高二物理洛倫茲力課件 新課標(biāo) 人教

1、洛侖茲力及應(yīng)用磁場使陰極射線偏轉(zhuǎn)的演示洛倫茲力Lorentzforce洛倫茲力: 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受的力。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場中受的力F與粒子的電荷q、它的速度v、磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下關(guān)系： 。按照矢徑的定義，上式說明，F(xiàn)的大小為: ，為v與B之間的夾角；F的方向與v和B構(gòu)成的平面垂直如圖。而且F的方向與電荷q的正負(fù)也有關(guān)系。由于洛倫茲力的方向總與帶電粒子速度的方向垂直，洛倫茲力永遠(yuǎn)不對(duì)粒子作功。它只改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向而不改變它的速率和動(dòng)能。 洛倫茲Hendrik Antoon Lorentz 荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，生于阿納姆，畢業(yè)于萊頓大學(xué)1875年獲博士學(xué)位。1878年起任萊頓大學(xué)

2、理論物理學(xué)教授。因研究磁場對(duì)輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。 洛倫茲是經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者。1895年，洛倫茲根據(jù)物質(zhì)電構(gòu)造的假說，成功地解釋了相當(dāng)多的物理現(xiàn)象，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。 洛倫茲的電磁場理論研究成果，在現(xiàn)代物理中占有重要地位。洛倫茲力是洛倫茲在研究電子在磁場中所受的力的實(shí)驗(yàn)中確立起來的。洛倫茲還預(yù)言了正常的塞曼效益，即磁場中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場的影響而分裂成多條的現(xiàn)象中的某種特殊現(xiàn)象。 洛倫茲的理論是從經(jīng)典物理到相對(duì)論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對(duì)論的重要根底。洛倫茲對(duì)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也有奉獻(xiàn)。洛倫茲力與安培力的關(guān)系比較一下洛倫茲力公式和安培力公

3、式，可以看出二者很相似。這里的q0v與電流Idl相當(dāng)。這并不是偶然的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)電荷就是一個(gè)瞬時(shí)的電流元。載流導(dǎo)線中包含了大量自由電子，導(dǎo)線所受的安培力就是作用在各自由電子上洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。如圖，考慮一段長度為l的金屬導(dǎo)線，它放置在垂直紙面向內(nèi)的磁場中。設(shè)導(dǎo)線中通有電流I，其方向向上。 從微觀的角度看，電流是由導(dǎo)體中的自由電子向下作定向運(yùn)動(dòng)形成的。設(shè)自由電子的定向運(yùn)動(dòng)速度為u，導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為自由電子數(shù)密度n，每個(gè)電子所帶的電量為-e。所以根據(jù)電流的定義: 。由于這里電子 的定向速度u與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直，所以，每個(gè)電子由于定向運(yùn)動(dòng)受到的洛倫茲力為f=euB。雖然這個(gè)力作用在金屬內(nèi)

4、的自由電子上，但是自由電子不會(huì)越出金屬導(dǎo)線，它所獲得的沖量最終都會(huì)傳遞給金屬的晶格骨架。宏觀上看來將是金屬導(dǎo)線本身受到這個(gè)力。整個(gè)長度為l的這段導(dǎo)線的體積為Sl，其中包含自由電子的總數(shù)為nSl，每個(gè)電子受力f=euB，所以這段導(dǎo)線最終受到的總力為F=nSleuB=B(enSu) l。而I=enSu，所以F=BIl。這正好是安培力。(1)粒子的初速v垂直于B粒子的初速v垂直于B，粒子在垂直于磁場的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供了向心力， m和q分別是粒子的質(zhì)量和電量，R是圓形軌道的半徑。粒子運(yùn)動(dòng)的周期T，即粒子運(yùn)行一周所需要的時(shí)間為 單位時(shí)間內(nèi)粒子運(yùn)行的圈數(shù)，稱為帶電粒子的盤旋頻率 以上關(guān)系

5、說明，盡管速率大的粒子在大半徑的圓周上運(yùn)動(dòng)，速率小的粒子在小半徑的圓周上運(yùn)動(dòng)，但它們運(yùn)行一周所需要的時(shí)間卻都是相等的。這個(gè)重要結(jié)論是盤旋加速器的理論依據(jù)。 (1)粒子的初速v垂直于B+q, mR(2)普通情形普遍情形下，v與B成任意夾角。如圖，v=vcos,v=vsin.假設(shè)只有v分量，粒子將在垂直于B的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；假設(shè)只有v分量，磁場對(duì)粒子沒有作用力，粒子將沿B的方向或其反方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)分量同時(shí)存在時(shí)，粒子的軌跡將成為一條螺旋線。其螺距 粒子每回轉(zhuǎn)一周時(shí)前進(jìn)的距離為 ，它與v分量無關(guān)。 (2)普通情形核質(zhì)比的測定利用電子或其它帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)的特性，可以測定出它們的

6、電荷與質(zhì)量之比，即所謂荷質(zhì)比。(1)湯姆孫測電子的何質(zhì)比的方法 如圖，玻璃管內(nèi)抽成真空，陽極A與陰極K之間維持?jǐn)?shù)千伏特的電壓，靠管內(nèi)殘存氣體的離子在陰極引起的二次發(fā)射產(chǎn)生電子流。陽極A和第二個(gè)金屬屏A的中央各有一個(gè)小孔，在K、A之間被加速了的電子流，只有很窄一束能 夠通過這個(gè)孔。如果沒有玻璃管中部的那些裝置，狹窄的電子束依靠慣性前進(jìn)，直射在玻璃管另一端的熒光屏S的中央，形成一個(gè)光點(diǎn)O。 C、D為電容器的兩極板，在它們中間可產(chǎn)生一個(gè)豎直方向的電場。在圓形區(qū)域里，可由管外的電磁鐵產(chǎn)生一方向垂直紙面的磁場。適當(dāng)調(diào)節(jié)電場與磁場的強(qiáng)度，可使它們作用在電子上的力到達(dá)平衡即 eE=evB,或v=E/B。 由

7、E和B的數(shù)值可以測出電子流的速度v。再將電場切斷，電子束在磁場區(qū)內(nèi)將沿圓弧運(yùn)動(dòng)，R=mv/qB，因而電子的何質(zhì)比為 ，半徑R可以直接從儀器上來確定。 19世紀(jì)末就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)發(fā)出的b射線也是一種帶負(fù)電的粒子流。不同物質(zhì)發(fā)出的b射線的粒子具有不同的速率,一般說來速率都十分巨大(接近光速c),實(shí)驗(yàn)說明，粒子的荷質(zhì)比與其速率有關(guān)，速率越大，荷質(zhì)比越小。這是與相對(duì)論符合的。相對(duì)論認(rèn)為，任何物體的質(zhì)量m與速率v有如下關(guān)系 式中m0 為v=0時(shí)的質(zhì)量，稱為靜質(zhì)量。當(dāng)vc時(shí)，m與m0的差異不大;只有當(dāng)v/c接近于1時(shí)m才顯著地增加。所以按照相對(duì)論，同一種粒子的不是常量，為常量的是e/ m0，它與e/m

8、的關(guān)系是 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出的值可以看出它確實(shí)接近常量。這就是說，測定b粒子荷質(zhì)比的實(shí)驗(yàn)很好的符合相對(duì)論中關(guān)于隨速率改變的關(guān)系式。射線和陰極射線一樣他們都是電子流只不過射線中的電子比陰極射線中的電子具有大得多的速率。 (2)磁聚焦法 如圖，用磁聚焦法測荷質(zhì)比裝置的一種。真空玻璃管中裝有熱陰極K和有小孔的陽極A，在A、K之間加電壓U時(shí)，由陽極小孔射出的電子的動(dòng)能為 ， 從而其速率為 。在電容器C上加一不大的橫向交變電場，使不同時(shí)刻通過這里的電子發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。在電容器C和熒光屏S之間加一均勻縱向磁場，如上所述，電子從C出來后將沿螺旋線運(yùn)動(dòng)，到 的地方聚焦。適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)B的大小，可使電子流的焦點(diǎn)剛好

9、落在熒光屏S上。這時(shí)，h就等于C到S間的距離l，于是從上述h與v的表達(dá)式中消去v即得，上式右端各量都可以測出，由此即可確定e/m。 盤旋加速器的根本原理 盤旋加速器是原子核物理學(xué)中獲得高速粒子的一種裝置。這種裝置構(gòu)造雖然很復(fù)雜，但其根本原理就是利用上面提到的那個(gè)盤旋共振頻率與速率無關(guān)的性質(zhì)。 如圖，盤旋加速器的核心局部為D形盒，它的形狀有如扁圓的金屬盒沿直徑剖開的兩半，每半個(gè)都象字母D的形狀。兩D形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源如質(zhì)子、氘核或粒子源等。在兩D形盒間接上交流電源其頻率的數(shù)量級(jí)為106周/秒，于是在縫隙里形成一個(gè)交變電場。由于電屏蔽效應(yīng)，在每個(gè)D形盒的內(nèi)部電場很弱。D形盒裝在一

10、個(gè)大的真空容器里，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場中，這磁場的方向垂直于D形盒的底面。離子的運(yùn)動(dòng)情況如圖: 設(shè)想正當(dāng)D2的電位高的時(shí)候，一個(gè)帶正電的離子從離子源出發(fā)，它在縫隙中被加速，以速率v1進(jìn)入D1內(nèi)部的無電場區(qū)。在這里離子在磁場的作用下繞過盤旋半徑為R1=mv1/qB的半個(gè)圓周而回到縫隙。如果在此期間縫隙間的電場恰好反向，粒子通過縫隙時(shí)又被加速，以較大的速率v2進(jìn)入D2內(nèi)部的無電場區(qū)，在其中繞過盤旋半徑為R2=mv2/qB的半個(gè)圓周后再次回到縫隙。雖然半徑不同，但是周期是一樣的。所以只要縫隙中交變電場以不變的盤旋共振周期往復(fù)變化，便可保證離子每次經(jīng)過縫隙時(shí)受到的電場力都是使它加

11、速的。這樣，不斷被加速的離子將沿著螺線軌道逐漸趨于D形盒的邊緣，到達(dá)預(yù)期的速率后，用特殊的裝置將它們引出。 9、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。2022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202210、雨中黃葉樹，燈下白頭人。2022/10/132022/10/132022/10/1310/13/2022 6:12:20 AM11、以我獨(dú)沈久，愧君相見頻。2022/10/132022/10/132022/10/13Oct-2213-Oct-2212、故人江海別，幾度隔山川。2022/10/132022/10/132022/10/13Thursday, Octob

12、er 13, 202213、乍見翻疑夢，相悲各問年。2022/10/132022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國見青山。13 十月 20222022/10/132022/10/132022/10/1315、比不了得就不比，得不到的就不要。十月 222022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202216、行動(dòng)出成果，工作出財(cái)富。2022/10/132022/10/1313 October 202217、做前，能夠環(huán)視四周；做時(shí)，你只能或者最好沿著以腳為起點(diǎn)的射線向前。2022/10/132022/10/1

13、32022/10/132022/10/139、沒有失敗，只有暫時(shí)停頓成功！。2022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202210、很多事情努力了未必有結(jié)果，但是不努力卻什么改變也沒有。2022/10/132022/10/132022/10/1310/13/2022 6:12:20 AM11、成功就是日復(fù)一日那一點(diǎn)點(diǎn)小小努力的積累。2022/10/132022/10/132022/10/13Oct-2213-Oct-2212、世間成事，不求其絕對(duì)圓滿，留一份缺乏，可得無限完美。2022/10/132022/10/132022/10/13Thursday

14、, October 13, 202213、不知香積寺，數(shù)里入云峰。2022/10/132022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202214、意志堅(jiān)強(qiáng)的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。13 十月 20222022/10/132022/10/132022/10/1315、楚塞三湘接，荊門九派通。十月 222022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202216、少年十五二十時(shí)，步行奪得胡馬騎。2022/10/132022/10/1313 October 202217、空山新雨后，天氣晚來秋。2022/10/132022/10/132

15、022/10/132022/10/139、楊柳散和風(fēng)，青山澹吾慮。2022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202210、閱讀一切好書如同和過去最出色的人談話。2022/10/132022/10/132022/10/1310/13/2022 6:12:20 AM11、越是沒有本領(lǐng)的就越加自命非凡。2022/10/132022/10/132022/10/13Oct-2213-Oct-2212、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。2022/10/132022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202213、知人者智，自知者明。勝人者有力，自勝者強(qiáng)。2022/10/132022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202214、意志堅(jiān)強(qiáng)的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。13 十月 20222022/10/132022/10/132022/10/1315、最具挑戰(zhàn)性的挑戰(zhàn)莫過于提升自我。十月 222022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202216、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/10/132022/10/1313 October