第2节磁场对运动电荷的作用

1、 福州一中王丽姜,6.2 磁场对运动电荷的作用,历史回顾,1897年由剑桥大学的卡文迪许实验室的约瑟夫汤姆逊将阴极射线引入磁场，确定射线是带电粒子流，电性为负，并测定其比荷，命名为电子。电子比最小的原子还小，打破原子不可分的思想，被授予诺贝尔物理奖。,运动电荷在磁场中是否受到力的作用呢？,汤姆孙.J.J,猜测依据1：电流在磁场中受到安培力的作用，而电流是由电荷的定向运动形成的，运动电荷在磁场中有受到力的作用。,F安,微观模型,阴极,-,狭缝,阳极,+,荧光屏,电子束,玻璃管抽真空，左右两极接高压电源 ，阴极发射电子，挡板上有一个扁平狭缝，电子被加速飞向阳极通过狭缝形成一个扁平电子束。长条形的荧

2、光板在阳极端稍倾向轴线，电子束射到荧光屏上，间接显示出轨迹。,1、阴极射线管仪器介绍：,一、实验验证,该实验现象说明什么？,2、看到的现象：,没有加磁场，观察到直线轨迹。 加磁场后，观察到轨迹弯曲。,一、实验验证,1895年荷兰物理学家，经典电子论的创立者洛伦兹推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，并定义为洛伦兹力。,二、洛伦兹力的理论研究,磁场对运动电荷有力的作用 洛伦兹力,洛伦兹力与安培力有关联吗？,猜测依据1： 安培力是电流在磁场中受到的，洛伦兹力是运动电荷在磁场中受到力；而电流是由电荷集体的定向运动形成的，二者有关系。,二、洛伦兹力的理论研究,F安,微观模型,猜测依据2：方向上的联系

3、安培力用左手定则判断，洛伦兹力也可以用左手定则判断吗？,二、洛伦兹力的理论研究,F安,微观模型,I,v,f洛,二、洛伦兹力的理论研究,I,f洛,v,二、洛伦兹力的理论研究,v,f洛,1、洛伦兹力的方向,左手定则,v,f洛,四指指向正电荷运动的方向； 四指指向负电荷运动的反方向； 总之，四指指向电流的方向。,二、洛伦兹力的理论研究,F安,洛伦兹力是安培力的微观本质. 安培力是洛伦兹力的宏观表现.,二、洛伦兹力的理论研究,2、洛伦兹力的大小,1、长为L导线，电流为I，受到安培力多大？ 2、长为L导线有多少电荷通过导体某一截面？ 3、电流的微观表达式？ 4、每个电荷受力多大？,设:导线长度为L，电流

4、I与磁感应强度B垂直，横截面积为S，其单位体积内的自由电荷数为n，每个电荷的电量为q，电荷定向运动的速度为v,微观模型,二、洛伦兹力的理论研究,（1）洛伦兹力的方向垂直于v和B组成的平面。洛伦兹力始终与速度方向垂直。 （2）洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小。,3、洛伦兹力的特点,若仅受到洛伦兹力作用垂直进入匀强磁场，运动电荷在磁场中将做什么运动呢？,三、带电粒子在磁场中做圆周运动的 理论研究,当v与B垂直时,根据,可得,粒子运动轨迹半径r由v、B及m/q决定； 同样的粒子，v越大，r越大； 同样的粒子，B越大，r越小； 同样的B、v，m/q不同，r不同；,理论推测:,外侧两环形线圈的

5、中间提供近似匀强磁场，玻璃泡内的电子枪发射出电子束，使泡内低压汞蒸气发出辉光，显示电子轨迹。,1、仪器介绍：洛伦兹力演示仪,四、带电粒子在磁场中做圆周运动的 实验验证,四、带电粒子在磁场中做圆周运动的 实验验证,2、实验现象：,没有加磁场，观察电子运动轨迹 运动轨迹为直线 外加磁场，电子垂直进入 运动轨迹变为圆周 速度v不变，增大磁感应强度B 圆周半径逐渐减小 B不变，增大速度v 圆周半径逐渐增大,当v与B垂直时,根据 ，,你觉得这在科研上能带来什么应用呢？,当v与B垂直时,根据 ，,同样的B、v，不同的粒子，m/q不同的，r不 同， 利用此特点可以区分粒子，识别粒子身份。 汤姆逊是怎么发现电

6、子的？,五、洛伦兹力的科研应用,当v与B垂直时,根据 ，,1897年由剑桥大学的卡文迪许实验室的约瑟夫汤姆逊将阴极射线引入磁场，通过实验获得粒子速度、磁感应强度B，测出偏转半径，获得电子的比荷。,五、洛伦兹力的科研应用,五、洛伦兹力的科研应用,（1）1895年洛伦兹定义并推导出洛伦兹力. （2）1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含 铀矿物 质的荧光现象时，偶然发现铀盐能放 射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射 线。发出的射线通过磁场确认身份。 （3）1897年由剑桥大学的卡文迪许实验室的约瑟夫汤姆逊在研究阴极射线时发现电子，测定比荷； （4）1930年狄拉克在理论上预言正电子的存在，

7、1932年美国物理学家安德森将宇宙射线通过加强磁场的云室，发现其轨迹与电子吻合，但偏转方向相反；不久约里奥-居里夫妇发现相同现象。正电子的发现证明了反物质的存在。 1955年，塞格雷和钱伯林观测的反质子的存在。,识别粒子身份,五、洛伦兹力的科研应用,识别粒子身份,（5）华裔科学家、1976年诺贝尔奖获得者、洛伦兹奖章获得者丁肇中先生于1965年发现反氘核。,五、洛伦兹力的科研应用,识别粒子身份,（5）1998年，丁肇中先生携众科学家（其中有200多位中国科学家），将大型磁谱仪利用飞船带入国际空间站，沐浴着宇宙射线永恒的安置在国际空间站，利用宇宙射线在强磁场中偏转，寻找反物质和暗物质的来源。 2

8、013年发现太空中有大量的正电子，这些正电子的来源很可能是暗物质碰撞所产生的。 2017年该磁谱仪在太空中已经收集到超过1000亿宇宙射线事件，其结果改变了人类对宇宙的认识。,五、洛伦兹力的科研应用,五、洛伦兹力的科研应用,原子,电子,原子核,质子,中子,+,-,夸克,科学前沿,欧洲大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深。总长17英里（含环形隧道）的隧道内。2013年发现玻色子，获得诺贝尔奖。,科学前沿,（6） 据法新社2018-8月-28日报道，欧洲强子对撞机有了新的发现，对撞出了常见的希格斯粒子，玻色子的衰变测量观测到底夸克耦合，就是底夸克与反底夸克对的生成，这

9、为今后发现耦合新粒子-超对称粒子成为了探究探索的标的。 强子对撞实验中心，利用加速后的强子碰撞，产生一连串粒子，在这些粒子中科学家寻求最为初始的基本粒子-希格斯玻色子。希格斯玻色子不带电，也不稳定，它快速衰变成四个介子。介子是带电粒子，图中的一圈圈黄线就是它的运动轨迹。通过磁场偏转径迹测量其动量和电性，还原衰变过程。,同学们认为该如何区分电性、测量动量？,发现反质子,1955年,塞格雷和钱伯林,识别粒子身份,洛伦兹力,研究天然衰变,发现电子,1895年,正电子,1896年,1897年,1930-1932年,洛伦兹,贝可勒尔,约瑟夫汤姆逊,狄拉克 安德森 约里奥-居里夫妇,发现反氘核,1998年

10、6月2日至今,国际空间站探测反物质,华裔丁肇中,华裔丁肇中,1965年,底夸克对耦合,2018年8月28日,欧洲强子对撞机,发现规律,尊重规律,应用规律,从1895年至今，探测带电粒子电性，确定比荷的方法一直都是将带电粒子射入强磁场中，观测偏转方向和轨迹，获得电性、比荷、动量。,总 结,福州一中2011届校友 王融坤 中科大博士后 欧洲强子对撞中心 粒子物理研究,思考：圆周运动还有哪些规律？若粒子速度方向与磁场B不垂直（平行或者成夹角），仅受洛伦兹力作用做什么运动？ 资料查找1：极光现象是一种自然现象，通常出现在地球的南北极区域。绚丽多彩，令人震撼。她的原理与太阳射出的带电粒子收到地磁场的作用

11、有关。请查阅书籍和网络，了解其原理. 资料查找2：利用磁场控制带电粒子偏转在实际中有很多应用，电视机就是利用特殊线圈产生的磁场控制电子偏转，扫描出画面，请上网查阅电视机原理。 资料查找3：洛伦兹不仅喜欢数学和物理，还喜欢阅读历史。上网查阅他的生平，思考他给你的启发。 资料查找4：丁肇中百度百科介绍；“玻色子”资料 请上学校孝煌图书馆，观看微视频带电粒子在匀强磁场中的圆周运动进行课后复习.,课后作业,思考：圆周运动还有哪些规律？若粒子速度方向与磁场B不垂直（平行或者成夹角），仅受洛伦兹力作用做什么运动？ 资料查找1：极光现象是一种自然现象，通常出现在地球的南北极区域。绚丽多彩，令人震撼。她的原理与太阳射出的带电粒子收到地磁场的作用有关。请查阅书籍和网络，了解其原理. 资料查找2：利