Опыт показывает, что магнитное поле действует не только на проводники с током, но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, действующая на электрический заряд , движущийся в магнитном поле со скоростью , называетсясилой Лоренца и выражается формулой
, (1.9)
где – индукция магнитного поля, в котором заряд движется.
Направление силы Лоренца определяется с правила левой руки: еслиладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора (для ), то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На рис. 3 показана взаимная ориентация векторов,  (поле направлено к нам, на рисунке показано точками) и для положительного заряда. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца:
,
где – угол между и .
Магнитное поле не действует на покоящийся электрический заряд. В этом существенное отличие магнитного поля от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.
Так как по действию силы Лоренца можно найти модуль и направление вектора ,то выражение для силы Лоренца может быть использовано (наравне с магнитным моментом рамки с током) для определения вектора магнитной индукции .
Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля.Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.
Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией действует и электрическое поле с напряженностью , то результирующая сила, приложенная к заряду, равна векторной сумме сил, действующих со стороны электрического поля, и силы Лоренца:
Удар будет неупругим, т.к. шары пластилиновые. Значит закон сохранения импульса:
m1v1 + m2v2 = (m1 + m2)*u
Шары движутся взаимно перпендикулярно, значит проанализируем проекции их движения и применим закон сохранения импульса к проекциям импульсов шаров. Первый шар движется сонаправленно оси Х, второй - оси Y:
Скорость первого шара сонаправленна с осью Х. После столкновения составляющая "ux" скорости "u" будет тоже сонаправленна с осью Х. Тогда угол между "u" и "v1" можно найти через отношение "ux" и "u" (через косинус угла между "ux" и "u"):
Fср.(неупр.) = Δp(неупр.)/t(неупр.) = 1/0,05 = 20 Н
ответ: 1 кг*м/с, 2 кг*м/с, 20 Н, 200 Н.
3)
Дано:
h = 5 м
V(камня) = 0,6 м³
p(камня) = 2500 кг/м³
р(воды) = 1000 кг/м³
A - ?
Камень из воды поднимать легче, потому что на него действует сила Архимеда, направление которой совпадает с направлением силы подъёма и обратно направлению силы тяжести. Если камень поднимают равномерно, то равнодействующая сил равна нулю:
F(подъёма) + Fa + Fт = ma = 0
F(подъёма) + Fa - Fт = 0 (сила тяжести со знаком "минус" - направление обратное направлениям силы подъёма и силы Архимеда)
, (1.9)
где – индукция магнитного поля, в котором заряд движется.
Направление силы Лоренца определяется с правила левой руки: еслиладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора (для ), то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На рис. 3 показана взаимная ориентация векторов,  (поле направлено к нам, на рисунке показано точками) и для положительного заряда. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца:
,
где – угол между и .
Магнитное поле не действует на покоящийся электрический заряд. В этом существенное отличие магнитного поля от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.
Так как по действию силы Лоренца можно найти модуль и направление вектора ,то выражение для силы Лоренца может быть использовано (наравне с магнитным моментом рамки с током) для определения вектора магнитной индукции .
Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля.Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.
Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией действует и электрическое поле с напряженностью , то результирующая сила, приложенная к заряду, равна векторной сумме сил, действующих со стороны электрического поля, и силы Лоренца:
1)
Дано:
m1 = 0,3 кг
m2 = 0,2 кг
v1 = 8 м/с
v2 = 16 м/с
u - ?
α - ?
Удар будет неупругим, т.к. шары пластилиновые. Значит закон сохранения импульса:
m1v1 + m2v2 = (m1 + m2)*u
Шары движутся взаимно перпендикулярно, значит проанализируем проекции их движения и применим закон сохранения импульса к проекциям импульсов шаров. Первый шар движется сонаправленно оси Х, второй - оси Y:
Ось Х: v1 = v1x; v2 = 0 => m1v1x = (m1 + m2)*ux => ux = m1v1x/(m1 + m2)
Ось Y: v1 = 0; v2 = v2y => m2v2y = (m1 + m2)*uy => uy = m2v2y/(m1 + m2)
теперь найдём скорость u:
u = √(ux² + uy²) = √((m1v1x/(m1 + m2))² + (m2v2y/(m1 + m2))²) = √(((m1v1x)² + (m2v2y)²)/(m1 + m2)²) = √(((0,3*8)² + (0,2*16)²)/(0,3 + 0,2)²) = √((5,76 + 10,24)/0,25) = √(16/0,25) = 4/0,5 = 8 м/с - скорость шаров после удара
Скорость первого шара сонаправленна с осью Х. После столкновения составляющая "ux" скорости "u" будет тоже сонаправленна с осью Х. Тогда угол между "u" и "v1" можно найти через отношение "ux" и "u" (через косинус угла между "ux" и "u"):
cosα = ux/u = (m1v1x/(m1 + m2))/u = (0,3*8/(0,3 + 0,2))/8 = 0,3*8/(0,5*8) = 0,3/0,5 = 0,6 => α = arccos(0,6) = 53,13010... = 53°
ответ: 8 м/с, 53°.
2)
Дано:
m = 100 г = 0,1 кг
v = 10 м/с
t(неупр.) = 0,05 с
t(упр.) = 0,01 c
Δp(упр.), Δp(неупр.), Fср.(упр.), Fср.(неупр.) - ?
Неупругий удар:
p1 = - mv1 - до удара (скорость противонаправлена оси Y, поэтому стоит знак "минус")
p2 = mv2 = 0 - после удара
Δp(неупр.) = p2 - p1 = mv2 - (- mv1) = 0 - (- mv1) = mv1 = 0,1 * 10 = 1 кг*м/с
Упругий удар:
p1' = - mv1
p2' = mv2 - после удара шарик отскочит (скорость по модулю будет такой же и она будет сонаправлена с осью Y, поэтому стоит знак "плюс")
Δp(упр.) = p2' - p1' = mv2 - (- mv1) = mv2 + mv1 = m(v2 + v1) = 0,1*(10 + 10) = 2 кг*м/с
Второй закон Ньютона в импульсной форме:
F*t = Δp => F = Δp/t
Fср.(упр.) = Δp(упр.)/t(упр.) = 2/0,01 = 200 Н
Fср.(неупр.) = Δp(неупр.)/t(неупр.) = 1/0,05 = 20 Н
ответ: 1 кг*м/с, 2 кг*м/с, 20 Н, 200 Н.
3)
Дано:
h = 5 м
V(камня) = 0,6 м³
p(камня) = 2500 кг/м³
р(воды) = 1000 кг/м³
A - ?
Камень из воды поднимать легче, потому что на него действует сила Архимеда, направление которой совпадает с направлением силы подъёма и обратно направлению силы тяжести. Если камень поднимают равномерно, то равнодействующая сил равна нулю:
F(подъёма) + Fa + Fт = ma = 0
F(подъёма) + Fa - Fт = 0 (сила тяжести со знаком "минус" - направление обратное направлениям силы подъёма и силы Архимеда)
F(подъёма) = Fт - Fa = mg - p(воды)*V(камня)*g = p(камня)*V(камня)*g - p(воды)*V(камня)*g = V(камня)*g*(p(камня) - p(воды))
Работа по подъёму камня равна:
A = F(подъёма)*h = V*(камня)*g*h*(p(камня) - p(воды)) = 0,6*10*5*(2500 - 1000) = 30*1500 = 45000 = 45 кДж
ответ: 45 кДж.
4)
Дано:
N = 10 кВт = 10000 Вт = 10^4 Вт
h = 18 м
t = 1 ч = 3600 с = 3,6*10^3 c
р(воды) = 1000 кг/м³ = 10^3 кг/м³
V - ?
N = A/t - мощность является отношением работы ко времени
А = Fт*h - работа по подъёму воды будет равна по модулю работе силы тяжести
Fт = mg = p(воды)*V*g =>
=> A = p(воды)*V*g*h =>
=> N = (p(воды)*V*g*h)/t => V = (N*t)/(p(воды)*g*h) = (10^4*3,6*10^3)/(10^3*10*18) = (3,6/18) * (10^7/10^4) = 0,2*10^3 = 200 м³
ответ: 200 м³.