电磁学
洛伦兹力
改变 B 与粒子速率,观察磁场中带电粒子的轨迹。验证 及由左手定则给出的力方向。
器材
- 均匀磁场中带电粒子的3D模型
- 磁感应强度与角度/速度滑块
- 轨道半径读数与暂停按钮
实验步骤
固定速率改变B
在图1中固定「角度/速度」,把「磁感应强度」从10拖到100。观察轨迹弯曲加剧并读取半径:洛伦兹力垂直于速度,只改变运动方向不改变 |v|——轨道为圆。
验证拉莫尔半径
在两个 B 值和两个速率下读取半径 r,检验 :r 与 v 成正比、与 B 成反比。用「暂停」测周期,发现 与 v 无关。
检验角度依赖
用「角度/速度」改变 v 与 B 的夹角。θ = 90° 时力最大 ,轨道为闭合圆;θ 减小时平行于 B 的分量不受偏转,轨道张开成螺旋——符合 。
预测力方向与电荷符号
在图2中观察轨道弯曲方向,用左手定则推断 B 的方向或电荷符号。反转电荷符号(电流方向),先预测新的弯曲方向再运行——q 变号则力反向。
模拟
实验历史
19世纪对阴极射线的实验为运动电荷受力铺平了道路:詹姆斯·克拉克·麦克斯韦已在场方程中写下 项,奥利弗·赫维赛德将其表述为电荷所受的力(1889年)。亨德里克·安东·洛伦兹1895年在其电子理论中给出完整形式 ——「洛伦兹力」由此得名。
1897年J.J.汤姆孙通过平衡电偏转与磁偏转测得阴极射线的 e/m 比——亚原子粒子的首个证据。磁场弯轨原理随后成为质谱仪(阿斯顿1919)、回旋加速器(劳伦斯1932)及一切现代加速器的支柱。