洛倫茲力：磁場中的移動電荷
1·預測
帶電粒子穿過均勻磁場區域。其上的磁力取決於粒子的速度，還是只取決於場強？
- 此力僅取決於場強，而不取決於速度。
- 磁力並不以簡單的方式依賴任何一個量。
- 此力取決於磁場強度和粒子的速度－速度越快的粒子感受到的磁力就越強。
2·設定
- 打開「qv叉積B（qv-cross-b）」預設並按重設。該場區固定為Bz = 0.12 T；測試電荷為q = 3×10⁻¹⁰ C。
- 啟用測試電荷上的力的大小讀數。
- 設定每次試驗的測試裝藥的速度分量並記錄力的大小。
3·收集數據
| 速度x分量v_x (m/s) | 速度y分量v_y (m/s) | 力大小F (µN) |
|---|---|---|
| 200000.00 | 150000.00 | |
| 100000.00 | 200000.00 | |
| 300000.00 | 0.00 |
針對三次試驗，繪製力的大小F（Y軸）相對速率|v| = √(v_x² + v_y²)（x軸）的關係圖。
4·分析
- 對於一次試驗，計算 |F| = |q|·|B|·|v| 使用 q = 3×10⁻¹⁰ C, B = 0.12 T, |v| = √(v_x² + v_y²). 與表格進行比較。
- 解釋為什麼磁力的大小取決於粒子的總速度|v|，而不是其速度的方向——儘管力的方向確實取決於它的移動方式。
5·擴展
- 磁力始終垂直於速度 (F = qv×B)，因此它可以改變粒子的方向，但不能改變其速度。解釋為什麼單獨的磁場永遠不能加速或減慢帶電粒子，只能引導它。
- 垂直於均勻磁場運動的帶電粒子沿著圓週運動，因為磁力總是指向圓心。使用 F = qvB 解釋為什麼在同一場中速度較快的粒子會畫出較大的圓。
這個實驗背後的物理原理
洛倫茲力（磁力）
電荷 q 以速度 v 穿過磁場 B 時會受到力 F = qv×B，該力垂直於其速度和磁場。其大小為 |F| =|q||v||B|當 v 垂直於 B 時。