《磁場中的運(yùn)動電荷》知識清單

《磁場中的運(yùn)動電荷》知識清單一、磁現(xiàn)象的初步認(rèn)識1、**磁體與磁極**-磁體呢，就是能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的物體。像我們常見的小磁針就是磁體。磁體上有兩個磁極，分別是南極（S極）和北極（N極）。這就好比是一個小團(tuán)隊(duì)里有兩個重要的角色。-磁極間的相互作用規(guī)律是：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。我記得小時候玩磁鐵的時候，拿兩塊條形磁鐵，把相同的磁極靠近，就感覺它們像兩個互相看不順眼的小朋友，拼命地把對方推開；而把不同的磁極靠近時，就像兩個好朋友，緊緊地吸在一起了。2、**磁場的概念**-磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)。磁體周圍存在著磁場。我們可以把磁場想象成是磁體周圍的一種神秘力量場。就像我們在一個黑暗的屋子里，雖然看不到空氣，但能感覺到有風(fēng)在吹，磁場也是這樣，雖然看不到它，但是它能對放入其中的磁體或者運(yùn)動電荷產(chǎn)生力的作用。-為了描述磁場的強(qiáng)弱和方向，我們引入了磁感線這個概念。磁感線是一種假想的曲線，它的疏密表示磁場的強(qiáng)弱，磁感線上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的磁場方向。就好比我們畫地圖上的等高線來表示地形的高低起伏一樣，磁感線用來表示磁場的情況。二、電流的磁效應(yīng)1、**奧斯特實(shí)驗(yàn)**-奧斯特可是個很了不起的科學(xué)家。他做了一個很有名的實(shí)驗(yàn)，就是奧斯特實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)線中有電流通過時，導(dǎo)線下方的小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個實(shí)驗(yàn)就像打開了一扇通往電磁學(xué)新世界的大門。-這個實(shí)驗(yàn)表明了電流周圍存在著磁場。這就好比是電這個調(diào)皮的小家伙，當(dāng)它在導(dǎo)線里奔跑的時候，還不忘在周圍創(chuàng)造出一種磁場的力量。我有一次在做一個簡單的電學(xué)小實(shí)驗(yàn)，當(dāng)我把電路接通的時候，旁邊放著的一個小磁針竟然動了一下，當(dāng)時那種驚喜就像發(fā)現(xiàn)了一個小秘密一樣。2、**安培定則（右手螺旋定則）**-對于直線電流，用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。如果是環(huán)形電流呢，讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形電流中心軸線上磁感線的方向。這就像是一種特殊的魔法手勢，只要按照這個手勢來，就能知道磁場的方向啦。就像我們玩游戲的時候，按照一定的規(guī)則操作就能得到想要的結(jié)果一樣。三、磁場對運(yùn)動電荷的作用1、**洛倫茲力的概念**-當(dāng)運(yùn)動電荷在磁場中運(yùn)動時，會受到一種力的作用，這種力就叫做洛倫茲力。洛倫茲力的方向總是垂直于運(yùn)動電荷的速度方向和磁場方向所決定的平面。這就有點(diǎn)像一個小滑塊在一個斜面上滑動，它受到的力是有一定方向規(guī)則的。-可以用左手定則來判斷洛倫茲力的方向。伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動的方向（如果是負(fù)電荷，四指指向負(fù)電荷運(yùn)動的反方向），那么拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。這就像是給運(yùn)動電荷的受力方向一個明確的指示牌。我曾經(jīng)做過一個模擬洛倫茲力方向判斷的小練習(xí)，按照左手定則一步一步來，就像在給一個小機(jī)器人下達(dá)指令一樣，最后準(zhǔn)確地得出了洛倫茲力的方向。2、**洛倫茲力的大小**-洛倫茲力的大小跟運(yùn)動電荷的電荷量、速度大小、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及電荷運(yùn)動方向與磁場方向的夾角有關(guān)。具體的計(jì)算公式是F=qvBsinθ，這里的F就是洛倫茲力的大小，q是運(yùn)動電荷的電荷量，v是電荷的速度，B是磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ是電荷運(yùn)動方向與磁場方向的夾角。這個公式就像是一把鑰匙，能幫助我們算出洛倫茲力的大小。就像我們在做數(shù)學(xué)題的時候，根據(jù)不同的條件，用公式算出答案一樣。四、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動1、**勻速圓周運(yùn)動的條件**-當(dāng)帶電粒子垂直進(jìn)入磁場時，它受到的洛倫茲力提供向心力，就會做勻速圓周運(yùn)動。這就好比是一個小衛(wèi)星在地球的引力作用下做圓周運(yùn)動一樣，洛倫茲力在這里就相當(dāng)于地球的引力，讓帶電粒子在磁場里繞著圈運(yùn)動。-粒子做勻速圓周運(yùn)動的半徑公式是r=mv/qB，這里的m是粒子的質(zhì)量，v是粒子的速度，q是粒子的電荷量，B是磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。這個公式可以幫助我們算出粒子做圓周運(yùn)動的半徑大小。我曾經(jīng)看到一個關(guān)于粒子在磁場中運(yùn)動軌跡模擬的視頻，那些粒子就像一個個聽話的小舞者，按照一定的半徑在磁場里優(yōu)雅地轉(zhuǎn)圈。2、**周期和頻率**-帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期公式是T=2πm/qB，頻率公式是f=qB/2πm。周期就是粒子繞一圈所需要的時間，頻率就是單位時間內(nèi)粒子繞圈的次數(shù)。這就像我們看時鐘的指針轉(zhuǎn)動一樣，分針轉(zhuǎn)一圈是一個小時，這就是分針的周期，而分針在一個小時里轉(zhuǎn)動的次數(shù)就是它的頻率。五、磁偏轉(zhuǎn)的應(yīng)用1、**質(zhì)譜儀**-質(zhì)譜儀是一種很厲害的儀器。它利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)作用，把不同質(zhì)量的粒子分開。就像把一群不同大小的球按照大小分離開來一樣。它的工作原理是：先讓帶電粒子加速，然后進(jìn)入磁場，根據(jù)粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑不同來區(qū)分不同質(zhì)量的粒子。這在科學(xué)研究中，對于分析物質(zhì)的組成成分非常有用。我在參觀一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的時候，看到質(zhì)譜儀在工作，那些復(fù)雜的數(shù)據(jù)在電腦屏幕上顯示出來，就像是在解讀一個神秘的密碼一樣。2、**回旋加速器**-回旋加速器可以使帶電粒子在磁場中不斷加速。它就像一個粒子的加速跑道，粒子在里面一圈一圈地跑，速度越來越快。它的原理是利用磁場讓粒子做圓周運(yùn)動，然后在粒子運(yùn)動的軌道上周期性地施加電場，使粒子不斷獲得能量加速。這就像我們在跑步的時候，每隔一段距離就有人給我們加油助力，讓我們跑得更快。六、典型問題1、**如何根據(jù)已知條件判斷洛倫茲力的方向？**-首先要確定磁場的方向和帶電粒子的運(yùn)動方向。如果是正電荷，就按照左手定則，讓磁感線穿入手心，四指指向粒子運(yùn)動方向，拇指就是洛倫茲力的方向；如果是負(fù)電荷，四指要指向粒子運(yùn)動的反方向。比如說，有一個帶正電的粒子向右運(yùn)動，磁場方向是垂直紙面向里，按照左手定則，我們就能得出洛倫茲力的方向是向上的。2、**帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑和哪些因素有關(guān)？**-從半徑公式r=mv/qB可以看出，它和粒子的質(zhì)量m、速度v成正比，和粒子的電荷量q、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比。例如，當(dāng)粒子的質(zhì)量增大時，在其他條件不變的情況下，它做圓周運(yùn)動的半徑就會增大；而當(dāng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時，半徑就會減小。一、選擇題1、關(guān)于磁場和磁感線，下列說法正確的是（）-A.磁感線是磁場中實(shí)際存在的曲線-B.磁場的基本性質(zhì)是對放入其中的磁體有力的作用-C.磁體周圍的磁感線都是從磁體的S極出來回到N極-D.小磁針N極在磁場中某點(diǎn)所受磁力的方向跟該點(diǎn)的磁場方向相反-答案：B。磁感線是假想的曲線，不是實(shí)際存在的，A錯誤；磁場的基本性質(zhì)就是對放入其中的磁體有力的作用，B正確；磁體周圍的磁感線是從N極出來回到S極，C錯誤；小磁針N極在磁場中某點(diǎn)所受磁力的方向跟該點(diǎn)的磁場方向相同，D錯誤。2、一根長直導(dǎo)線中有穩(wěn)恒電流，下列說法中正確的是（）-A.此直線電流周圍的磁場不是勻強(qiáng)磁場-B.此磁場的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，磁感線的疏密程度一樣-C.直線電流的方向與它的磁感線的方向之間的關(guān)系可以用安培定則來判定-D.直線電流周圍的磁場是勻強(qiáng)磁場-答案：A、C。直線電流周圍的磁場不是勻強(qiáng)磁場，A正確，D錯誤；磁感線是同心圓，但疏密程度不同，離導(dǎo)線越近磁感線越密，B錯誤；直線電流的方向與它的磁感線的方向之間的關(guān)系可以用安培定則來判定，C正確。二、填空題1、一電子以速度v垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，此電子受到的洛倫茲力大小為F=evB（設(shè)電子電荷量為e）。2、一個帶電粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，以速度v垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，它做勻速圓周運(yùn)動的周期為T=2πm/qB。三、計(jì)算題1、一個帶電荷量為q=3×10-6C的粒子，以速度v=5×105m/s垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.2T的勻強(qiáng)磁場中，求該粒子受到的洛倫茲力的大小。-解：根據(jù)洛倫茲力公式F=qvBsinθ，因?yàn)榱Ｗ哟怪边M(jìn)入磁場，所以θ=90°，sinθ=1。-則F=qvB=3×10-6×5×105×0.2=3×10-1N。2、