从磁陀螺运动谈洛伦兹运动形成的物理机制..doc

从磁陀螺运动谈洛伦兹运动形成的物理机制 ?? 司 今（jiewaimuyu@126.com） 题拔 ：洛伦兹力公式不是从物理理论中推导出来的，而是由多次重复实验所得的结论，它只能被当作一个基本公理来应用，因为，直到现代人们还不清楚洛伦兹运动形成的真正物理机制，更不知道洛伦兹力是一种什么力？它从何而来？ 我们知道，电子有自旋和自旋磁矩性，即电子可以被看做是一个微观的自旋磁陀螺；那么，如果我们能够从宏观上找出自旋磁陀螺在磁场中运动的一些规律，就可以帮助我们更好地认识和理解微观自旋电子（磁子）在磁场中运动所产生的一些物理现象的本质；本文将用磁陀螺在磁场中运动的一些基本原理去尝试性探讨自旋电子的洛伦兹力及洛伦兹运动问题。 我曾做过这样一组磁陀螺运动实验： 如图-1，当装有非金属轴的自旋磁陀螺从倾斜拱槽中向下滚动，进入一个“上下型”均匀偶极磁场“0梯度面”空间时，它会产生曲线运动；当磁陀螺运动速度足够小或外磁场足够大时，它甚至可以呈现近似椭圆的运动。 如图-2，如果磁陀螺运动通过的是均匀磁场“非0梯度面”空间，则它不但会作曲线运动，且还会向磁场磁极方向稍稍偏移一点。 图-1 图-2 这组实验表明，自旋磁陀螺以一定速度通过静态均匀磁场空间时，其运动轨迹会受磁场和磁极影响而产生平面或螺旋曲线运动。 这是在地球引力场下所作的实验，如果将这个实验放到微重力的太空，那将是另一番图景：磁陀螺进入磁场空间后将会产生近乎圆或锥螺旋的曲线运动。 本节所讨论的磁陀螺运动都是在重力场影响可以忽略不计的微重力环境下进行推理、分析的；微观粒子在磁场空间中运动也可以看做是不受重力场影响的运动，因粒子所受重力与其所受的磁场力相比太弱了，可以不予考虑。 自旋磁陀螺在均匀磁场中的闭合曲线运动 “0梯度面”上的磁陀螺运动 自由运动的自旋磁陀螺有一个特征，即磁陀螺的平动速度v与其自旋角速度ω是相互垂直的，如图-3所示，它的磁场按法拉第磁力线来描述就存在二部分：（1）沿轴向直线非闭合部分，（2）沿轴向外曲线闭合部分。 当自旋磁陀螺进入磁场空间后，磁场磁极是无法与闭合磁力线部分产生作用的，故磁陀螺在磁场中运动所受的磁场及磁极力主要体现在其自旋磁轴上。 图-3 图-4 如图-4所示，“上下型”偶磁极磁场空间的中间都存在一个N、S分界平面，在这个平面上小磁针不会产生向磁场磁极运动的情况，即小磁针二端的N、S极所受二个磁场磁极的梯度力相等，故其质心会在这个平面上保持平衡稳定状态，我们称这个平面为磁场“0梯度面”，而在这个平面之上或之下的空间平面则称为磁场“非0梯度面”。 对自旋磁陀螺轴而言，当它以一定速度进入磁场空间时，因其自旋磁轴二端会作切割磁力线运动，故会在其中产生“电子洛伦兹运动”式的曲线运动轨迹。 我在《磁陀螺运动与现代物理学漫谈（8）》[1]中谈到，当给自旋陀螺轴上下等距离处施加相同的外力矩时，陀螺不会产生自旋轴倾斜的进动，而会产生质心平移的曲线运动，且平移速度不减小，只是速度方向发生改变；如果这对力矩永不消失，它实质就会形成稳定的曲线圆周运动，如图-5所示。 图-5 自旋磁陀螺以一定初速度进入“上下型”均匀磁场时也会产生这样的运动：以均匀磁场“0梯度面”为例，如图-6所示，自旋磁陀螺以平动速度V0进入磁场“0梯度面”空间时，其自旋轴上、下端磁极都会受到磁场磁极力F上H、F下H的影响，且这二个力大小相等、方向相反，并与其平动速度V0方向垂直。由于这二个等值力的作用，磁陀螺质心将会产生二个运动速度分量，即一个是受磁场磁极剪切阻力作用而减小、但运动方向仍保持原速度V0方向的V0′速度，且有ΔV0=V0－V0′；另一个是磁陀螺二磁极作切割磁场力线时所产生的垂直于原速度V0方向的V⊥速度，这二个速度合成就是它在磁场中作曲线运动的速度V. 图-6 图-7 从图-7所示的受力分析图中可以看出，磁场对自旋磁陀螺运动产生的阻力F阻正是其形成以V作匀速圆周运动的向心力F向，且有 V⊥=V0－V0′，V=V0′＋V⊥=V0，V2 = (V0′)2＋(V⊥) 2≡V02； 但这里有个问题，匀速圆周运动速度的二个矢分量值是相等的，即V⊥=V∥，这就要求V0′=ΔV0=V⊥成立，为什么呢？到底V0′=V⊥成不成立呢？欢迎对此问题感兴趣的朋友们给予指点和评判！ 通过实验和分析可见，如果将逆时针自旋的磁陀螺射入均匀磁场空间时，则它的自旋轴二端因受磁场磁极引力作用，会因切