形.

（2）如圖6（b）所示，當0

（3）如圖6（c）所示，當1

（4）如圖6（d）所示，當k>2時，即初速度v>■時，粒子在x軸上方做回旋式的長幅運動.

本題是帶電粒子在復合場中運動的一類特殊而古老的問題——“擺線”運動問題，在1996年第13屆全國高中物理競賽決賽第2題、2008年江蘇高考第14題和2011年福建高考第22題均對此類問題進行了不同角度的考查，此類問題能力立意高，能充分考查學生的分析綜合能力，有利于優秀人才的選拔，因此受到各級考試命題專家的青睞.本文先運用中學階段的物理方法對本題進行分析，再運用數學方法推導帶電粒子“擺線”運動的軌跡方程，并利用計算軟件MATLAB對本題中的運動軌跡進行繪制，以加深對此類問題的理解.

（作者單位 江蘇省南通市海門中學）

？誗編輯 陳鮮艷