这类问题在简单试题中最常见,也是很多复杂题目解题的关键步骤。例如2017年全国2卷选择题第18题、2016年海南高考卷计算题第14题。这类问题找圆心、定半径是关键。找圆心需要作图,画垂线。求解半径通常用平面几何知识、勾股定理、余弦定理、正弦定理、特殊角的正余弦值等。
多轨迹问题
粒子的电性和磁场的方向的不确定性,运动的周期性,还有临界状态的不唯一等都会造成粒子运动轨迹的多种可能。多轨迹问题一般出现在计算题中,例如2014年重庆高考卷计算题第9题、2014年四川高考卷计算题第11题。
复合场问题
复合场包括:磁场和电场共存的场、电场和重力场共存的场、磁场与重力场共存的场、磁场电场重力场三者共存的场。复合场的组成主要有组合场、叠加场和变化的复合场三种类型。
组合场的电场和磁场通常是分开的。实际应用如质谱仪、速度选择器、D形盒回旋加速器。也可以是分开的不同强度的磁场和磁场,如2017年全国卷3第24题。变化的复合场问题综合性最强,一般较复杂,通常出现在高考计算题中。受力分析时应判定是否存在重力、电场力、洛伦兹力。通常考查动量定理、动能定理、圆周运动、匀变速直线运动、类平抛运动。例如2013年江苏高考卷计算题第15题。
数列问题
应用数学问题处理物理的能力是高考物理考查的五个基本能力之一,数学中的等差数列、等比数列、特殊数列求和等经常会应用到带电粒子在磁场中的运动问题。如果带电粒子在磁场中的运动问题考查到数列,这个题目一般都有较大的难度,通常出现在高考最后一道压轴题上。如2011年重庆高考卷压轴题第12题考查了等比数列,2015年天津卷压轴题第12题考查了等差数列。
1、带电粒子在磁场中运动问题的核心
带电粒子在磁场中运动仅受洛伦兹力时,洛伦兹力的方向与速度方向垂直,不做功,即不改变速度大小。如果仅考虑洛伦兹力,则粒子做匀速圆周运动运动。在运动学部分,高中物理仅研究匀速圆周运动的运动规律。所以,只受洛伦兹力的情况下,粒子的轨迹是圆或圆的一部分弧。题目中具体会考查圆的圆心角、切线、弦、相交、相切等知识点。所以,带电粒子在磁场中的运动类试题很多都来源于平面几何模型。这类问题的关键在于找圆心、定半径。常涉及到的几何关系有直线与圆的关系、圆与圆的关系。
2、命题思路
命制电磁学试题的方法有很多,可以从复杂的电磁学原理简化而来,如2013年上海卷32题。也可以从实际生活中的应用而来,如2015年江苏卷13题。但带电粒子的运动问题更多的来源于平面几何模型。这里着重介绍应用平面几何知识命制高中物理带电粒子在磁场中运动试题的思路。
首先找到涉及直线与圆的求解证明等几何类题目,然后解题,最后根据几何题目命制成物理中带电粒子在磁场中运动的试题。命制时应考虑如下问题:题目中运动的对象是带电粒子,运动的环境有磁场。基本粒子如电子、质子、离子等不考虑重力,但是带电液滴、带电小球等物体需要考虑重力。如果仅仅存在磁场,带电体只能是基本粒子才能做匀速圆周运动。平面几何中的直线可以看成是粒子满足合外力为零的情况下的运动轨迹,或者是匀变速直线运动的轨迹。平面几何中的圆或者圆的一部分圆弧,可以看成是粒子仅受洛伦兹力时运动的轨迹。平面几何中的组合图形可以看成是粒子多个运动的轨迹。