قوة لورنتز: شحنة متحركة في مجال مغناطيسي
1 · توقّع
جسيم مشحون يتحرك عبر منطقة مجال مغناطيسي منتظم. هل تعتمد القوة المغناطيسية عليه على سرعة الجسيم، أم على شدة المجال فقط؟
- تعتمد القوة على شدة المجال فقط، لا السرعة.
- لا تعتمد القوة المغناطيسية على أي من الكميتين بطريقة بسيطة.
- تعتمد القوة على شدة المجال وسرعة الجسيم معًا — الجسيمات الأسرع تشعر بقوة مغناطيسية أقوى.
2 · التجهيز
- افتح مسبق qv-cross-b واضغط إعادة الضبط. منطقة المجال لها Bz = 0.12 T ثابتة؛ شحنة الاختبار q = 3×10⁻¹⁰ C.
- فعّل قراءة مقدار القوة على شحنة الاختبار.
- اضبط مركبتي سرعة شحنة الاختبار لكل تجربة وسجل مقدار القوة.
3 · اجمع البيانات
| المركبة الأفقية للسرعة v_x (m/s) | المركبة الرأسية للسرعة v_y (m/s) | مقدار القوة F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
ارسم مقدار القوة F (المحور الصادي) مقابل السرعة |v| = √(v_x² + v_y²) (المحور السيني) لمحاولاتك الثلاث.
4 · حلّل
- لمحاولة واحدة، احسب |F| = |q|·|B|·|v| باستخدام q = 3×10⁻¹⁰ C و B = 0.12 T و |v| = √(v_x² + v_y²). قارن بالجدول.
- اشرح لماذا يعتمد مقدار القوة المغناطيسية على سرعة الجسيم الكلية |v| لا على اتجاه سرعته — رغم أن اتجاه القوة يعتمد فعلًا على جهة حركته.
5 · وسّع
- القوة المغناطيسية دائمًا عمودية على السرعة (F = qv×B)، لذا تستطيع تغيير اتجاه الجسيم لكن أبدًا سرعته. اشرح لماذا لا يستطيع المجال المغناطيسي وحده تسريع جسيم مشحون أو إبطاءه، بل توجيهه فقط.
- جسيم مشحون يتحرك عموديًا على مجال مغناطيسي منتظم يسير في دائرة، لأن القوة المغناطيسية تشير دائمًا نحو مركز الدائرة. اشرح، باستخدام F = qvB، لماذا يرسم الجسيم الأسرع في المجال نفسه دائرة أكبر.
الفيزياء خلف هذه التجربة
قوة لورنتز (المغناطيسية)
شحنة q تتحرك بسرعة v عبر مجال مغناطيسي B تشعر بقوة F = qv×B عمودية على كل من سرعتها والمجال. مقدارها |F| = |q||v||B| عندما تكون v عمودية على B.