洛伦兹力：磁场中的移动电荷
1·预测
带电粒子穿过均匀磁场区域。其上的磁力取决于粒子的速度，还是仅取决于场强？
- 该力仅取决于场强，而不取决于速度。
- 磁力并不以简单的方式依赖于任何一个量。
- 该力取决于磁场强度和粒子的速度——速度越快的粒子感受到的磁力就越强。
2·设置
- 打开「qv叉乘B（qv-cross-b）」预设并按重置。该场区固定为Bz = 0.12 T；测试电荷为q = 3×10⁻¹⁰ C。
- 启用测试电荷上的力的大小读数。
- 设置每次试验的测试装药的速度分量并记录力的大小。
3·收集数据
| 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 |
针对三次试验，绘制力的大小F（y轴）相对速率|v| = √(v_x² + v_y²)（x轴）的关系图。
4·分析
- 对于其中一次试验，使用q = 3×10⁻¹⁰ C、B = 0.12 T、|v| = √(v_x² + v_y²)，计算|F| = |q|·|B|·|v|。将结果与表格比较。
- 解释为什么磁力的大小取决于粒子的总速度|v|，而不是其速度的方向——尽管力的方向确实取决于它的移动方式。
5·扩展
- 磁力始终垂直于速度 (F = qv×B)，因此它可以改变粒子的方向，但不能改变其速度。解释为什么单独的磁场永远不能加速或减慢带电粒子，只能引导它。
- 垂直于均匀磁场运动的带电粒子沿圆周运动，因为磁力始终指向圆心。使用 F = qvB 解释为什么同一场中速度更快的粒子会画出更大的圆。
这个实验背后的物理原理
洛伦兹力（磁力）
电荷 q 以速度 v 穿过磁场 B 时会受到力 F = qv×B，该力垂直于其速度和磁场。其大小为 |F| =|q||v||B|当 v 垂直于 B 时。