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1、學(xué)樂教育2010年秋季八年級(jí)物理一對(duì)一講義第七講 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(復(fù)合場(chǎng))(一)復(fù)習(xí)引入 問題1什么是洛倫茲力? 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力問題2帶電粒子在磁場(chǎng)中是否一定受洛倫茲力?不一定,洛倫茲力的計(jì)算公式為F=qvBsin,為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角,當(dāng)=90時(shí),F(xiàn)=qvB;當(dāng)=0時(shí),F(xiàn)=0.問題3帶電粒子垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢?帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)譜儀.(二)新課講解-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理,由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光,顯示出電子的徑跡。后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在暗室中可以清楚地看到
2、,在沒有磁場(chǎng)作用時(shí),電子的徑跡是直線;在管外加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)(這個(gè)磁場(chǎng)是由兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的),電子的徑跡變彎曲成圓形.分析得出結(jié)論當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力及運(yùn)動(dòng)情況分析(動(dòng)態(tài)課件).一是要明確所研究的物理現(xiàn)象的條件-在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。二是分析帶電粒子的受力情況,用左手定則明確帶電粒子初速度與所受到的洛倫茲力在同一平面內(nèi),所以只可能做平面運(yùn)動(dòng)。三是洛倫茲力不對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子做功,它的速率不變,同時(shí)洛倫茲力的大小也不變。四是根據(jù)牛頓第二定律,洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生加速度(向心加速度
3、).電子受到怎樣的力的作用?這個(gè)力和電子的速度的關(guān)系是怎樣的?(電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用.).洛倫茲力對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)有什么作用?(.洛倫茲力只改變速度的方向,不改變速度的大?。?有沒有其他力作用使電子離開磁場(chǎng)方向垂直的平面?(沒有力作用使電子離開磁場(chǎng)方向垂直的平面).洛倫茲力做功嗎?(洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功)1帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(1)、運(yùn)動(dòng)軌跡:沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子,粒子在垂直磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),此洛倫茲力不做功.【注意】帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供。使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),的軌道半徑r和周期T與粒子所帶電量
4、、質(zhì)量、粒子的速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系。一為帶電量q,質(zhì)量為m ,速度為v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,其半徑r和周期T為多大?問題1什么力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力?洛倫茲力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力問題2向心力的計(jì)算公式是什么?F=mv2/r推導(dǎo)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以 qvB=mv2/ r由此得出r= T=可得T=(2)、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑及周期公式.1、軌道半徑r = 2、周期T =2m/ qB【說明】:(1)軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比.(2)帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)
5、動(dòng)的周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無關(guān).【討論】:在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中如果帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向不和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直,它的運(yùn)動(dòng)軌道是什么樣的曲線?分析:當(dāng)帶電粒子的速度分別為垂直于B的分量v1和平行于B的分量v2,因?yàn)関1和B垂直,受到洛倫茲力qv1B,此力使粒子q在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),v1和B平行,不受洛倫茲力,故粒子在沿B方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng),可見粒子的運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng). 再用洛倫茲力演示儀演示例題如圖所示,一質(zhì)量為m,電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,最后打到底片D上. (1)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。(2)求粒子在磁場(chǎng)中
6、運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。注意:在解決這類問題時(shí),如何確定圓心、畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、半徑及圓心角,找出幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。 例題給我們展示的是一種十分精密的儀器-質(zhì)譜儀補(bǔ)充例題: 如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶電粒子(不計(jì)重力),從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中,并從B點(diǎn)射出,已知AOB=120,求該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。分析:首先通過已知條件找到所對(duì)應(yīng)的圓心O,畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并畫出幾何圖形。(3)、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題,回答以下問題:1.試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu).2.試述質(zhì)譜儀的工作原理.3.什么是同位素?4.質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計(jì)的?5.試述質(zhì)譜儀的主
7、要用途.閱讀后學(xué)生回答:1.質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏等組成.2.電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子,它們進(jìn)入磁場(chǎng)后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng),打到照相底片不同的地方,在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條,叫質(zhì)譜線,每一條對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量,從譜線的位置可以知道圓周的半徑r,如果再已知帶電粒子的電荷量q,就可算出它的質(zhì)量.3.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素.4.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).5.質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器,是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具.-2回旋加速器(1)直線加速器加速原理:利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電的粒子動(dòng)能增加,即qU =E
8、k直線加速器的多級(jí)加速:教材圖365所示的是多級(jí)加速裝置的原理圖,由動(dòng)能定理可知,帶電粒子經(jīng)N級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能,Ek=q(U1+U2+U3+U4+Un)直線加速器占有的空間范圍大,在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。(2)回旋加速器由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)核心部件為兩個(gè)D形盒(加勻強(qiáng)磁場(chǎng))和其間的夾縫(加交變電場(chǎng))加速原理:帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式T = 2m/q B,明確帶電粒子的周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān),從而理解回旋加速器的原理。歸納各部件的作用:(如圖) 磁場(chǎng)的作用:交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,在洛倫茲
9、力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān),帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)加速。電場(chǎng)的作用:回旋加速器的的兩個(gè)D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng),帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。交變電壓的作用:為保證交變電場(chǎng)每次經(jīng)過夾縫時(shí)都被加速,使之能量不斷提高,須在在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓。帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量:(運(yùn)動(dòng)半徑最大為D形盒的半徑R)由R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最終能量為 Em=mv2/2 = q2B2R2/2m討論:要提高帶電粒子的最終
10、能量,應(yīng)采取什么措施?(可由上式分析)例:1989年初,我國投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV;若改用直線加速器加速,設(shè)每級(jí)的加速電壓為U =2.0105V,則需要幾級(jí)加速?解:設(shè)經(jīng)n級(jí)加速,由neU=E 有 n=E/eU=1.4104(級(jí))后垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng),則這兩粒子的動(dòng)能之比Ek1Ek2_,軌道半徑之比r1r2_,周期之比T1T2_【例2】如圖1660所示,一束電子(電量為e)以速度v垂直射入磁感強(qiáng)度為B,寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,穿透磁場(chǎng)時(shí)速度方向與原來入射方向的夾角是30,則電子的質(zhì)量是_,穿透磁場(chǎng)的時(shí)間是_【例3】如圖1661所示,在屏上MN的
11、上側(cè)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一群帶負(fù)電的同種粒子以相同的速度v從屏上P處的孔中沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入磁場(chǎng)粒子入射方向在與B垂直的平面內(nèi),且散開在與MN的垂線PC的夾角為的范圍內(nèi),粒子質(zhì)量為m,電量為q,試確定粒子打在螢光屏上的位置【例4】如圖1662所示,電子槍發(fā)出的電子,初速度為零,當(dāng)被一定的電勢(shì)差U加速后,從N點(diǎn)沿MN方向出射,在MN的正下方距N點(diǎn)為d處有一個(gè)靶P,若加上垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),則電子恰能擊中靶P已知U、d,電子電量e,質(zhì)量m以及MNP,則所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)開,大小為_例. 設(shè)在地面上方的真空室內(nèi),存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)。已知電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是相同的,電
12、場(chǎng)強(qiáng)度的大小E4.0V/m,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B0.15T。今有一個(gè)帶負(fù)電的質(zhì)點(diǎn)以v20m/s的速度在此區(qū)域內(nèi)沿垂直場(chǎng)強(qiáng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),求此帶電質(zhì)點(diǎn)的電荷量與質(zhì)量之比q/m以及磁場(chǎng)的所有可能方向(角度可用反三角函數(shù)表示)。 例. 如圖所示,在y0的空間中存在勻強(qiáng)電場(chǎng),場(chǎng)強(qiáng)沿y軸負(fù)方向;在y0的空間中,存在勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直xy平面(紙面)向外。一電量為q、質(zhì)量為m的帶正電的運(yùn)動(dòng)粒子,經(jīng)過y軸上yh處的點(diǎn)P1時(shí)速率為v0,方向沿x軸正方向;然后,經(jīng)過x軸上x2h處的P2點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng),并經(jīng)過y軸上y-2h處的P3點(diǎn)。不計(jì)重力。求: (1)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。 (2)粒子到達(dá)P2時(shí)速度的大小和方向。
13、 (3)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 【模擬試題】 1. 如圖所示,虛線所示的區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一束速度大小各不相同的質(zhì)子正對(duì)該區(qū)域的圓心O射入這個(gè)磁場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)有的質(zhì)子在磁場(chǎng)里運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng),有的較短,其中運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的質(zhì)子( ) A. 入射的速度一定較大 B. 在該磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)路程一定較長(zhǎng) C. 在該磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度一定較大 D. 軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角較大 2. 如圖所示,左右邊界分別為PP、QQ的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的寬度為d,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直紙面向里,一個(gè)質(zhì)量為m、電量的數(shù)值為q的粒子,沿圖示方向以速度v0垂直射入磁場(chǎng)。欲使粒子不能從邊界QQ射出,粒子入射速度v0的最大值可能是( ) A.
14、B. C. D. 3. 如圖所示,兩電子沿MN方向射入兩平行直線間的勻強(qiáng)磁場(chǎng),它們分別以的速率射出磁場(chǎng),則_,通過勻強(qiáng)磁場(chǎng)所需時(shí)間之比_。 4. 關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是( ) A. 帶電粒子沿電場(chǎng)線射入,電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做正功,粒子動(dòng)能一定增加 B. 帶電粒子垂直電場(chǎng)線方向射入,電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子不做功、粒子動(dòng)能不變 C. 帶電粒子沿磁感線方向射入,洛侖茲力對(duì)帶電粒子做正功,粒子動(dòng)能一定增加 D. 不管帶電粒子怎樣射入磁場(chǎng),洛侖茲力對(duì)帶電粒子都不做功,粒子動(dòng)能不變 5. 如圖所示,長(zhǎng)方形區(qū)域存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一束速度不同的電子從O處沿與磁場(chǎng)垂直方向
15、射入磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直于邊界,若從a、b、c、d四處射出的電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為,則( ) A. B. C. D. 6. 如圖所示,是等離子體發(fā)電機(jī)示意圖,平行金屬板間勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.5T,兩板間距離d20 cm,要使輸出電壓為220V,則等離子體垂直射入磁場(chǎng)的速度v_,a是電源的_極。 7. 在圖中的虛線所圍的區(qū)域中,存在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。已知從左方水平射入的電子穿過這區(qū)域時(shí)未發(fā)生偏轉(zhuǎn),設(shè)重力不計(jì),則在這區(qū)域中的E和B的方向可能是( ) A. E和B都沿水平方向,并與電子運(yùn)動(dòng)的方向相反 B. E和B都沿水平方向,并與電子運(yùn)動(dòng)的方向相同 C. E豎直
16、向上,B垂直紙面向外 D. E豎直向上,B垂直紙面向里 8. 如圖所示,平行板電容器水平放置,連接的導(dǎo)線的一部分CD和另一連接電池的回路的一部分GH平行,CD和GH均在紙面內(nèi)。金屬板置于磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,當(dāng)一束等離子體射入兩金屬板之間時(shí),CD導(dǎo)線將受到力的作用,則當(dāng)( ) A. 等離子體從右方入射時(shí),CD受力方向背離GH B. 等離子體從右方入射時(shí),CD受力方向指向GH C. 等離子體從左方入射時(shí),CD受力方向背離GH D. 等離子體從左方入射時(shí),CD受力方向指向GH 9. 如圖,有一質(zhì)子以速度v穿過相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域沒有偏轉(zhuǎn),則( ) A. 若電子以相同的速度v射入該區(qū)域,
17、仍不會(huì)偏轉(zhuǎn) B. 無論是何種粒子,只要以相同的速度v射入,均不會(huì)偏轉(zhuǎn) C. 若質(zhì)子入射速度小于v,它將向下偏轉(zhuǎn),做類平拋運(yùn)動(dòng) D. 若質(zhì)子入射速度大于v,它將向上偏轉(zhuǎn),其軌跡既不是拋物線,又不是圓弧 10. 如圖所示,一束電子流以速度v沿水平方向射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向如圖的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,為使電子流通過磁場(chǎng)時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)(不計(jì)重力),則在磁場(chǎng)區(qū)須加一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng),則場(chǎng)強(qiáng)為( ) A. ,豎直向上B. Bv,垂直紙面向里 C. ,水平向左D. Bv,垂直紙面向外 11. 用回旋加速器來加速質(zhì)子,為了使質(zhì)子獲得的動(dòng)能增加為原來的4倍,原則上可采用下列哪幾種方法( ) A. 將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的2倍
18、 B. 將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的4倍 C. 將D形金屬盒的半徑增大為原來的2倍 D. 將D形金屬盒的半徑增大為原來的4倍 12. 電量為q的粒子自靜止開始被加速電壓為U的電場(chǎng)加速后,沿垂直于磁感線方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,粒子在場(chǎng)中做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng),不計(jì)重力,則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速率為( ) A. BR/2UB. 2U/RBC. 2U/qBRD. BR/2qU 13. 一帶正電的小球沿光滑水平桌面向右運(yùn)動(dòng),飛離桌面后進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng),如圖3所示。若飛行時(shí)間后落在地板上,水平射程為。著地速度為;撤去磁場(chǎng),其他條件不變,小球飛行時(shí)間,水平射程,著地速度,則( ) A. B. C.
19、D. 14. 氫核、氘核(),氚核()以相同的動(dòng)能射入速度選擇器,如圖所示。如果氘核沿直線運(yùn)動(dòng),則( ) A. 偏向正極板的是氫核 B. 偏向正極板的是氚核 C. 射出動(dòng)能最大的是氚核 D. 射出動(dòng)能最大的是氫核 15. 如圖所示,兩塊帶電金屬板水平放置,電子束從兩極板的左側(cè)正中央a處,沿水平方向以速度垂直于電場(chǎng)方向入射,在電場(chǎng)力作用下,剛好從圖中所示的c點(diǎn)射出,射出時(shí)速度為v,保持電場(chǎng)不變?cè)趦蓸O板間加一勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,電子束仍從a處以速度垂直于電場(chǎng)方向入射,它剛好從圖中所示的d點(diǎn)射出,已知c、d兩點(diǎn)相對(duì)于中心線ab是對(duì)稱的,則每個(gè)電子從d點(diǎn)射出時(shí)的速度大小為_。 16. 如圖
20、所示,設(shè)空間存在豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),已知一離子在電場(chǎng)力和洛侖茲力的作用下,從靜止開始自A點(diǎn)沿曲線ACB運(yùn)動(dòng),到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度為零,C為曲線的最低點(diǎn),在不計(jì)重力的情況下,可以確定( ) A. 離子一定帶正電荷 B. A、B兩點(diǎn)位于同一高度 C. 離子在C點(diǎn)時(shí)速度最大 D. 離子到達(dá)B點(diǎn)后將沿原路返回A點(diǎn) 17. 如圖所示,在真空中,勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向豎直向下,勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,三個(gè)油滴a、b、c帶有等量的同種電荷,已知a靜止,b向右勻速運(yùn)動(dòng),c向左勻速運(yùn)動(dòng),比較它們的質(zhì)量應(yīng)有( ) A. a油滴質(zhì)量大B. b油滴質(zhì)量大 C. c油滴質(zhì)量大D. a、b、c油滴質(zhì)量一樣大 18. 質(zhì)量為m,電荷量為+q的小物塊,放在斜面上,斜面的傾角為,物塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,設(shè)整個(gè)斜面置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,如圖所示,斜面足夠長(zhǎng),物塊向下滑動(dòng)能達(dá)到的最大速度是多少? 19. 如圖所示,在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)
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