磁気力：速度を変化させつつ速度の大きさ（速さ）を増加させない
導入済み| English | 意味 |
|---|---|
| magnetic force/mæɡˈnetɪk fɔːs/ | 磁力 |
| momentum/məʊˈmentəm/ | 運動量 |
この観察を説明する要因は何か？
- 電荷粒子は均一な磁場中で曲線を描く。その進行方向は変わるが、磁力だけが運動エネルギーを増加させることはない。
- まず予測を立てる。比較したい量や特徴を明記し、2つの説明を区別できる証拠は何かを決定せよ。
モデルを構築する
- 磁力の大きさは F = |q|vB sinθ で与えられる。これは速度と磁場に対して垂直であり、向きは電荷の符号によって決まる。均一な磁場に垂直に入射する場合、円運動のための遠心力として機能することがある。
- 磁気力: 磁場による、移動する電荷や電流に働く力; 運動量: 古典モデルにおける質量と速度の積。
垂直円運動において、磁力のみ作用下で何が変わるか？
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磁気力は速度に垂直に働くため、速度の「向き」のみを変化させ、円運動を生じる。垂直な力には仕事を行わないため、運動エネルギーは増加せず、電荷の大きさは固有の性質である。
各専門用語を正確な意味と対応させよ。
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関連する物理量やプロセスを区別するために定義を使用せよ。
これを検証できる証拠を選ぶ
- 磁力を mv²/r と等置して、垂直運動における半径 r = mv/(|q|B) を導く。より強い磁場では一定の運動量に対して半径は小さくなる。このモデルにおいて、磁場と平行に入射すると磁力はゼロとなる。
- 速度、磁場、力を別々の矢印で描く際、問題文で指定されたページ内・外への矢印の慣例に従う。提供されたビームデータまたはシミュレーションを使用すること。電流を含む導体の流れの向きを電子の運動方向と同一視しないこと。
この場合、調査やモデルをより妥当にする2つの習慣は何か。
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条件や仮定を明記することで他者が正確に再現でき、根拠となる証拠を記録することで結論を検証できます。相反する結果を隠すと、誤った結論を疑う証拠を失いますし、単一の測定でより広い主張を成立させることはできません。
既知の量から始める
- 既知の値と単位を明記する。このケースに適応する仮定を持つ関係式を選び、代入前に変形する。
- 既知条件：質量 m = 2.0×10⁻²⁷ kg、速度 v = 3.0×10⁶ m/s、電荷量 |q| = 1.0×10⁻¹⁹ C、磁束密度 B = 0.20 T。半径 r = mv/(|q|B) = 0.30 m。この計算は非相対論的運動および垂直入射を仮定している。
r = mv/(|q|B) を用いる。m=2×10⁻²⁷ kg、v=2×10⁶ m/s、|q|=1×10⁻¹⁹ C、B=0.20 T において、r を求める。同じ手順を用いる：既知量 → モデル → 関係式 → 代入 → 単位と解釈。
r = mv/(|q|B) を用いて、質量 m=2×10⁻²⁷ kg、速度 v=2×10⁶ m/s、電荷の絶対値 |q|=1×10⁻¹⁹ C、磁束密度 B=0.20 T のとき、半径 r を求めよ。
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結果は 0.2 m である。既知：m = 2x10^-27 kg；v = 2x10^6 m/s；|q| = 1x10^-19 C；B = 0.20 T、垂直入射。r = mv/(|q|B) を用いる。r = (2x10^-27 x 2x10^6)/(1x10^-19 x 0.20) = 0.2 m。記述されたモデル下では、この半径を持つ円軌道を描く。
結論とその限界を確認する
- 磁力は仕事を行わずに運動量の向きだけを変えることができる。 electric field を追加することでエネルギーが変わるため、磁力のみに関する結論は、すべての複合場装置には当てはまらない。
- 元の観察に戻り、結果が何を裏付けているか、どのような条件を前提としているかを説明し、対立する説明を検証する方法を一つ示す。
磁気力だけで帯電粒子の運動エネルギーは連続的に増加する这一主張は誤りである。速度に垂直な力は仕事を行わない（仕事＝力×力の方向への距離）ため、磁場だけでは粒子の運動エネルギーを変えることはできず、方向のみを変える。加速するには運動方向成分を持つ場が必要であり、これは電気場のみが提供する。
磁気力：速度の方向を変化させ、速さは増大させない。垂直運動の場合、磁気力を mv²/r と等置して r = mv/(|q|B) を得る。より強い磁場では、一定の運動量に対して半径は小さくなる。平行入射ではこのモデルにおいて磁気力はゼロとなる。
磁力のみ作用下では、帯電粒子の運動エネルギーは継続的に増加する。
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速度に垂直な力には仕事を行わない（仕事＝力×力の方向への距離）ため、磁場だけでは粒子の運動エネルギーを変えることはできず、向きだけを変える。加速には運動方向に沿った場の成分が必要であり、これは電場のみが提供できる。
移動する電荷や電流に対する磁場の力について、専門用語を記せ。
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磁気力とは、磁気場によって動く電荷や電流に働く力のことである。