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        試論高中物理中磁場對運動電荷的作用

        2016-08-08 10:02:27張晶浙江省武義第一中學
        新課程(下) 2016年3期
        關鍵詞:磁場高中物理作用

        張晶(浙江省武義第一中學)

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        試論高中物理中磁場對運動電荷的作用

        張晶
        (浙江省武義第一中學)

        摘要:在高中物理中,磁場對運動電荷的作用這一章節(jié)的重點是洛倫茲力的大小及其方向。教師在實際教學過程中,要利用安培力的概念引出洛倫茲力的概念,使學生能夠更加深刻地知悉洛倫茲力。這一節(jié)的難點是學生學習如何用左手定則來判斷洛倫茲力的方向,疑點是磁場對運動電荷有作用力,而對靜止電荷沒有作用力。

        關鍵詞:高中物理;磁場;運動電荷;作用

        如今,家家戶戶都有電視機,電視機發(fā)光的原因卻是電視顯像管中一束細細電子作用的結果,這是為什么呢?極光現象的產生是宇宙深處射來的帶電粒子作用的結果,而極光現象只在地球兩極出現,這又是為什么呢?想要回答以上兩個問題,就要了解磁場對運動電荷的作用相關知識。

        一、關于磁場對運動電荷作用的思考

        高中物理中的安培力,是通電導線在磁場中受到的作用力,它的方向是根據左手定則來判定的。由此,我們可以設想一下:第一,導線在不通電時,就不會受到磁場力的作用;在通電時,就會受到磁場力的作用。那么為什么說導線中通有電流?(導線中通有電流,說明導線中發(fā)生了自由電荷的移動)第二,導線在通電時,就會受到磁場力的作用,即導線中有自由電荷的定向移動。那么,我們所說的磁場對通電導線的作用力,會不會實際上就是在做定向移動的電荷上?第三,磁場對定向移動的電荷會有力的作用嗎?(電流是由電荷的定向移動形成的,磁場對電流有力的作用,即對電荷有力的作用)

        二、磁場對運動電荷作用的探究實驗

        在這個實驗當中,我們將蹄形磁鐵作為磁場,將陰極射線管和高壓線圈當作運動電荷,從而更生動直觀地將實驗現象展示出來。本次實驗分為兩種情況,第一種是在沒有磁場(即沒有蹄形磁鐵的存在)的情況下,觀察熒光屏顯示電子束的徑跡;第二種是在有磁場(即有蹄形磁鐵的存在)的情況下,觀察電子束的偏轉情況,從而得出相應的結論。

        通過以上簡單的探究實驗,我們不難得出結論:電子束在陰極射線管磁場中發(fā)生偏轉,磁場對運動電荷存在作用力。

        三、高中物理中磁場對電荷的作用分析之洛倫茲力

        1.定義及其公式推導

        荷蘭物理學家洛倫茲最早提出“磁場對運動電荷有力的作用”。人們?yōu)榱思o念他,把運動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力。在高中物理課本中,洛倫茲力的公式為F=qvB。洛倫茲力公式的推導推導有兩個方案,第一,我們假設孤立的電荷以速度v在磁場中定向運動一段時間,且時間為t,則I=q/v,L=vt,f=ILB=q/t,B=qvB;第二,假設有一段長為l的導線,橫截面積為S,單位體積內自由電荷數為n,每個電荷帶電量為q,運動速度為v,則,導線中電流I=Q/t=nSq/t,t=l/v,所以,I=nqvS。另外,由磁場強度定義B= F/IL,得知導線所受安培力:F=BIL,將I=nqvS帶入得,安培力F= (nqvS)BL。我們可以把安培力看作是作用在每個運動電荷上的洛倫茲力的合力,這段導線中含有的運動電荷數位nLS。所以,洛倫茲力F=安培力/電荷數=(nqvS)BL/nLS=qvB。

        除此之外,還需要注意的是,上述推導是在v⊥B的基礎上建立起來的,所以,這個表達式洛倫茲力F=qvB只適應于v⊥B的情況。

        2.洛倫茲力的方向

        通電導線所受的安培力可以用左手定則來判斷,電流的形成是由于電荷的定向移動,磁場對這個電流有力的作用,即磁場對電荷有力的作用。同理推測,洛倫茲力的方向是否也可以用左手定則來判斷?

        我們進行實驗驗證的時候存在兩種情況:第一,在不改變磁場方向的情況下,觀察電子束的偏轉方向;第二,在改變磁場方向的情況下,觀察電子束的偏轉方向,從而得出洛倫茲力的方向可以用左手定則進行判定的結論。在進行洛倫茲力方向判定的時候,首先判斷運動電荷形成的電流方向,其次根據左手定則判定洛倫茲力的方向。

        3.洛倫茲力的左手定則

        將左手手掌攤開,讓磁感線穿過手掌心,四指指向電荷(正)的運動方向,那么和四指垂直的大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。注意,正電荷的洛倫茲力的方向是大拇指所指的方向;如果是負電荷,其洛倫茲力的方向是大拇指指向的反方向。另外,可以把負電荷看作是運動方向相反的正電荷,四指代表負電荷運動的反方向,那么,與四指垂直的大拇指所指的方向就是負電荷的洛倫茲力的方向。

        4.洛倫茲力與安培力的關系

        安培力(載流導線在磁場中受到的作用力)是洛倫茲力(帶電粒子—載流子—在磁場中受到的作用力)的宏觀表現,洛倫茲力是安培力的微觀本質。

        導線中的電流是由其中的載流子定向移動形成的。假設導線橫截面積為S,其中有電流I通過,設導線單位體積內有n個載流子,每個載流子的電量為q,為了方便簡單計算,設各載流子定向移動的速度都為v,如果B⊥v,那么每個載流子受到洛倫茲力都為f=qvB;長度為L的導線中共有N=nLS個載流子,它們受到的洛倫茲力的合力為F=Nf=nLSqvB,而電流I=Q/t=Nq/t=nSvq。所以,F= ILB,即各載流子所受洛倫茲力的合力等于安培力。

        通過理論依據和進行實驗觀察,我們知道磁運動電荷在磁場中受到的力是洛倫茲力;通過理論猜想和進行實驗驗證,我們知道洛倫茲力方向的判斷也可以用左手定則進行;通過學習,我們知道安培力是洛倫茲力的宏觀表現;依據洛倫茲力和安培力的關系,我們推導出了在v⊥B的前提下,洛倫茲力F=qvB。

        參考文獻:

        [1]何永林.高中物理磁場相關知識教學的研究[D].蘇州大學,2009.

        [2]朱建洪.高中物理“磁場”一章情境教學研究[D].蘇州大學,2010.

        ·編輯楊倩

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