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陰極射線在電場下的偏轉(zhuǎn) 陰極射線在電場中的偏轉(zhuǎn)( 二 )


所以一個帶正電的物體,所受到的電場力和電場強度方向是相同的,一個帶負(fù)電的物體所受到的電場力和電場強度方向是相反的 。想不來不要緊,下面我就解釋下電場 。
電場是一個非常抽象的概念,因為我們看不見它,就像我上面說的電場力的方向和電場強度的方向,相信很多人都理解不了,別著急,因為法拉第發(fā)明了電場的圖示法,讓我們對電場有了一個直觀的感受 。
上圖就是孤立電荷周圍的電場線,可以看出正電荷的電場線向外,負(fù)電荷的電場線向內(nèi),這是人為規(guī)定的,每啥特殊的原因,畢竟誰也沒有看到過電場長啥樣子 。
那有了電場線,電場就比較好理解了,我們可以認(rèn)為單位面積內(nèi)的電場線的數(shù)目就代表了這個地方電場的強度,所以通過電場線我們就能理解為什么電場力和距離的平方成反比,因為距離電荷越遠(yuǎn),單位面積內(nèi)的電場線就越少 。
上圖就是幾種情況下的電場線,引入電場最大的意義在于,我們對牛頓所說的力就有了不一樣的認(rèn)識,在牛頓的框架下,力的概念就非常模糊,甚至它可以是一個超距作用 。
那有了場的概念,我們就可以認(rèn)為物體所受到力是和彌散在空間中的場所發(fā)生了相互作用,在現(xiàn)代物理學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn)場并且是一種概念性的物體,或者說是一種便于計算的數(shù)學(xué)技巧,而是實實在在的物理實體,甚至它比基本粒子還要基本 。
在量子電動力學(xué)(QED)中,我們就對電磁力就有了更深一層的認(rèn)識,帶電物體之間之所以會產(chǎn)生力,是因為他倆在互相交換光子,而光子又是電磁場激發(fā)出來的 。根據(jù)電磁力的相互作用方式,我們還照葫蘆畫瓢,畫出了弱力以及強力的作用方式,這也體現(xiàn)了自然界的對稱之美 。在后面我們在說相互作用力的時候,還會在說到這些東西 。
下面我們就說,在湯姆遜的實驗中,陰極射線在電場力作用下的偏轉(zhuǎn) 。在他的實驗中,湯姆遜使用的電場是兩個平行的帶電金屬板產(chǎn)生的,就像我們現(xiàn)在看的樣子 。
在金屬板之間電場的方向垂直于金屬板,而且是均勻的,這就保證了帶電粒子在其間飛行的時候所受的電力始終垂直于運動方向,而且力的大小在各處都是一樣的 。
并且有一點特別重要,兩個金屬板之間的電場強度跟任何一個板的距離沒有關(guān)系,因為我們剛才說了,電場強度等于單位面積內(nèi)的電力線數(shù)目 ??梢钥闯?,在一個已經(jīng)確定間距的帶電金屬板之間,電場線的數(shù)目是固定的 。
所以我們就能夠知道,在湯姆遜的實驗中,電力就等于電荷乘以電場強度,而這里的電場強度就是一個常數(shù),那么根據(jù)上節(jié)課的公式,我們就能知道:
電場力讓陰極射線產(chǎn)生的位移=(粒子的電荷×電場強度×偏轉(zhuǎn)區(qū)長度×漂移區(qū)長度)/(粒子的質(zhì)量×粒子速度^2).
接下來最關(guān)鍵的就是要算出金屬板之間的電場強度,這個其實也很簡單,兩個金屬板之間的電場強度就等于電壓除以金屬板之間的距離 。
為什么要這樣算?我們先說什么是電壓,電壓也叫電勢,電勢的定義是帶電粒子的勢能除以電荷,我們知道勢能是能量的一種形式,所以電壓的單位是焦耳/庫侖,也就是我們常說的伏特 。
從電勢的單位“焦耳/庫侖”可以看出,電勢也可以這樣表述,一庫侖的電荷通過1伏特的電勢差之后,所能獲得的動能,這個動能就是1焦耳 。
所以電池就是一個提供電勢差的裝置,比如說一個電池的電壓是2伏,它對每一庫侖電荷所做的功是2焦耳 。
當(dāng)時湯姆遜給平行金屬板之間施加的電壓為225伏特,這就說明,這就說明把一庫侖的電荷從一個金屬板移動到另外一個金屬板,電池所作的功是225焦耳,我們還知道功也等于力乘以距離,所以作用在每庫侖上的電場力×金屬板之間的距離=電池對每庫侖電荷所做的功 。


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