普通物理2PPT課件

1、1. 運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行 = 0F = 0+Bv結(jié)論：結(jié)論： 帶電粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。sinBqFv3、洛侖茲力不作功。2、洛侖茲力、洛侖茲力F不能改變帶電粒子速度不能改變帶電粒子速度v的大小，的大小，只能改變其運(yùn)動(dòng)方向。只能改變其運(yùn)動(dòng)方向。第1頁(yè)/共51頁(yè)周期：周期：qBmRT22v頻率：頻率：mqBTf21帶電粒子作勻速圓周帶電粒子作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期和頻率運(yùn)動(dòng)，其周期和頻率與速度無關(guān)。與速度無關(guān)。結(jié)論：2. 運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直vF BR運(yùn)動(dòng)方程：運(yùn)動(dòng)方程：BqFvRmBq2vvqBmRv第2頁(yè)/共51頁(yè)3. 3. 運(yùn)動(dòng)方向沿任意方向運(yùn)

2、動(dòng)方向沿任意方向qBmRsinv半徑：qBmT2周期：螺距：cos2|vvqBmTh結(jié)論：螺旋運(yùn)動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)vcosv /勻速圓周運(yùn)動(dòng)vsinv 第3頁(yè)/共51頁(yè) 7-6-3 7-6-3 電磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的實(shí)電磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的實(shí)例例1 1、速度選擇器Fm BqqEv+ + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - -E+vFeBEv第4頁(yè)/共51頁(yè)2. 2. 湯姆孫實(shí)驗(yàn) eVm221v電子動(dòng)能：meV2v第5頁(yè)/共51頁(yè)電子束打在屏幕中央的條件：電子束打在屏幕中央的條件：BEvmeVBE2222VBEme111kgC10

3、)53(75881962. 1me電子的比荷：電子的比荷： kg10)54(1093897. 931m電子的質(zhì)量：電子的質(zhì)量： 第6頁(yè)/共51頁(yè)3. 3. 回旋加速器 回旋加速器是原子核回旋加速器是原子核物理、高能物理等實(shí)驗(yàn)研物理、高能物理等實(shí)驗(yàn)研究的一種基本設(shè)備。究的一種基本設(shè)備。 BqBmqBmT2周期：第7頁(yè)/共51頁(yè)qBmT22 mqB2qBmRv粒子動(dòng)能：粒子動(dòng)能： B第8頁(yè)/共51頁(yè)3. 3. 霍耳效應(yīng) B 1879 1879年，霍爾（年，霍爾（，18551936 ）發(fā)現(xiàn)，把一）發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中時(shí)，如果磁場(chǎng)方向與電流方向載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中時(shí)，如果磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，

4、則在與磁場(chǎng)和電流兩者垂直的方向上出現(xiàn)橫垂直，則在與磁場(chǎng)和電流兩者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢(shì)差。這一現(xiàn)象稱為向電勢(shì)差。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)，這電勢(shì)差稱為，這電勢(shì)差稱為霍耳電勢(shì)差霍耳電勢(shì)差。+ + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - V1V2II第9頁(yè)/共51頁(yè)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：vBbbEVVVHH21BeFvmHeEF eHeEBevBEHvbdenIvenbdIvxyzV- - - - - - - - - - - II+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - -

5、 - -dbB-vFeFmV1V2第10頁(yè)/共51頁(yè)RH 稱為稱為霍耳系數(shù)霍耳系數(shù)dIBenVH1令：令：neR1HdIBRVHH如果載流子帶正電荷，則如果載流子帶正電荷，則qnRH11 1、 霍耳系數(shù)霍耳系數(shù)RH 與載流子密度與載流子密度n成反比。在金屬成反比。在金屬中，由于載流子密度很大，因此霍耳系數(shù)很小，中，由于載流子密度很大，因此霍耳系數(shù)很小，相應(yīng)霍耳效應(yīng)也很弱。而在一般半導(dǎo)體中，載流相應(yīng)霍耳效應(yīng)也很弱。而在一般半導(dǎo)體中，載流子密度子密度n 較小，因此霍耳效應(yīng)也較明顯。較小，因此霍耳效應(yīng)也較明顯。enbdIv第11頁(yè)/共51頁(yè)2 2、霍爾效應(yīng)多見于大的薄片，、霍爾效應(yīng)多見于大的薄片，U

6、 UH H反比與厚度反比與厚度d d。3、載流子載流子q有正負(fù)，故有正負(fù)，故RH也有正負(fù)，（可以用來也有正負(fù)，（可以用來判定載流子的正負(fù)），使得判定載流子的正負(fù)），使得UH有正負(fù)。若有正負(fù)。若q為正為正/負(fù)電荷，受力負(fù)電荷，受力fm，fq方向不變，故上端積累正方向不變，故上端積累正/負(fù)電荷負(fù)電荷，UH反向。反向。xyzV- - - - - - - - - - - II+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -dbB-vFeFm第12頁(yè)/共51頁(yè)磁流體發(fā)電經(jīng)高溫電離了的等離子體氣體，高速通過磁場(chǎng)時(shí)，在洛倫茲力作于下，正離子會(huì)向左面電極偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子會(huì)向右面

7、電極偏轉(zhuǎn)。從而在兩極間形成電勢(shì)差，向外界提供可資利用的電動(dòng)勢(shì)。第13頁(yè)/共51頁(yè)4. 4. 質(zhì)譜儀第14頁(yè)/共51頁(yè)質(zhì)譜儀是研究物質(zhì)同位素的儀器。質(zhì)譜儀是研究物質(zhì)同位素的儀器。RN ：為粒子源P：為速度選擇器 +-P N BqBmRvBRBEmqBEv第15頁(yè)/共51頁(yè)磁聚焦磁聚焦第16頁(yè)/共51頁(yè)有一均勻磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度有一均勻磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=1.5特斯拉，水特斯拉，水平地由南指向北。如果有一個(gè)平地由南指向北。如果有一個(gè)5.0兆電子伏特的質(zhì)子兆電子伏特的質(zhì)子沿豎直向下的方向通過磁場(chǎng)，問作用在質(zhì)子上的力沿豎直向下的方向通過磁場(chǎng)，問作用在質(zhì)子上的力有多大？（質(zhì)子質(zhì)量有多大？（質(zhì)子質(zhì)量m

8、=1.67 10-27kg）)(100 . 8)(100 . 5211362JeVmEkv)(101 . 31067. 1100 . 822172713smmEkv90sin5 . 1101 . 3106 . 1sin719BqFv)(104 . 712N第17頁(yè)/共51頁(yè)7.7 7.7 磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線的作用磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線的作用7-7-1 載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力設(shè)：載流子數(shù)密度設(shè)：載流子數(shù)密度 n電流元截面積電流元截面積 S電流元中的載流子數(shù)電流元中的載流子數(shù) nSdl載流子電量 qBqf v第18頁(yè)/共51頁(yè)作用在電流元上的作用力：作用在電流元上的作用力：flnSFddBvlnSq dvqn

9、SI BlIFd d安培定律 ：安培力：安培力： 磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力安培力的基本計(jì)算公式： LBlIdF第19頁(yè)/共51頁(yè)討論：討論：1、F垂直電流垂直電流I與磁場(chǎng)與磁場(chǎng)B決定的平面。決定的平面。2 2、一段載流直導(dǎo)線在均勻外磁場(chǎng)中、一段載流直導(dǎo)線在均勻外磁場(chǎng)中sinBILF 為電流與磁場(chǎng)方向的夾角為電流與磁場(chǎng)方向的夾角3 3、任何載流線圈（閉合）在均勻磁場(chǎng)中，受到的安、任何載流線圈（閉合）在均勻磁場(chǎng)中，受到的安培力為零。利用此點(diǎn)可以簡(jiǎn)化計(jì)算。培力為零。利用此點(diǎn)可以簡(jiǎn)化計(jì)算。4 4、具體計(jì)算步驟、具體計(jì)算步驟建坐標(biāo)建坐標(biāo) 取電流元取電流元sinIdlBdF 對(duì)稱性對(duì)稱性分析并

10、計(jì)算分析并計(jì)算dF的分量的分量積分分別計(jì)算積分分別計(jì)算F的分量的分量計(jì)算計(jì)算F，并給出方向，并給出方向egeg：直線，圓電流在均勻磁場(chǎng)、無限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線的直線，圓電流在均勻磁場(chǎng)、無限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)中所受的作用力磁場(chǎng)中所受的作用力第20頁(yè)/共51頁(yè)帶電線圈與小磁鐵的作用帶電線圈與小磁鐵的作用第21頁(yè)/共51頁(yè)例例9. 9. 計(jì)算長(zhǎng)為計(jì)算長(zhǎng)為L(zhǎng) L的載流直導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)的載流直導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)B B中所受中所受的力。的力。IBLBlIdFLdlIBFsinsinILBF LdlIBsin第22頁(yè)/共51頁(yè)半徑為半徑為R的銅絲環(huán)，載有電流的銅絲環(huán)，載有電流I。現(xiàn)把圓環(huán)放在?，F(xiàn)把圓環(huán)放在均勻磁場(chǎng)中，

11、環(huán)平面與磁場(chǎng)垂直。求（均勻磁場(chǎng)中，環(huán)平面與磁場(chǎng)垂直。求（1）圓環(huán)受到）圓環(huán)受到的合力。（的合力。（2）銅絲內(nèi)部的張力。）銅絲內(nèi)部的張力。dFy d dlIBRddF dIBRdFxcosdIBRdFysinBlIdFd第23頁(yè)/共51頁(yè)0sincos2020IBRdIBRFx0cossin2020IBRdIBRFy0cos0dIBRFxBIBRIBRdIBRFy2)cos(sin00TFy2第24頁(yè)/共51頁(yè)rxI2I1例例11. 無限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線通有電流無限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線通有電流I1 ，在同一平面內(nèi)在同一平面內(nèi)有長(zhǎng)為有長(zhǎng)為L(zhǎng)的載流直導(dǎo)線，通有電流的載流直導(dǎo)線，通有電流I2 。（如圖所示）如圖所

12、示）求：長(zhǎng)為求：長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)線的導(dǎo)線2所受的磁場(chǎng)力。所受的磁場(chǎng)力。解：xIdlIdlBIdFo2122coslrxcosdxdl cos221dxxIIdForLrIIxdxIIdFFoLrrocoslncos2cos221cos21dxxldFdl第25頁(yè)/共51頁(yè)1I2平行電流間的相互作用aIBo222aIBo211121211122dlaIIBdlIdFo單位長(zhǎng)度受力：aIIdldFo221112aIIdldFo221221dF12dl1B2dF21dl2B1第26頁(yè)/共51頁(yè)電流強(qiáng)度單位：“安培”的定義設(shè)： I1 = I2 = 1 A，a = 1 m單位長(zhǎng)度導(dǎo)線受到的磁力：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度導(dǎo)線受

13、到的磁力：12111042721aIIdldFo17102mN1I2F12F21 兩平行長(zhǎng)直導(dǎo)線相距兩平行長(zhǎng)直導(dǎo)線相距1m，通過大小相等的電流，通過大小相等的電流，如果這時(shí)它們之間單位長(zhǎng)度導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力正好如果這時(shí)它們之間單位長(zhǎng)度導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力正好是是2 10-7 Nm時(shí)，就把兩導(dǎo)線中所通過的電流定義為時(shí)，就把兩導(dǎo)線中所通過的電流定義為“1安培安培”。aIIdldFo221112第27頁(yè)/共51頁(yè)7-7-2 載流線圈在磁場(chǎng)中所受的磁力矩IIIIbl2 acdFabFcdFadFbcl1B2sin1BIlFcb2sin1BIlFdadacbFF2BIlFFcdab結(jié)論：結(jié)論：平面載流線圈在均

14、平面載流線圈在均勻磁場(chǎng)中所受的安培力的勻磁場(chǎng)中所受的安培力的矢量和為零。矢量和為零。第28頁(yè)/共51頁(yè)磁場(chǎng)對(duì)線圈作用的磁力偶矩大?。捍艌?chǎng)對(duì)線圈作用的磁力偶矩大?。?sinsinsin211BISlBIllFMab21llS 為線圈面積為線圈面積 N匝線圈：匝線圈：sinNBISM 線圈磁矩線圈磁矩 ：neNISm線圈所受磁力偶矩： BmM注意：注意：上式對(duì)均勻磁場(chǎng)中任意形狀的平面載流線上式對(duì)均勻磁場(chǎng)中任意形狀的平面載流線圈都適用。圈都適用。 力偶臂力偶臂: sin1lm1第29頁(yè)/共51頁(yè)3 3、上式是對(duì)線圈幾何中心軸推導(dǎo)得到的，但對(duì)任何、上式是對(duì)線圈幾何中心軸推導(dǎo)得到的，但對(duì)任何線圈平面上的

15、軸都成立線圈平面上的軸都成立第30頁(yè)/共51頁(yè) 4、不同、不同BcdFabFcdFabFB第31頁(yè)/共51頁(yè)5、在磁場(chǎng)中的如果不是整個(gè)閉合線圈，而是線圈的一、在磁場(chǎng)中的如果不是整個(gè)閉合線圈，而是線圈的一部分（一端載流導(dǎo)線）對(duì)一定點(diǎn)的磁力矩為：部分（一端載流導(dǎo)線）對(duì)一定點(diǎn)的磁力矩為：FdrMdMBmdM部分閉合線圈部分閉合線圈 （例：旋轉(zhuǎn)的帶電圓板） 在均勻磁場(chǎng)中，平面載流線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)是使在均勻磁場(chǎng)中，平面載流線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)是使其磁矩的方向與外磁場(chǎng)的方向一致。其磁矩的方向與外磁場(chǎng)的方向一致。 第32頁(yè)/共51頁(yè)第33頁(yè)/共51頁(yè)載流線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)力的功力矩的功：力矩的功：dMW磁力矩：

16、sinBISM dsinBISWcosd BSImmdIImIWF2F1Bned第34頁(yè)/共51頁(yè)例例12. 有一半徑為有一半徑為R的閉合載流線圈，通過電流的閉合載流線圈，通過電流I。今。今把它放在均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為把它放在均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，其方向與線，其方向與線圈平面平行。求：（圈平面平行。求：（1）以直徑為轉(zhuǎn)軸，線圈所受磁）以直徑為轉(zhuǎn)軸，線圈所受磁力矩的大小和方向。（力矩的大小和方向。（2）在力矩作用下，線圈轉(zhuǎn)過）在力矩作用下，線圈轉(zhuǎn)過90，力矩做了多少功？，力矩做了多少功？法一法一dIBRIBdldFcoscos作用力垂直于線圈平面作用力垂直于線圈平面cosRdFdMdI

17、BR22cosRdlBI第35頁(yè)/共51頁(yè)BIRdIBRdMM2cos22/2/22力矩的功：力矩的功：mBmBMW20sinddBIRW22力矩：力矩：22IRm第36頁(yè)/共51頁(yè)法二：BmMsinmBM 2902RImIBRM221線圈轉(zhuǎn)過線圈轉(zhuǎn)過9090時(shí)，磁通量的增量為：時(shí)，磁通量的增量為：BR22mIBRIW22mBI第37頁(yè)/共51頁(yè)7.8 7.8 磁介質(zhì)磁介質(zhì)7-8-1 物質(zhì)的磁性 當(dāng)一塊介質(zhì)放在外磁場(chǎng)中將會(huì)與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一種所謂的“磁化”現(xiàn)象，介質(zhì)中出現(xiàn)附加磁場(chǎng)。我們把這種在磁場(chǎng)作用下磁性發(fā)生變化的介質(zhì)稱為“磁介質(zhì)”。第38頁(yè)/共51頁(yè)BBBBBoorBB令：令： =

18、 0 r 稱為稱為磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率nIBoonIBBroor第39頁(yè)/共51頁(yè)三類磁介質(zhì)：（1 1）順磁性介質(zhì)：）順磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性。介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0同向。同向。 B B0 , r 1（2 2）抗磁性介質(zhì)：）抗磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性。介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0反向。反向。 B B0 , r B0 , r 1（4 4）完全抗磁體：）完全抗磁體：（ r 0）：）： B 0，磁介質(zhì)內(nèi)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。第40頁(yè)/共51頁(yè)磁介質(zhì)種類磁介質(zhì)種類種種 類類溫度溫度相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)

19、磁導(dǎo)率 r 1鉍鉍汞汞銅銅氫（氣）氫（氣）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.8910-5 r 1氧（液）氧（液）氧（氣）氧（氣）鋁鋁鉑鉑90K293K293K293K1+769.910-51+334.910-51+1.6510-51+26.010-5 r 1鑄鋼鑄鋼鑄鐵鑄鐵硅鋼硅鋼坡莫合金坡莫合金2.2103（最大值）（最大值）4102（最大值）（最大值）7102（最大值）（最大值）1105（最大值）（最大值） r 0汞汞鈮鈮小于小于4.15K小于小于9.26K00第41頁(yè)/共51頁(yè)分子磁矩 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化 近代科學(xué)實(shí)踐證明，組成分子

20、或原子中的電子，近代科學(xué)實(shí)踐證明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)。把分子或原子看作一個(gè)整兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)。把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各電子對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可體，分子或原子中各電子對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可等效于一個(gè)圓電流，稱為等效于一個(gè)圓電流，稱為“分子電流分子電流”。分子電流的。分子電流的磁矩稱為磁矩稱為“分子磁矩分子磁矩”表示為表示為 。m+-+各電子磁矩各電子磁矩lmlm+-分子磁矩分子磁矩m第42頁(yè)/共51頁(yè)1.順磁質(zhì)特點(diǎn)：存在分子固有磁矩。特點(diǎn)：存在分子固

21、有磁矩。0im外磁場(chǎng)中：外磁場(chǎng)中：0im-+-+-mmmB+-+-+mmm第43頁(yè)/共51頁(yè)2.抗磁質(zhì)特點(diǎn)：特點(diǎn)：分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應(yīng)。分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應(yīng)。+lmBv-lmff+-vlmBlm2222eRRReRefISM不變RRmfFme/2第44頁(yè)/共51頁(yè)結(jié)論： 在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在抗磁效應(yīng)，只是在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在抗磁效應(yīng)，只是抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁質(zhì)中，抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋。質(zhì)中，抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋。 附加電子磁矩附加電子磁矩 的方向總是和外磁場(chǎng)的方向總是和外磁場(chǎng) 方向相反。方向相反。lm0B 由于分子中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子都要產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反由于分子中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子都要產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反向的附加磁矩向的附加磁矩 ，分子中各電子附加磁