大学物理课件14.pptx
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1、本 章 题 头第1页/共58页内 容 提 要第2页/共58页第 一 节第3页/共58页司 南第4页/共58页奥 斯 特 实 验18201820年7 7月丹麦物理学家奥斯特 磁针的一跳第5页/共58页18201820年7 7月丹麦物理学家奥斯特 磁针的一跳电流的磁效应法国物理学家迅速行动阿拉果 9.119.11 法国科学院介绍安培 9.189.18 平行载流直导线的相互作用毕奥 萨伐尔 拉普拉斯 10.3010.30 毕萨公式安培 12.1412.14 电流元相互作用公式从奥斯特磁针的一跳到对磁现象的系统认识只用半年时间 说明科学家的锲而不舍的精神第6页/共58页电 子 束 偏 转第7页/共58
2、页磁 双 极 不 可 分第8页/共58页第 二 节第9页/共58页磁 场第10页/共58页2.磁场的特征:磁场的特征:(1)在磁场中的运动电荷、载流导体、)在磁场中的运动电荷、载流导体、磁性介质等磁性介质等受磁场力作用。受磁场力作用。(2)运动电荷、载流导体在磁场中运动)运动电荷、载流导体在磁场中运动 时,磁力作功。时,磁力作功。磁场具有能量磁场具有能量稳恒电流周围稳恒电流周围稳恒磁场稳恒磁场磁场的描述磁场的描述定量:磁感应强度定量:磁感应强度 毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律安培环路定理安培环路定理定性:磁力线(磁通量)定性:磁力线(磁通量)本章的重点:本章的重点:1.计算计算B的两种方法的两
3、种方法第11页/共58页描述磁场强弱及方向的物理量。描述磁场强弱及方向的物理量。用运动电荷用运动电荷qo来检验:来检验:设电荷设电荷qo以速度以速度 v 进入磁场进入磁场B中的中的P点。点。(1)对对 v 的某一特定方向上,的某一特定方向上,qo受力受力F=0,定义该方向为该点处定义该方向为该点处B 的方向。的方向。+qoB.P+(2)改变改变 v 的方向通过的方向通过P点,点,总是有总是有 F v,F是是侧向力侧向力并且有并且有 F B,定义:定义:即即:F=qovB Sin(3)使使qo沿沿 v B 的方向运动时,的方向运动时,F=FMax第12页/共58页F、v、B 三者之间的关系如下:
4、三者之间的关系如下:1)F(v、B)决定的平面决定的平面2)v B 时,时,F=FMax3)v|B 或或 v B 及及 v=0时,时,F=0大小大小方向方向B显然比显然比 复杂复杂B如何计算?如何计算?即即:F=qovB Sin 第13页/共58页第 二 节第14页/共58页一、带电粒子在电场和磁场中所受的力一、带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力电场力磁场力磁场力洛仑兹力的方向垂直洛仑兹力的方向垂直于运动电荷的速度和于运动电荷的速度和磁感应强度所组成的磁感应强度所组成的平面,且符合右手螺平面,且符合右手螺旋定则。旋定则。带电粒子在电场和磁场带电粒子在电场和磁场中所受的力中所受的力q BvFm
5、第15页/共58页洛仑兹洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853-1928)1895年,洛仑兹根据物质电结构的假年,洛仑兹根据物质电结构的假说,创立了说,创立了经典电子论经典电子论。洛仑兹的电磁。洛仑兹的电磁场理论研究成果,在现代物理中占有重场理论研究成果,在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。在磁场中所受的力的实验中确立起来的。洛仑兹还预言了洛仑兹还预言了正常的塞曼效益正常的塞曼效益,即,即磁场中的光源所发出的各谱线,受磁场磁场中的光源所发出的各谱线,受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某
6、种特的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。殊现象。洛仑兹的理论是从经典物理到相对论洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁,他的理论构成了相对物理的重要桥梁,他的理论构成了相对论的重要基础。洛仑兹对论的重要基础。洛仑兹对统计物理学统计物理学也也有贡献。有贡献。荷兰物理学家、数荷兰物理学家、数学家,因研究磁场学家,因研究磁场对辐射现象的影响对辐射现象的影响取得重要成果,与取得重要成果,与塞曼共获塞曼共获1902年诺年诺贝尔物理学奖金。贝尔物理学奖金。第16页/共58页2、速度方向与磁场方向垂直、速度方向与磁场方向垂直洛仑兹力的大小洛仑兹力的大小方向:垂直与速度的和磁场的方向方向:垂直与
7、速度的和磁场的方向回旋半径回旋半径回旋周期回旋周期回旋频率回旋频率圆周运动圆周运动+q,mR带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动1、速度方向与磁场方向平行、速度方向与磁场方向平行带电粒子受到的洛仑兹力为零,带电粒子受到的洛仑兹力为零,粒子作直线运动。粒子作直线运动。第17页/共58页3、速度方向与磁场方向有夹角、速度方向与磁场方向有夹角把速度分解成平行于磁场的把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量分量与垂直于磁场的分量平行于磁场的方向:平行于磁场的方向:F/=0,匀速直线运动匀速直线运动垂直于磁场的方向:垂直于磁场的方向:F=qvBsin,匀速圆周运动,匀速圆周运动粒子
8、作螺旋线向前运动,轨迹是螺旋线。粒子作螺旋线向前运动,轨迹是螺旋线。回旋半径回旋半径回旋周期回旋周期螺距螺距粒子回转一周所粒子回转一周所前进的距离前进的距离动画第18页/共58页例、一带电粒子射入均匀磁场,当粒子的初速度与磁场方向斜交时,粒子的运动方程为 x=acoskt,y=asinkt,z=bt其中a、b、k是常量。试求此粒子的运动轨迹,以及走过的路程s与时间t 的关系。解:粒子的运动轨迹是螺旋线。一个周期内一个周期内另解:第19页/共58页hB 螺距螺距d与与v无关,只与无关,只与v/成正比,若各成正比,若各粒子的粒子的v/相同,则其螺距是相同的,每相同,则其螺距是相同的,每转转 一周粒
9、子都相交于一点,利用这个一周粒子都相交于一点,利用这个原理,可实现原理,可实现磁聚焦磁聚焦。第20页/共58页*带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子进入轴对称会聚磁场,由带电粒子进入轴对称会聚磁场,由于磁场的不均匀,洛仑兹力的大小于磁场的不均匀,洛仑兹力的大小要变化,所以不是匀速圆周运动。要变化,所以不是匀速圆周运动。且且半径也随磁场变化半径也随磁场变化。使沿磁场的运动被抑,而被迫使沿磁场的运动被抑,而被迫反转。象被反转。象被“反射反射”回来一样回来一样磁镜磁镜。*应用:应用:磁约束磁约束用于受控用于受控热核反应中热核反应中动画第21页/共58页目前状况:等离子体温
10、度已达4.4亿度;(相当于太阳内核温度的30倍)脉冲聚变输出功率超过16兆瓦;Q值(表示输出功率与输入功率之比)已超过1.25。可行性已被证实。可控热核聚变能但只有数秒时间!主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。第22页/共58页7个参与国家和组织(中国、韩国、欧盟、印度、日本、俄罗斯和美国)将合作建造世界最大的托卡马克装置。国际热核聚变实验堆(ITER)计划(International Thermonuclear Experimental Reactor)最新预算加至160亿欧元 ITER的超导线圈所用超导电缆是中国科学院合肥等离子体物理研究所所制 第23页/共58页中国的实验先进超导托卡马
11、克装置-EAST 第24页/共58页地磁场,两极强,中间弱,能地磁场,两极强,中间弱,能够捕获来自宇宙射线的带电粒够捕获来自宇宙射线的带电粒子,在两极之间来回振荡。子,在两极之间来回振荡。1958年,探索者一号卫星在外年,探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和宇宙射线和太阳风的质子层和电子层电子层Van Allen辐射带辐射带第25页/共58页带电粒子在电场和磁场中的运动举例带电粒子在电场和磁场中的运动举例电子比荷(电子比荷(e/m)的测定)的测定引言:引言:电子的电量和质量是电子的电量和质量是电子基本属性,对电子的电电子基本属性,对电
12、子的电量、质量和两者的比值量、质量和两者的比值(即比即比荷荷)的测定有重要的意义。的测定有重要的意义。1897年年J.J.Thomson在卡文在卡文迪许实验室测量电子比荷,迪许实验室测量电子比荷,为此为此1906年获年获Nobel物理奖。物理奖。实验装置实验装置原理原理加速电子经过电场与磁场区域加速电子经过电场与磁场区域发生偏转发生偏转y结论结论对于速度不太大的电子对于速度不太大的电子第26页/共58页2、质谱仪质谱仪引言:引言:是用物理方法分析同位素的仪器,由英国物理学家与是用物理方法分析同位素的仪器,由英国物理学家与化学家阿斯顿于在布歇勒实验仪器进行改装的基础上于化学家阿斯顿于在布歇勒实验
13、仪器进行改装的基础上于1919年创造,当年发现了氯与汞的同位素,以后几年又发现了许年创造,当年发现了氯与汞的同位素,以后几年又发现了许多同位素,特别是一些非放射性的同位素,为此,阿斯顿于多同位素,特别是一些非放射性的同位素,为此,阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。原理图原理图速度选择器速度选择器+从离子源出来的离子经过从离子源出来的离子经过S1、S2加速进入电场和磁场空间,加速进入电场和磁场空间,若粒子带正电荷若粒子带正电荷+q,则电荷所,则电荷所受的力有:受的力有:洛仑兹力:洛仑兹力:qvB电场力电场力:qE若粒子能进入下面的磁场若粒子能进入下面的磁场qvB=qE速度选择器
14、速度选择器第27页/共58页若每个离子所带电量相等,由若每个离子所带电量相等,由谱线的位置可以确定同位素的谱线的位置可以确定同位素的质量。质量。由感光片上谱线的黑度,可以由感光片上谱线的黑度,可以确定同位素的相对含量。确定同位素的相对含量。质谱分析:质谱分析:带电粒子带电粒子 经过速度选择器后,进入磁经过速度选择器后,进入磁场场B中做圆周运动,半径中做圆周运动,半径R为为+锗的质谱锗的质谱第28页/共58页3、回旋加速器回旋加速器美国物理学家劳伦美国物理学家劳伦斯于斯于1934年研制成年研制成功第一台加速器功第一台加速器劳伦斯于劳伦斯于1939年获年获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。第29页/
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