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陰極射線在電場(chǎng)下的偏轉(zhuǎn) 陰極射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)

文章插圖
上節(jié)課我們說了，湯姆遜對(duì)陰極射線研究的基本方法，就是給陰極射線施加電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過研究陰極射線在電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的作用下所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)，最后算出陰極射線的速度和荷質(zhì)比。
這里面又涉及到了兩個(gè)重要的基礎(chǔ)知識(shí)，電場(chǎng)和電場(chǎng)力，磁場(chǎng)和磁場(chǎng)力，今天我們就先說第一個(gè)，人類對(duì)電力的研究歷史，以及電場(chǎng)到底是啥東西？
其實(shí)在上節(jié)課結(jié)束的時(shí)候，我都可以直接告訴大家湯姆遜的測(cè)量結(jié)果，那發(fā)現(xiàn)電子這件事就算結(jié)束了。
但是，我覺得作為一個(gè)系列的科普，普及一些基礎(chǔ)知識(shí)還是相當(dāng)必要的，不然的話很多東西一句帶過，最后大家還是聽不懂。
就像在大部分的科普書中，關(guān)于電子的發(fā)現(xiàn)都是一句帶過，說湯姆遜給陰極射線加了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，最后測(cè)出和荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，我看了以后也是一臉懵，不了解其中的細(xì)節(jié)，感覺很痛苦。
好，我們閑話就不多說了，開始今天的正題。
在第一篇文章中，我們說了人類對(duì)電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究歷史，知道了電有同性相斥和異性相吸的性質(zhì)，那么接下來我們就需要對(duì)電之間的排斥力和吸引力做定量的研究，也就是用數(shù)學(xué)方法把它們之間的力描述出來。
其實(shí)對(duì)電力的研究沒有啥好說的，因?yàn)殡娏Φ姆匠掏耆钦蘸J畫瓢，畫出來的，這個(gè)葫蘆就是牛頓的萬(wàn)有引力公式。
引力正比于兩個(gè)物體的質(zhì)量，反比于它們之間的距離，這個(gè)關(guān)系非常符合人們的直覺，質(zhì)量大，引力大，距離遠(yuǎn)、引力小，所以人們就猜測(cè)電力可能也是這樣的。
它也與距離的平方成反比，與粒子所攜帶的電荷成正比 ?？梢钥闯?，電力方程和引力方程體現(xiàn)了物理學(xué)的對(duì)稱之美。
這么重要的一個(gè)公式，完全就是猜出來的，其實(shí)的話，猜測(cè)也是一種科學(xué)方法，只要符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果就行了。當(dāng)年普朗克的黑體輻射公式也是湊出來的，薛定諤的波動(dòng)方程也有很大的猜測(cè)成分。
那么對(duì)電力方程第一次最有說服力的實(shí)驗(yàn)是在1785年的時(shí)候，由法國(guó)人庫(kù)侖做出來的，它的實(shí)驗(yàn)裝置跟當(dāng)年亨利·可文迪許測(cè)量引力常數(shù)的扭秤很像，也就是我們現(xiàn)在在圖中看到的樣子，通過這個(gè)裝置，庫(kù)侖確定了電力方程的準(zhǔn)確性。
所以電力方程就是，粒子1作用于粒子2的電力=Ke×粒子1的電荷×粒子2的電荷/粒子1和粒子2的距離^2
其中Ke是靜電常數(shù)，它的值取決于力、電荷和距離所采用的單位，只能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來，跟萬(wàn)有引力中的G一樣。
如果電荷單位采用庫(kù)侖，力的單位采用牛頓，距離單位采用米的話，那么靜電常數(shù)的值就是8.99×10^9牛·米2/庫(kù)2
我們現(xiàn)在在看一下靜電力方程，也叫庫(kù)侖定律，可以看出一個(gè)粒子所受到的靜電力永遠(yuǎn)正比于它自身所攜帶的電荷。所以我們可以直接把方程中的K（Q?/r2）看成一個(gè)整體，這個(gè)整體就是個(gè)比例系數(shù)，麥克斯韋稱它為電場(chǎng)強(qiáng)度。
可以看出，電場(chǎng)強(qiáng)度取決于產(chǎn)生電場(chǎng)的物體所攜帶的電荷，以及受作用物體和它之間的距離，但是和受作用物質(zhì)的電荷以及性質(zhì)沒有關(guān)系。
那么引入電場(chǎng)強(qiáng)度一開始只是為計(jì)算方便，我們可以把庫(kù)侖定律寫成這樣的形式，作用在一個(gè)帶電體上的電力=物體的電荷×電場(chǎng)強(qiáng)度。
根據(jù)上面這個(gè)公式，我們也可以看出，電場(chǎng)強(qiáng)度的單位是牛頓/庫(kù)侖，意思就是單位電荷所受的力，由于力是一個(gè)矢量，所以電場(chǎng)強(qiáng)度它也有方向。
在前面的文章中我們說過，帶正電荷的粒子，它所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向是從自身一直向外，帶負(fù)電荷物體所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向是從物體外指向自身。

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