Lực Lorentz: Một điện tích chuyển động trong từ trường
1 · Dự đoán
Một hạt mang điện chuyển động trong vùng từ trường đều. Lực từ tác dụng lên nó phụ thuộc vào tốc độ của hạt hay chỉ phụ thuộc vào cường độ trường?
- Lực chỉ phụ thuộc vào cường độ trường chứ không phụ thuộc vào tốc độ.
- Lực từ không phụ thuộc vào đại lượng nào một cách đơn giản.
- Lực phụ thuộc vào cả cường độ trường và tốc độ của hạt - các hạt nhanh hơn sẽ cảm thấy lực từ mạnh hơn.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước qv-cross-b và nhấn Reset. Vùng trường có Bz = 0.12 T cố định; phí kiểm tra là q = 3×10⁻¹⁰ C.
- Kích hoạt tính năng đọc cường độ lực trên điện tích thử nghiệm.
- Đặt các thành phần vận tốc của điện tích lần thử cho mỗi lần thử và ghi lại độ lớn lực.
3 · Thu thập dữ liệu
| Vận tốc thành phần x v_x (m/s) | Vận tốc thành phần y v_y (m/s) | Độ lớn lực F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
Vẽ biểu đồ độ lớn lực F (trục y) theo tốc độ |v| = √(v_x² + v_y²) (trục x) cho ba lần thử của bạn.
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính |F| = |q|·|B|·|v| sử dụng q = 3×10⁻¹⁰ C, B = 0.12 T, |v| = √(v_x² + v_y²). So sánh với bảng.
- Giải thích tại sao độ lớn của lực từ phụ thuộc vào tốc độ toàn phần |v| của hạt, chứ không phụ thuộc vào hướng vận tốc của nó — mặc dù hướng của lực phụ thuộc vào hướng chuyển động của nó.
5 · Gia hạn
- Lực từ luôn vuông góc với vận tốc (F = qv×B), do đó nó có thể làm thay đổi hướng của hạt nhưng không bao giờ làm thay đổi tốc độ của hạt. Giải thích tại sao chỉ riêng từ trường không bao giờ có thể tăng tốc hay làm chậm một hạt tích điện mà chỉ có thể điều khiển nó.
- Một hạt tích điện chuyển động vuông góc với từ trường đều chuyển động theo một vòng tròn, vì lực từ luôn hướng vào tâm vòng tròn. Giải thích, bằng cách sử dụng F = qvB, tại sao một hạt nhanh hơn trong cùng một trường lại vẽ một đường tròn lớn hơn.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Lực Lorentz (Từ tính)
Một điện tích q chuyển động với vận tốc v trong từ trường B chịu một lực F = qv×B, vuông góc với cả vận tốc và từ trường của nó. Độ lớn của nó là |F| = |q||v||B| khi v vuông góc với B.