La force de Lorentz : une charge en mouvement dans un champ magnétique
1 · Prédire
Une particule chargée se déplace dans une région de champ magnétique uniforme. La force magnétique exercée sur celle-ci dépend-elle de la vitesse de la particule, ou uniquement de l'intensité du champ ?
- La force dépend uniquement de l’intensité du champ et non de la vitesse.
- La force magnétique ne dépend ni de l’une ni de l’autre de manière simple.
- La force dépend à la fois de l'intensité du champ et de la vitesse de la particule : les particules plus rapides ressentent une force magnétique plus forte.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage qv-cross-b et appuyez sur Réinitialiser. La région de champ a un Bz = 0.12 T fixe ; la charge d'essai est q = 3×10⁻¹⁰ C.
- Activez la lecture force-magnitude sur la charge de test.
- Réglez les composantes de vitesse de la charge de test pour chaque essai et enregistrez l'amplitude de la force.
3 · Collecter les Données
| Vitesse x-composante v_x (m/s) | Composante y de vitesse v_y (m/s) | Ampleur de la force F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
Tracer l'amplitude de la force F (axe y) en fonction de la vitesse |v| = √(v_x² + v_y²) (axe des x) pour vos trois essais.
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez |F| = |q|·|B|·|v| en utilisant q = 3×10⁻¹⁰ C, B = 0.12 T, |v| = √(v_x² + v_y²). Comparez avec le tableau.
- Expliquez pourquoi l'ampleur de la force magnétique dépend de la vitesse totale de la particule |v|, et non de la direction de sa vitesse - même si la direction de la force dépend de la direction dans laquelle elle se déplace.
5 · Approfondir
- La force magnétique est toujours perpendiculaire à la vitesse (F = qv×B), elle peut donc changer la direction d'une particule mais jamais sa vitesse. Expliquez pourquoi un champ magnétique à lui seul ne peut jamais accélérer ou ralentir une particule chargée, mais seulement la diriger.
- Une particule chargée se déplaçant perpendiculairement à un champ magnétique uniforme se déplace en cercle, car la force magnétique pointe toujours vers le centre du cercle. Expliquez, en utilisant F = qvB, pourquoi une particule plus rapide dans le même champ trace un cercle plus grand.
La physique derrière cette expérience
Force de Lorentz (magnétique)
Une charge q se déplaçant avec une vitesse v à travers un champ magnétique B subit une force F = qv×B, perpendiculaire à la fois à sa vitesse et au champ. Sa magnitude est |F| = |q||v||B| lorsque v est perpendiculaire à B.