洛倫茲力不做功原因分析

1、2015/8/221洛倫茲力不做功原因分析2015/8/222答疑解惑:安培力可以對(duì)電流做功，而洛倫茲力總是對(duì)電荷不做功的原因分析2015/8/223提出問題：既然安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，那為什么安培力可以對(duì)電流做功，而洛倫茲力總是對(duì)電荷不做功呢？ 2015/8/224溫故知新：Iv2F安當(dāng)導(dǎo)體棒中的電子以速度v2如圖定向移動(dòng)時(shí)，它就產(chǎn)生了如圖所示的電流，大小為I=nv2qS，其中，n為單位體積的電子數(shù)，q為每個(gè)電子的電量。此時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體棒中的電流產(chǎn)生安培力，F(xiàn)安=BIl=Bnv2qSl,方向由左手定則判斷，向左。一個(gè)電子所受到的洛倫茲力為f洛=F安/nSl=qv2B，其中nSl為導(dǎo)體棒

2、中所有電子的總數(shù)。方向由左手定則判斷，向左，其中四指指向電流的方向，即電子移動(dòng)的反方向。如圖，在豎直方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一根水平放置的圓柱形導(dǎo)體棒，長為l， 橫截面積為S。電荷的定向移動(dòng)形成電流，正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?015/8/225f1fv2vv1IF安f2f1對(duì)電子做正功：W1=f1v2t= qv1Bv2t在極短的時(shí)間t內(nèi)：f2對(duì)電子做負(fù)功：W2=-f2v1t=-qv2Bv1tW1+W2=0解決問題：洛倫茲力f對(duì)電子不做功，但其兩個(gè)分力都做了功，且分力做功的代數(shù)和為零。由此，安培力可以對(duì)電流做功，而洛倫茲力總是對(duì)電荷不做功，只是通過洛倫茲力的分力做功起到了傳遞能量的作用。20

3、15/8/226v如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)豎直向下，閉合電路中一段導(dǎo)體棒MN在水平外力F的作用下，以速度v水平向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則下列說法正確的是( ) A.導(dǎo)體棒兩端的電勢(shì)N點(diǎn)的高于M點(diǎn)的。B.導(dǎo)體棒所受的安培力方向水平向左C.導(dǎo)體棒中的電子所受的洛倫磁力的方向水平向左D.導(dǎo)體棒克服安培力所做的功轉(zhuǎn)化成了整個(gè)電路的電熱。MN目標(biāo)檢測(cè)：BD2015/8/227 課外，請(qǐng)同學(xué)們閱讀科學(xué)家洛倫茲的一生，從中體會(huì)他對(duì)物理科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。課后作業(yè)：2015/8/228請(qǐng)同學(xué)們用暫停健分屏閱讀洛倫茲的一生：2015/8/229淺談洛倫茲的一生摘要：偉大的物理學(xué)家，教育家，數(shù)學(xué)家，洛倫茲傳奇而有輝煌的一生，他

4、的成就舉足輕重并且為后來物理學(xué)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)介;成就；影響； 洛倫茲，HA(Hendrik Antoon Lorentz,18531928)，荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，1853年7月18日生于阿納姆，并在該地上小學(xué)和中學(xué)，成績(jī)優(yōu)異，少年時(shí)就對(duì)物理學(xué)感興趣，同時(shí)還廣泛地閱讀歷史和小說，并且熟練地掌握多門外語。他雖然生長在基督教的環(huán)境里，但卻是一個(gè)自由思想家。 1870年洛倫茲考入萊頓大學(xué)，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理和天文。1875年獲博士學(xué)位。1877年，萊頓大學(xué)聘請(qǐng)他為理論物理學(xué)教授，這個(gè)職位最早是為JD范瓦耳斯設(shè)的，其學(xué)術(shù)地位很高，而這時(shí)洛倫茲年僅23歲。在萊頓大學(xué)任教35年，他對(duì)物理

5、學(xué)的貢獻(xiàn)都是在這期間作出的。 1912年洛倫茲辭去萊頓大學(xué)教授職務(wù)，到哈勒姆擔(dān)任一個(gè)博物館的顧問，同時(shí)兼任萊頓大學(xué)的名譽(yù)教授，每星期一早晨到萊頓大學(xué)就物理學(xué)當(dāng)前的一些問題作演講。后來他還在荷蘭政府中任職，19191926年在教育部門工作，其間1921年起擔(dān)任高等教育部部長。 19111927年擔(dān)任索爾維物理學(xué)會(huì)議的固定主席。在國際物理學(xué)界的各種集會(huì)上，他經(jīng)常是一位很受歡迎的主持人。1923年國際科學(xué)協(xié)作聯(lián)盟委員會(huì)主席。他還是世界上許多科學(xué)院的外國院士和科學(xué)學(xué)會(huì)的外國會(huì)員。 洛倫茲 洛倫茲于1928年2月4日在荷蘭的哈勃姆去世，終年75歲。為了悼念這位荷蘭近代文化的巨人，舉行葬禮的那天，荷蘭全國

6、的電信、電話中止三分鐘。世界各地科學(xué)界的著名人物參加了葬禮。愛因斯坦在洛倫茲墓前致詞說：洛倫茲的成就“對(duì)我產(chǎn)生了最偉大的影響”，他是“我們時(shí)代最偉大、最高尚的人”。 2015/8/2210洛倫茲的成長歷程 少年時(shí)洛倫茲就對(duì)物理學(xué)感興趣，同時(shí)還廣泛地閱讀了大量歷史和小說。因此，他雖然生長在基督教的環(huán)境里，但卻是一個(gè)自由思想家。洛倫茲在語言方面有很高的天賦。他能非常迅速地掌握外語，能根據(jù)上下文來推斷其語法。對(duì)于一個(gè)終身居住在荷蘭的幾個(gè)閉塞的城市而希望與世界對(duì)話的人來說，這種天賦不啻是一筆巨大的財(cái)富。1870年，洛倫茲考入萊頓大學(xué)，主要方向是數(shù)學(xué)和物理學(xué)。 1873年，洛倫茲以優(yōu)異的成績(jī)通過了博士考

7、試，兩年后獲得博士學(xué)位。洛倫茲的學(xué)位論文是物理光學(xué)方面的，題目是“關(guān)于光的折射和反射的理論”。這個(gè)課題菲涅耳已經(jīng)做過，但洛倫茲運(yùn)用麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論重新進(jìn)行了處理。這項(xiàng)研究幾乎一下子就使洛倫茲確立了他在本國的學(xué)術(shù)地位。3年后，萊頓大學(xué)聘他為教授，主持該校新設(shè)置的理論物理教席。這個(gè)設(shè)置不僅在荷蘭，而且在整個(gè)歐洲也是最早的。洛倫茲接受了這個(gè)職位，從而確定了他的理論物理學(xué)的職業(yè)生涯。洛倫茲是經(jīng)典電子論的開創(chuàng)者。1892年，洛倫茲發(fā)表了經(jīng)典電子論的第一篇論文。在這篇論文中，洛倫茲明確地把連續(xù)的場(chǎng)和包含分立電子的物質(zhì)完全分開，同時(shí)又為麥克斯韋方程組追加了一個(gè)洛倫茲力方程。于是，連續(xù)的場(chǎng)和分立的電子，就

8、由這個(gè)洛倫茲力來聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，洛倫茲把當(dāng)時(shí)所得到的電磁光學(xué)的各種結(jié)果，重新整理加以格式化，確立了經(jīng)典電子論的基礎(chǔ)。許多從他那里學(xué)習(xí)電動(dòng)力學(xué)的理論物理學(xué)家認(rèn)為，這是洛倫茲一生中最偉大的貢獻(xiàn)之一。 當(dāng)新物理學(xué)開始崛起的時(shí)候，洛倫茲也推導(dǎo)過黑體輻射能量分布公式。他只能用自己的理論計(jì)算能譜的長波極限。他了解普朗克1900年的黑體輻射量子理論包含整個(gè)光譜，也了解普朗克的量子假設(shè)與他自己的電子論基礎(chǔ)完全不同。但1908年洛倫茲以有利于普朗克量子論的口吻說，普朗克理論是唯一能解釋黑體輻射整個(gè)光譜的。洛倫茲是最早能這樣指出并強(qiáng)調(diào)量子假說和電子論假說之間存在深刻對(duì)立的人之一。 1896年，洛倫茲用電子論成功

9、地解釋了由萊頓大學(xué)的塞曼新近發(fā)現(xiàn)的原子光譜磁致分裂現(xiàn)象。洛倫茲斷定該現(xiàn)象是由原子中負(fù)電子的振動(dòng)引起的。他從理論上導(dǎo)出的負(fù)電2015/8/2211子的荷質(zhì)比，與湯姆遜翌年從陰極射線實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相一致。由于塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和解釋，洛倫茲和塞曼分享了1902年度的諾貝爾獎(jiǎng)。 除了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，洛倫茲還獲得過英國皇家學(xué)會(huì)的倫福特和科普利獎(jiǎng)?wù)拢⑶医邮芰税屠璐髮W(xué)和劍橋大學(xué)名譽(yù)博士、德國物理學(xué)會(huì)和英國皇家學(xué)會(huì)國外會(huì)員的光榮稱號(hào)。 科學(xué)成就 1創(chuàng)立電子論 洛倫茲認(rèn)為一切物質(zhì)分子都含有電子，陰極射線的粒子就是電子。把以太與物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為以太與電子的相互作用。這一理論成功地解釋了塞曼效應(yīng)，與塞曼一起獲1

10、902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 洛倫茲是經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者他認(rèn)為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實(shí)體組成的后來這些微小實(shí)體被稱為電子洛倫茲以電子概念為基礎(chǔ)來解釋物質(zhì)的電性質(zhì)從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中要受到力的作用，即洛倫茲力他把物體的發(fā)光解釋為原子內(nèi)部電子的振動(dòng)產(chǎn)生的這樣當(dāng)光源放在磁場(chǎng)中時(shí)，光源的原子內(nèi)電子的振動(dòng)將發(fā)生改變，使電子的振動(dòng)頻率增大或減小，導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂1896年10月，洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)中鈉光譜的D線有明顯的增寬，即產(chǎn)生塞曼效應(yīng)，證實(shí)了洛倫茲的預(yù)言塞曼和洛倫茲共同獲得1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1904年，洛倫茲證明，當(dāng)把麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程組用伽利略變換從一

11、個(gè)參考系變換到另一個(gè)參考系時(shí)，真空中的光速將不是一個(gè)不變的量，從而導(dǎo)致對(duì)不同慣性系的觀察者來說，麥克斯韋方程及各種電磁效應(yīng)可能是不同的為了解決這個(gè)問題，洛倫茲提出了另一種變換公式，即洛倫茲變換。后來，愛因斯坦把洛倫茲變換用于力學(xué)關(guān)系式，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論 2提出洛倫茲變換公式 1892年他研究過地球穿過靜止以太所產(chǎn)生的效應(yīng)，為了說明邁克孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他獨(dú)立地提出了長度收縮的假說，認(rèn)為相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的物體，其運(yùn)動(dòng)方向上的長度2015/8/2212縮短了。1895年，他發(fā)表了長度收縮的準(zhǔn)確公式，即在運(yùn)動(dòng)方向上，長度收縮因子為（1v2/c2）1/2。1899年，他在發(fā)表的論文里，計(jì)論了慣性系之間坐

12、標(biāo)和時(shí)間的變換問題，并得出電子與速度有關(guān)的結(jié)論。1904年，他發(fā)表了著名的變換公式（J-H龐加萊首先稱之為洛倫茲變換）和質(zhì)量與速度的關(guān)系式，并指出光速是物體相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的極限。 1875年前，光的電磁理論與物質(zhì)分子理論相結(jié)合的統(tǒng)一設(shè)想，還沒有被人明確提出。此后，洛倫茲對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究，寫出了題為光的反射與折射理論論文，對(duì)光的舊波動(dòng)理論與光的新電磁理論作了綜合性評(píng)述，最后明確提出了這一統(tǒng)一設(shè)想，不僅使麥克斯韋的電磁理論有了更加堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，而且據(jù)此創(chuàng)立了物質(zhì)的電子論。隨后他又根據(jù)電子論，確立了電子在磁場(chǎng)中所受的力即“洛倫茲力”的概念。與此同時(shí)，他還與其同胞塞曼一起，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了塞曼

13、效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是一種解釋置于磁場(chǎng)中的光源發(fā)射的各種譜線，受磁場(chǎng)影響分裂成幾條，各分譜線之間間隔的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的理論。塞曼最先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象并對(duì)其進(jìn)行了研究，但他通過研究在理論上雖然可以正確解釋這一現(xiàn)象，卻在實(shí)驗(yàn)中遇到了難題。洛倫茲對(duì)此進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于找到了問題的癥結(jié)所在，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了塞曼理論的正確，使塞曼效應(yīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上都站住了腳，成了物理學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典定律。 3出色的物理教育家 洛倫茲還是一位教育家，他在萊頓大學(xué)從事普通物理和理論物理教學(xué)多年，寫過微積分和普通物理等教科書。在哈勒姆他曾致力于通俗物理講演。他一生中花了很大一部分時(shí)間和精力審查別人的理論并給予幫助。他為人熱誠、謙虛，受

14、到愛因斯坦、薛定諤和其他青年一代理論物理學(xué)家們的尊敬，他們多次到萊頓大學(xué)向他請(qǐng)教，愛因斯坦曾說過，他一生中受洛倫茲的影響最大。 趣聞?shì)W事 在物理學(xué)家中，洛倫茲是最富有國際性的。在他事業(yè)的最初20年中，他的國際性工作僅限于著作。后來，他開始離開萊頓書房和教室，廣泛地與國外科學(xué)家進(jìn)行個(gè)人接觸。他2015/8/2213的電子理論使他在物理學(xué)界獲得領(lǐng)導(dǎo)地位。1898年，洛倫茲接受玻爾茲曼的邀請(qǐng)，為德國的自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的迪塞爾多夫會(huì)議物理組做演講。1900年在巴黎，為國際物理代表會(huì)（世界性物理學(xué)家集會(huì)）做演講。洛倫茲在物理方面最重要的國際性活動(dòng)是擔(dān)任物理學(xué)的索爾維會(huì)議的定期主席(19111927年)

15、，他在臨終前還主持了最后一次會(huì)議。洛倫茲在這些國際性的集會(huì)中主持會(huì)議并成為公認(rèn)的領(lǐng)袖。大家對(duì)他淵博的學(xué)問、高明的技術(shù)、善于總結(jié)最復(fù)雜的爭(zhēng)論以及無比精煉的語方都非常佩服。第一次大戰(zhàn)后，洛倫茲的國際主義活動(dòng)帶有若干政治色彩。1909年至1921年，他擔(dān)任荷蘭皇家科學(xué)與文學(xué)研究院物理組的主任時(shí)，以自己的影響來說服人們參加戰(zhàn)后盟國創(chuàng)立的國際性科學(xué)組織。1923年，他成為國聯(lián)文化協(xié)作國際委員會(huì)的七個(gè)委員之一，并繼承伯格森(HBergson)擔(dān)任主席。 洛倫茲在物理學(xué)上最重要的貢獻(xiàn)是他的電子論。早在他作學(xué)位論文之前，由于讀過菲涅耳文集而深受其影響；后來受到Hvon亥姆霍茲的啟發(fā)，他用JC麥克斯韋的電磁理論

16、來處理光在電介質(zhì)交界面上的反射和折射問題作為他的博士論文，在論文的末尾，他提到把光磁理論與物質(zhì)的分子理論結(jié)合起來的前景，這就是他后來創(chuàng)立電子論的根源。1878年，他發(fā)表了光與物質(zhì)相互作用的論文，把以太與普通的物質(zhì)區(qū)別開來，認(rèn)為以太是靜止的，無所不在，而普通物質(zhì)的分子則都含有帶電的諧振子；在這個(gè)基礎(chǔ)上，他導(dǎo)出了分子折射率的公式（即洛倫茲-洛倫茨公式）1892年，他開始發(fā)表電子論的文章，他認(rèn)為一切物質(zhì)的分子都含有電子，陰極射線的粒子就是電子，電子是很小的有質(zhì)量的剛球，電子對(duì)于以太是完全透明的，以太與物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為以太與物質(zhì)中的電子的相互作用。這在個(gè)基礎(chǔ)上，1895年他提出了著名的洛倫茲力公式

17、。1896年，P塞曼發(fā)現(xiàn)放在磁場(chǎng)中的光源，其光譜線發(fā)生分裂（塞曼效應(yīng)）。洛倫茲立即用他的電子論對(duì)這一現(xiàn)象作了定量的解釋。由于這一貢獻(xiàn)，他和塞曼共同獲得1902年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 洛倫茲變換Lorentz transformation 狹義相對(duì)論中關(guān)于不同慣性系之間物理事件時(shí)空坐標(biāo)變換的基本關(guān)系式。設(shè)兩個(gè)慣2015/8/2214性系為S系和S系，它們相應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)軸彼此平行，S系相對(duì)于S系沿x方向運(yùn)動(dòng)，速度為v，且當(dāng)t=t=0時(shí)，S系與S系的坐標(biāo)原點(diǎn)重合，則事件在這兩個(gè)慣性系的時(shí)空坐標(biāo)之間的洛倫茲變換為x=（xvt），y=y，z=z，t=（tvx/c2），式中=（1v2/c2）-1/2；c為

18、真空中的光速 。不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。 在相對(duì)論以前，H.A.洛倫茲從存在絕對(duì)靜止以太的觀念出發(fā)，考慮物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生收縮的物質(zhì)過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中，變換所引入的量?jī)H僅看作是數(shù)學(xué)上的輔助手段，并不包含相對(duì)論的時(shí)空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同，以觀察到的事實(shí)為依據(jù)，立足于兩條基本原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，著眼于修改運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間等基本概念，重新導(dǎo)出洛倫茲變換，并賦予洛倫茲變換嶄新的物理內(nèi)容。在狹義相對(duì)論中，洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式，狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論和時(shí)空性質(zhì)，如同時(shí)性的相對(duì)性、長度收縮、時(shí)間延緩、速度變換公式、相對(duì)論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲

19、變換中直接得出 海納百川的大師風(fēng)范（洛倫茲所起到的作用） 作為第一代理論物理學(xué)家，洛倫茲的顯著特點(diǎn)之一是對(duì)于一套套的新思想表現(xiàn)出不同尋常的開放態(tài)度。洛倫茲對(duì)理論物理的影響不僅通過他的著作，而且也通過他同從世界各地慕名而來的青年物理學(xué)家的個(gè)人交往。愛因斯坦、薛定諤和其他理論工作者經(jīng)常到萊頓去拜訪他，聽取他對(duì)于他們一些最新思想的意見。但他從不干擾別人的思想，他和他們的關(guān)系是靠和善而平淡的基本個(gè)性來維持的。 不過，洛倫茲的開放態(tài)度不完全是出于他的性格。從他在萊頓大學(xué)的就職演說中可以了解到，這也是洛倫茲作為理論物理學(xué)家的專業(yè)見解。洛倫茲說過，物理學(xué)研究的目的就在于尋求簡(jiǎn)單的、可以說明所有現(xiàn)象的基本原理。但他告誡不要過分看重對(duì)基本原理的內(nèi)心聯(lián)想，或者希望原理本身能夠進(jìn)一步發(fā)揮。他認(rèn)為，由于人們不能深入地洞察事物的本性，因而把任何已有的認(rèn)識(shí)途2015/8/2215徑作為唯一可靠的途徑加以提倡是輕率的。按照洛倫茲的觀點(diǎn)，各種基本的理論途徑應(yīng)該同時(shí)由不同的研究者加以探索。 洛倫茲的電子論把經(jīng)典物理學(xué)推上了它所能達(dá)到的最后高度。洛倫茲本人幾乎成了19世紀(jì)末、20世紀(jì)初物理學(xué)界的統(tǒng)帥。如果洛倫茲不那么具有開放精神，這種成就本來可能使他過早地退出歷史舞臺(tái)。當(dāng)世紀(jì)之交的物理學(xué)革命打破了古典物理