แรงลอเรนซ์ ประจุเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก
1 · ทำนาย
อนุภาคประจุเคลื่อนที่ผ่านบริเวณสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ แรงแม่เหล็กบนมันขึ้นกับอัตราเร็วของอนุภาค หรือเฉพาะความเข้มสนาม
- แรงขึ้นกับความเข้มสนามเท่านั้น ไม่ใช่อัตราเร็ว
- แรงแม่เหล็กไม่ขึ้นกับทั้งสองปริมาณแบบง่าย ๆ
- แรงขึ้นกับทั้งความเข้มสนามและอัตราเร็ว — อนุภาคที่เร็วกว่ารู้สึกแรงแม่เหล็กมากกว่า
2 · จัดเตรียม
- เปิดพรีเซ็ท qv-cross-b แล้วกดรีเซ็ต บริเวณสนามมี Bz = 0.12 T คงที่ ประจุทดสอบ q = 3×10⁻¹⁰ C
- เปิดค่าแสดงขนาดแรงบนประจุทดสอบ
- ตั้งองค์ประกอบความเร็วของประจุทดสอบในแต่ละรอบแล้วบันทึกขนาดแรง
3 · เก็บข้อมูล
| องค์ประกอบ x ของความเร็ว v_x (m/s) | องค์ประกอบ y ของความเร็ว v_y (m/s) | ขนาดแรง F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
จงเขียนกราฟขนาดแรง F (แกน y) กับอัตราความเร็ว |v| = √(v_x² + v_y²) (แกน x) ของสามรอบ
4 · วิเคราะห์
- สำหรับหนึ่งรอบ จงคำนวณ |F| = |q|·|B|·|v| โดยใช้ q = 3×10⁻¹⁰ C, B = 0.12 T, |v| = √(v_x² + v_y²) เทียบกับตาราง
- อธิบายว่าเหตุใดขนาดแรงแม่เหล็กจึงขึ้นกับอัตราเร็วรวม |v| ของอนุภาค ไม่ใช่ทิศทางความเร็ว — แม้ทิศของแรงขึ้นกับว่ามันเคลื่อนที่ไปทางใด
5 · ต่อยอด
- แรงแม่เหล็กตั้งฉากกับความเร็วเสมอ (F = qv×B) จึงเปลี่ยนทิศทางของอนุภาคได้แต่ไม่มีวันเปลี่ยนอัตราความเร็ว จงอธิบายว่าทำไมสนามแม่เหล็กเพียงลำพังจึงเร่งหรือหน่วงอนุภาคมีประจุไม่ได้ ทำได้เพียงบังคับทิศทาง
- อนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอเดินทางเป็นวงกลม เพราะแรงแม่เหล็กชี้เข้าหาศูนย์กลางวงกลมเสมอ จงใช้ F = qvB อธิบายว่าทำไมอนุภาคที่เร็วกว่าในสนามเดิมจึงลากวงกลมที่ใหญ่กว่า
ฟิสิกส์เบื้องหลังการทดลองนี้
แรงลอเรนซ์ (แม่เหล็ก)
ประจุ q ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ในสนามแม่เหล็ก B รับแรง F = qv×B ซึ่งตั้งฉากกับทั้งความเร็วและสนาม ขนาดคือ |F| = |q||v||B| เมื่อ v ตั้งฉากกับ B