个典型教案目录

1、库仑平方反比律的精确验证库仑平方反比律的精确验证库仑平方反比律库仑平方反比律 高斯定理高斯定理 电荷只分布电荷只分布在导体表面。反过来，如果电荷间的作用力偏离在导体表面。反过来，如果电荷间的作用力偏离了平方反比了平方反比1120q qF4r则导体中电荷也不完全分布在导体表面。则导体中电荷也不完全分布在导体表面。 目前的实验结果：目前的实验结果：162.7 104 4 范德格拉夫起电机范德格拉夫起电机电电源源+D应用：起电机P52+ (3) (3)导体表面曲率的影响，尖端放电。导体表面曲率的影响，尖端放电。在孤立导体表面电荷分布，曲率大处，面电荷密度大，在孤立导体表面电荷分布，曲率大处，面电荷密

2、度大，因而场强大。因而场强大。尖端放电尖端放电，应用到避雷针，应用到避雷针 Why?Why? 例题例题 两个半径分别为两个半径分别为R R和和r r 的球形导体的球形导体 ( ( R R r r ) )，用一根很长的细导线连接起来，用一根很长的细导线连接起来（如图），使这个导体组带电，电势为（如图），使这个导体组带电，电势为U U，求两球表面电荷面密度与曲率的关系。求两球表面电荷面密度与曲率的关系。Qr rR R 解解: :两个导体所组成的整体可看成是一个孤立导两个导体所组成的整体可看成是一个孤立导体系，在静电平衡时有一定的电势值。设这两个球相体系，在静电平衡时有一定的电势值。设这两个球相距很

3、远，使每个球面上的电荷分布在另一球所激发的距很远，使每个球面上的电荷分布在另一球所激发的电场可忽略不计。细线的作用是使两球保持等电势。电场可忽略不计。细线的作用是使两球保持等电势。因此，每个球又可近似的看作为孤立导体，在两球表因此，每个球又可近似的看作为孤立导体，在两球表面上的电荷分布各自都是均匀的。设大球所带电荷量面上的电荷分布各自都是均匀的。设大球所带电荷量为为Q Q，小球所带电荷量为，小球所带电荷量为q q，则两球的电势为，则两球的电势为001144QqURrrRqQ 可见大球所带电量可见大球所带电量Q Q 比小球所带电量比小球所带电量q q多。多。两球的电荷密度分别为两球的电荷密度分别

4、为24,24rqRQrR 可见可见电荷面密度和半径成反比电荷面密度和半径成反比，即曲率半径，即曲率半径愈小（或曲率愈大），电荷面密度愈大。愈小（或曲率愈大），电荷面密度愈大。RrrR“尖端放电尖端放电”的原因就是由于导体尖端处曲率大，的原因就是由于导体尖端处曲率大，电荷密度大，场强大而产生的放电现象。因此电子电荷密度大，场强大而产生的放电现象。因此电子线路的焊点和高压线路及零部件要避免毛刺，而避线路的焊点和高压线路及零部件要避免毛刺，而避雷针和电视发射塔却要作得很尖。雷针和电视发射塔却要作得很尖。演示实验：电风应用：避雷针nextnext1820年年7月月 奥斯特实验奥斯特实验 (实验实验1)

5、二、电流的磁效应二、电流的磁效应奥斯特实验表明奥斯特实验表明1）电流对指针施加了力的作）电流对指针施加了力的作用用 电流的磁效应电流的磁效应2）突破了非接触的物体之间只）突破了非接触的物体之间只存在有心力的观念拓宽了作存在有心力的观念拓宽了作用力类型用力类型奥斯特奥斯特 揭示了电现象与磁现象的联系揭示了电现象与磁现象的联系 宣告电磁学作为一个统一学科宣告电磁学作为一个统一学科诞生诞生 历史性的突破历史性的突破 此后迎来了电磁学蓬勃发展的此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮高潮Ampere写道：写道：“Oerster先生先生已经永远把他的名字和一个新纪已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了元联系在

6、一起了”Faraday评论说：评论说：“它突然打开了它突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明大门，使其充满光明”反过来，磁铁对电流是否也有力的作用？反过来，磁铁对电流是否也有力的作用？实验实验2 Ampere电流电流与电流之间有与电流之间有力的作用力的作用实验实验3实验实验4 法拉第法拉第（Michael Faraday, 1791-1867），伟大的英国物理学），伟大的英国物理学家和化学家。他创造性地提出场家和化学家。他创造性地提出场的思想，磁场这一名称是法拉第的思想，磁场这一名称是法拉第最早引入的。他是电磁理论的创最早引入的。他是电磁理论的创始

7、人之一，于始人之一，于1831年发现电磁感年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，以及光物质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转的偏振面在磁场中的旋转. 一一. .电磁感应现象电磁感应现象实验实验1 1 当条形磁铁向着闭合线圈或者远离闭合线圈运当条形磁铁向着闭合线圈或者远离闭合线圈运动时，如图动时，如图3 31 1所示，则回路中就会产生感应电流。所示，则回路中就会产生感应电流。磁铁与线圈相对运动，线圈处的磁感应强度磁铁与线圈相对运动，线圈处的磁感应强度B变化变化实验实验2 2 用通电螺线管代替磁棒，重复实验用通电螺线管代替磁棒，重

8、复实验1 1，回路中也，回路中也会产生感应电流（同实验会产生感应电流（同实验1 1 ）。）。线圈与线圈有相对运动，通电线圈与磁棒等效，线圈处线圈与线圈有相对运动，通电线圈与磁棒等效，线圈处的磁感应强度的磁感应强度B变化变化实验实验3 3 当通电螺线管相对于闭合回路静止但电流变化时，当通电螺线管相对于闭合回路静止但电流变化时，如图如图3-33-3所示，则回路中也会产生感应电流。所示，则回路中也会产生感应电流。磁铁与线圈无相对运动，线圈处的磁感应强度磁铁与线圈无相对运动，线圈处的磁感应强度B变化变化 实验实验3 3 当闭合回路中部分导体作切割磁力线运动时，当闭合回路中部分导体作切割磁力线运动时，如

9、图如图3-43-4所示，则回路中就会产生感应电流。所示，则回路中就会产生感应电流。XoabvBd磁铁与线圈主体无相对运动，线圈处的磁感应强度磁铁与线圈主体无相对运动，线圈处的磁感应强度B无变化，无变化，线圈的面积增加线圈的面积增加 实验实验4 4 当闭合回路在磁场中旋转，如图当闭合回路在磁场中旋转，如图3-53-5所示，回所示，回路中会产生感应电流。路中会产生感应电流。线圈切割磁场，线圈处的磁感应强度线圈切割磁场，线圈处的磁感应强度B无变化，线圈的面积无变化，线圈的面积变化变化Xo B带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动一、洛仑兹力一、洛仑兹力电场力电场力EqFe磁场力磁场力（洛仑兹力洛仑

10、兹力）BqF vmBqEqFv 运动电荷在电运动电荷在电场和磁场中受的力场和磁场中受的力 方向：即以右手四指方向：即以右手四指 由经小于由经小于 的角弯向的角弯向 拇指的指向就是正电荷所受拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向洛仑兹力的方向.Bv180 xyzoEB+qvmFT15. 0T101 . 3106 . 1104 . 761914vqFB 例例 一质子沿着与磁场垂直的方向运动一质子沿着与磁场垂直的方向运动, 在在某点它的速率为某点它的速率为 . 由实验测得这时由实验测得这时质子所受的质子所受的洛仑兹力为洛仑兹力为 . 求该点的磁求该点的磁感强度的感强度的 大小大小.16sm101 .

11、 3N104 . 714解解 由于由于 与垂直与垂直 ，可得，可得vB问问 1 1）洛仑兹力作不作功洛仑兹力作不作功？2 2）负电荷所受的）负电荷所受的洛仑兹力方向？洛仑兹力方向？3 3）安培力与）安培力与洛仑兹力的关系？洛仑兹力的关系？二、带电粒子在均匀磁场中运动二、带电粒子在均匀磁场中运动0/ FBv1.2.qVBFBvBFv/sin2 2 cosmvmvmRTqBqBqBmvLv TqB3. 成与BvqvvvRL磁聚焦qBmvTqBmvRRmvqvB 2R 22三、荷质比的测定三、荷质比的测定. . . . . . . .+-A AK+dL. . . . . . .1p2p. . . .

12、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .速度选择器速度选择器eEeB0vEB0v切断纵向电源，电子束将作圆周运动，半径为：0mReB电子的荷质比：02eEmRBRB发射电子阳极准直2次电子1 汤姆逊法汤姆逊法20e212121vLmeEaty0evvLmeEaty20e0arctanarctanvvvmeELy20e2tanvLdmeEdy1p2pdL+-1y2yoyx0veEeB0vEB0v撤掉B有：1p2pdL+-1y2yoyx0v20e20e2121vvLdmeELmeEyyy2220eLLdEmeyv1220e2LLdyEmev上述计算上述计

13、算的条件的条件cv 122e2LLdyBEme电子比荷电子比荷切断去掉磁场，电子束先将做抛物线运动，再做直线运动：2 磁聚焦法磁聚焦法2e12me U v在在KA间加电压间加电压 U，则，则从从A小孔的出射电子的小孔的出射电子的动能为：动能为：2 mvLv TqB222e8eUml B四、回旋加速器四、回旋加速器 1932 1932年劳伦斯研制第一台回旋加年劳伦斯研制第一台回旋加速器的速器的D D型室型室. .此加速器可将质子和氘此加速器可将质子和氘核加速到核加速到 1MeV的能量，为此的能量，为此1939年年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖劳伦斯获得诺贝尔物理学奖. 回旋加速器原理图回旋加速器原理图

14、NSB2D1DON12qBfTm频率与半径无关频率与半径无关D 形盒俯视图：正离子 B核心部分为：核心部分为：D形盒，形盒，D形盒之间隙窄，两盒形盒之间隙窄，两盒之间接交变电源，其之间接交变电源，其间置粒子源；每盒内间置粒子源；每盒内部的电场很弱。功能部的电场很弱。功能为：为： D形盒隙间电场加速带电粒子，形盒隙间电场加速带电粒子， D形盒内磁控粒子运动方向形盒内磁控粒子运动方向-圆运动。圆运动。m vRq B运动速度与磁场垂直的带电粒子将作圆周运动，半径为：运动速度与磁场垂直的带电粒子将作圆周运动，半径为：霍耳电压霍耳电压dBIbHU+qdv+ + + + + - - - - -eFmF五、

15、霍尔效应五、霍尔效应BqqEdHvBEdHvBbUdHvbdqndvSqnIdv霍耳电压：霍耳电压：nqdIBUHH1Knqd霍耳灵敏度霍耳灵敏度HHUK IBHHUK IB六、等离子体的磁约束六、等离子体的磁约束mvRqB 等离子体（等离子体（Plasma）是由部分电子被剥夺后的原子及）是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的离子化气体状物质，它广泛存在于原子被电离后产生的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。台湾叫电浆，占整个宇宙的四态。台湾叫电浆，占整个宇宙的99% ，用人工方法，用人工方

16、法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。子体。等离子体物理等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。技术和工艺。 带电粒子在磁场中沿螺旋线运动，且带电粒子在磁场中沿螺旋线运动，且B愈大，愈大，R愈小。愈小。磁场能够横向约束带电粒子的运动，磁场能够横向约束带电粒子的运动，能否纵向约束？能否纵向约束？ 我们知道带电粒子做圆周运动，相当于一个小线圈，我们知道带电粒子做圆周运动，相当于一个小线圈，电流电流I=qv，面积，面积S= RR，其磁矩：，其磁矩：可以证明在梯度不大的非均匀磁场中，可以证明在梯度不大的非均匀磁场中，M是常数。当带电是常数。当带电粒子从强磁场运动到弱磁场时，横向动能将按比例增加，粒子从强磁场运动到弱磁场时，横向动能将按比例增加，又由于洛伦兹力不做功，总动能不变：又由