普通物理2PPT課件

1、1. 運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向平行運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向平行 = 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/共51頁周期：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)方向與磁場方向垂直運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直vF BR運(yùn)動(dòng)方程：運(yùn)動(dòng)方程：BqFvRmBq2vvqBmRv第2頁/共51頁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/共51頁 7-6-3 7-6-3 電磁場控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的實(shí)電磁場控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的實(shí)例例1 1、速度選擇器Fm BqqEv+ + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - -E+vFeBEv第4頁/共51頁2. 2. 湯姆孫實(shí)驗(yàn) eVm221v電子動(dòng)能：meV2v第5頁/共51頁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/共51頁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/共51頁qBmT22 mqB2qBmRv粒子動(dòng)能：粒子動(dòng)能： B第8頁/共51頁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)體放在磁場中時(shí)，如果磁場方向與電流方向載流導(dǎo)體放在磁場中時(shí)，如果磁場方向與電流方向垂直，

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

5、 - -dbB-vFeFmV1V2第10頁/共51頁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/共51頁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/共51頁磁流體發(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差，向外界提供可資利用的電動(dòng)勢。第13頁/共51頁4. 4. 質(zhì)譜儀第14頁/共51頁質(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/共51頁磁聚焦磁聚焦第16頁/共51頁有一均勻磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度有一均勻磁場，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，問作用在質(zhì)子上的力沿豎直向下的方向通過磁場，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/共51頁7.7 7.7 磁場對(duì)載流導(dǎo)線的作用磁場對(duì)載流導(dǎo)線的作用7-7-1 載流導(dǎo)線在磁場中受的力設(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/共51頁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： 磁場對(duì)電流的作用力磁場對(duì)電流的作用力安培力的基本計(jì)算公式： LBlIdF第19頁/共51頁討論：討論：1、F垂直電流垂直電流I與磁場與磁場B決定的平面。決定的平面。2 2、一段載流直導(dǎo)線在均勻外磁場中、一段載流直導(dǎo)線在均勻外磁場中sinBILF 為電流與磁場方向的夾角為電流與磁場方向的夾角3 3、任何載流線圈（閉合）在均勻磁場中，受到的安、任何載流線圈（閉合）在均勻磁場中，受到的安培力為零。利用此點(diǎn)可以簡化計(jì)算。培力為零。利用此點(diǎn)可以簡化計(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、無限長直載流導(dǎo)線的直線，圓電流在均勻磁場、無限長直載流導(dǎo)線的磁場中所受的作用力磁場中所受的作用力第20頁/共51頁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/共51頁例例9. 9. 計(jì)算長為計(jì)算長為L L的載流直導(dǎo)線在均勻磁場的載流直導(dǎo)線在均勻磁場B B中所受中所受的力。的力。IBLBlIdFLdlIBFsinsinILBF LdlIBsin第22頁/共51頁半徑為半徑為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)放在均勻磁場中，

11、環(huán)平面與磁場垂直。求（均勻磁場中，環(huán)平面與磁場垂直。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/共51頁0sincos2020IBRdIBRFx0cossin2020IBRdIBRFy0cos0dIBRFxBIBRIBRdIBRFy2)cos(sin00TFy2第24頁/共51頁rxI2I1例例11. 無限長直載流導(dǎo)線通有電流無限長直載流導(dǎo)線通有電流I1 ，在同一平面內(nèi)在同一平面內(nèi)有長為有長為L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：長為求：長為L的導(dǎo)線的導(dǎo)線2所受的磁場力。所受的磁場力。解：xIdlIdlBIdFo2122coslrxcosdxdl cos221dxxIIdForLrIIxdxIIdFFoLrrocoslncos2cos221cos21dxxldFdl第25頁/共51頁1I2平行電流間的相互作用aIBo222aIBo211121211122dlaIIBdlIdFo單位長度受力：aIIdldFo221112aIIdldFo221221dF12dl1B2dF21dl2B1第26頁/共51頁電流強(qiáng)度單位：“安培”的定義設(shè)： I1 = I2 = 1 A，a = 1 m單位長度導(dǎo)線受到的磁力：單位長度導(dǎo)線受

13、到的磁力：12111042721aIIdldFo17102mN1I2F12F21 兩平行長直導(dǎo)線相距兩平行長直導(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)它們之間單位長度導(dǎo)線受到的磁場力正好如果這時(shí)它們之間單位長度導(dǎo)線受到的磁場力正好是是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/共51頁7-7-2 載流線圈在磁場中所受的磁力矩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中所受的安培力的勻磁場中所受的安培力的矢量和為零。矢量和為零。第28頁/共51頁磁場對(duì)線圈作用的磁力偶矩大?。捍艌鰧?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)均勻磁場中任意形狀的平面載流線上式對(duì)均勻磁場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/共51頁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/共51頁 4、不同、不同BcdFabFcdFabFB第31頁/共51頁5、在磁場中的如果不是整個(gè)閉合線圈，而是線圈的一、在磁場中的如果不是整個(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） 在均勻磁場中，平面載流線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢是使在均勻磁場中，平面載流線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢是使其磁矩的方向與外磁場的方向一致。其磁矩的方向與外磁場的方向一致。 第32頁/共51頁第33頁/共51頁載流線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁場力的功力矩的功：力矩的功：dMW磁力矩：

16、sinBISM dsinBISWcosd BSImmdIImIWF2F1Bned第34頁/共51頁例例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中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為把它放在均勻磁場中，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/共51頁BIRdIBRdMM2cos22/2/22力矩的功：力矩的功：mBmBMW20sinddBIRW22力矩：力矩：22IRm第36頁/共51頁法二：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/共51頁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)放在外磁場中將會(huì)與磁場發(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。我們把這種在磁場作用下磁性發(fā)生變化的介質(zhì)稱為“磁介質(zhì)”。第38頁/共51頁BBBBBoorBB令：令： =

18、 0 r 稱為稱為磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率nIBoonIBBroor第39頁/共51頁三類磁介質(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。附加磁場附加磁場B 與外場與外場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。附加磁場附加磁場B 與外場與外場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)的磁場等于零（如超導(dǎo)體）。的磁場等于零（如超導(dǎo)體）。第40頁/共51頁磁介質(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/共51頁分子磁矩 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/共51頁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外磁場中：外磁場中：0im-+-+-mmmB+-+-+mmm第43頁/共51頁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/共51頁結(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的方向總是和外磁場 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)生與外磁場反向的附加磁矩向的附加磁矩 ，分子中各電子附加磁