《磁場中的運動電荷》知識清單

《磁場中的運動電荷》知識清單一、磁現(xiàn)象的初步認識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隊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動電荷產(chǎn)生力的作用。-為了描述磁場的強弱和方向，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弱，磁感線上某點的切線方向表示該點的磁場方向。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1、**奧斯特實驗**-奧斯特可是個很了不起的科學家。他做了一個很有名的實驗，就是奧斯特實驗。他發(fā)現(xiàn)當導線中有電流通過時，導線下方的小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個實驗就像打開了一扇通往電磁學新世界的大門。-這個實驗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，當它在導線里奔跑的時候，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小實驗，當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、磁場對運動電荷的作用1、**洛倫茲力的概念**-當運動電荷在磁場中運動時，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動電荷的速度方向和磁場方向所決定的平面。這就有點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)；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷運動的方向（如果是負電荷，四指指向負電荷運動的反方向），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，按照左手定則一步一步來，就像在給一個小機器人下達指令一樣，最后準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動電荷的電荷量、速度大小、磁場的磁感應強度以及電荷運動方向與磁場方向的夾角有關。具體的計算公式是F=qvBsinθ，這里的F就是洛倫茲力的大小，q是運動電荷的電荷量，v是電荷的速度，B是磁場的磁感應強度，θ是電荷運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動1、**勻速圓周運動的條件**-當帶電粒子垂直進入磁場時，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動一樣，洛倫茲力在這里就相當于地球的引力，讓帶電粒子在磁場里繞著圈運動。-粒子做勻速圓周運動的半徑公式是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是磁場的磁感應強度。這個公式可以幫助我們算出粒子做圓周運動的半徑大小。我曾經(jīng)看到一個關于粒子在磁場中運動軌跡模擬的視頻，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。我在參觀一個科學實驗室的時候，看到質(zhì)譜儀在工作，那些復雜的數(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動，然后在粒子運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，四指指向粒子運動方向，拇指就是洛倫茲力的方向；如果是負電荷，四指要指向粒子運動的反方向。比如說，有一個帶正電的粒子向右運動，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動的半徑和哪些因素有關？**-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、磁場的磁感應強度B成反比。例如，當粒子的質(zhì)量增大時，在其他條件不變的情況下，它做圓周運動的半徑就會增大；而當磁場的磁感應強度增大時，半徑就會減小。一、選擇題1、關于磁場和磁感線，下列說法正確的是（）-A.磁感線是磁場中實際存在的曲線-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極在磁場中某點所受磁力的方向跟該點的磁場方向相反-答案：B。磁感線是假想的曲線，不是實際存在的，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極在磁場中某點所受磁力的方向跟該點的磁場方向相同，D錯誤。2、一根長直導線中有穩(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磁場-B.此磁場的磁感線是一些以導線上各點為圓心的同心圓，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系可以用安培定則來判定-D.直線電流周圍的磁場是勻強磁場-答案：A、C。直線電流周圍的磁場不是勻強磁場，A正確，D錯誤；磁感線是同心圓，但疏密程度不同，離導線越近磁感線越密，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垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，此電子受到的洛倫茲力大小為F=evB（設電子電荷量為e）。2、一個帶電粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，以速度v垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，它做勻速圓周運動的周期為T=2πm/qB。三、計算題1、一個帶電荷量為q=3×10-6C的粒子，以速度v=5×105m/s垂直進入磁感應強度為B=0.2T的勻強磁場中，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，因為粒子垂直進入磁場，所以θ=90°，sinθ=1。-則F=qvB=3×10-6×5×105×0.2=3×10-1N。2、