电子在电磁场中的运动规律-实验报告

电磁场与电磁波实验报告电磁场与电磁波实验报告引言：电磁场和电磁波是物理学中非常重要的概念。

电磁场是由电荷产生的一种物理场，它的存在和变化会影响周围空间中的其他电荷。

而电磁波则是电磁场的一种传播形式，它以电磁场的振荡和传播为基础，具有波动性质。

本次实验旨在通过实际操作和测量，深入了解电磁场和电磁波的特性。

实验一：测量电磁场强度在实验一中，我们使用了一个电磁场强度计来测量不同位置的电磁场强度。

首先，我们将电磁场强度计放置在一个固定的位置，记录下此时的电磁场强度。

然后，我们将电磁场强度计移动到其他位置，重复测量过程。

通过这些数据，我们可以得出不同位置的电磁场强度的分布情况。

实验结果显示，电磁场强度随着距离的增加而逐渐减弱。

这符合电磁场的特性，即电荷产生的电磁场在空间中以一定的规律传播，而传播的强度会随着距离的增加而减弱。

这一实验结果验证了电磁场的存在和变化对周围环境的影响。

实验二：测量电磁波频率和波长在实验二中，我们使用了一个频率计和一个波长计来测量电磁波的频率和波长。

首先，我们将频率计和波长计设置好，并将它们与电磁波源连接。

然后，我们观察频率计和波长计的测量结果，并记录下来。

通过这些数据，我们可以得出电磁波的频率和波长的数值。

实验结果显示，不同频率的电磁波具有不同的波长。

频率越高的电磁波，波长越短；频率越低的电磁波，波长越长。

这符合电磁波的特性，即电磁波的振荡频率和波长之间存在一定的关系。

这一实验结果验证了电磁波的波动性质，以及频率和波长之间的关系。

实验三：观察电磁波的干涉和衍射现象在实验三中，我们使用了一块光栅和一个狭缝装置来观察电磁波的干涉和衍射现象。

首先，我们将光栅放置在光源前方，并调整光源的位置和光栅的角度。

然后，我们观察到在光栅后方的屏幕上出现了一系列明暗相间的条纹。

这些条纹是由电磁波的干涉和衍射效应引起的。

实验结果显示，当电磁波通过光栅时，会发生干涉和衍射现象。

干涉现象表现为明暗相间的条纹，而衍射现象表现为条纹的扩散和交替。

微波电子自旋共振【摘要】本文通过电子自旋共振实验，解释恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场的作用下会发生磁能级间的共振跃迁现象。

一、引言电子自旋的概念首先由Pauli 于1924年提出。

而电子自旋共振实验则是从1945年开始才发展起来的一项新技术。

电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子、内电子壳层未被充满的离子、受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。

通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛用途。

“自旋”概念的明确提出：1925年，两位年轻的荷兰学生乌伦贝克和哥德斯密特，“为了解释反常塞曼效应”，受泡利不相容原理的启发，明确提出了电子具有自旋的概念，并证明了“自旋”就是泡利提出的“新自由度”。

1926年，海森伯和约旦引进自旋S ，用量子力学理论对反常塞曼效应作出了正确的计算。

1927年，泡利引入了泡利矩阵作为自旋操作符号的基础，引发了保罗-狄拉克发现描述相对论电子的狄拉克方程式。

电子自旋共振(ESR ，Electron Spin Resonance)是一种奇妙的实验现象，也被称为电子顺磁共振(EPR ，Electron Paramagnetic Resonance)。

它利用具有未偶电子的物质在外加恒定磁场作用下对电磁波的共振吸收特性，来探测物质中的未偶电子，研究其与周围环境的相互作用，从而获得有关物质微观结构的信息。

电子自旋共振现象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基.Зabouchu ǔ)在实验中观察到。

二、实验原理1、量子力学解释电子具有自旋，其自旋角动量Pe 和自旋磁矩e μ的关系为：图1 自旋能级在磁场中的取向e B e P h g ρρμμ-=g 为朗德因子，B μ为玻耳磁子，其值为×1O-11MevT-1。

第1篇一、实验目的1. 理解电磁场的基本概念和性质。

2. 掌握电磁场的基本测量方法。

3. 分析电磁场在不同介质中的传播特性。

4. 熟悉电磁场实验设备的操作。

二、实验原理电磁场是电场和磁场的总称，它们在空间中以波的形式传播。

本实验通过搭建电磁场实验平台，观察和分析电磁场在不同介质中的传播特性，以及电磁场与电荷、电流的相互作用。

三、实验器材1. 电磁场实验平台2. 电磁场发生器3. 电磁场传感器4. 信号发生器5. 示波器6. 测量仪器（如：电流表、电压表、频率计等）7. 实验用线、连接器等四、实验内容1. 电磁场基本性质观察（1）搭建电磁场实验平台，观察电磁场在不同介质中的传播特性。

（2）通过电磁场发生器产生电磁波，观察电磁波在空气、水、金属等介质中的传播情况。

2. 电磁场测量（1）利用电磁场传感器测量电磁场强度。

（2）通过信号发生器产生已知频率和强度的电磁波，与传感器测量结果进行对比。

3. 电磁场与电荷、电流的相互作用（1）观察电磁场对电荷的作用，如电场力、洛伦兹力等。

（2）观察电磁场对电流的作用，如安培力、法拉第电磁感应等。

4. 电磁场实验设备操作（1）学习电磁场实验平台各部分的功能和操作方法。

（2）掌握电磁场传感器、信号发生器、示波器等仪器的使用方法。

五、实验步骤1. 搭建电磁场实验平台，连接好各部分仪器。

2. 观察电磁场在不同介质中的传播特性，记录实验数据。

3. 利用电磁场传感器测量电磁场强度，与信号发生器产生的电磁波强度进行对比。

4. 观察电磁场对电荷和电流的作用，记录实验数据。

5. 学习电磁场实验设备操作，熟悉各仪器使用方法。

六、实验结果与分析1. 电磁场在不同介质中的传播特性：电磁波在空气中传播速度最快，在水、金属等介质中传播速度较慢。

2. 电磁场强度测量：通过传感器测量得到的电磁场强度与信号发生器产生的电磁波强度基本一致。

3. 电磁场与电荷、电流的相互作用：电磁场对电荷的作用表现为电场力，对电流的作用表现为安培力。

实验一 静电场仿真1．实验目的建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念;2．实验仪器计算机一台3．基本原理当电荷的电荷量及其位置均不随时间变化时,电场也就不随时间变化,这种电场称为静电场;点电荷q 在无限大真空中产生的电场强度E 的数学表达式为204qE r r πε= r 是单位向量 1-1真空中点电荷产生的电位为04qr ϕπε= 1-2其中,电场强度是矢量,电位是标量,所以,无数点电荷产生的电场强度和电位是不一样的,电场强度为1221014ni n i i i q E E E E r r πε==+++=∑ i r 是单位向量1-3 电位为121014ni n i i q r ϕϕϕϕπε==+++=∑ 1-4 本章模拟的就是基本的电位图形;4．实验内容及步骤1 点电荷静电场仿真题目：真空中有一个点电荷-q,求其电场分布图;程序1:负点电荷电场示意图clearx,y=meshgrid-10:1.2:10;E0=8.85e-12;q=1.610^-19;r=;r=sqrtx.^2+y.^2+1.010^-10m=4piE0r;m1=4piE0r.^2;E=-q./m1.r;surfcx,y,E;负点电荷电势示意图clearx,y=meshgrid-10:1.2:10; E0=8.85e-12;q=1.610^-19;r=;r=sqrtx.^2+y.^2+1.010^-10m=4piE0r;m1=4piE0r.^2;z=-q./m1surfcx,y,z;xlabel'x','fontsize',16ylabel'y','fontsize',16title'负点电荷电势示意图','fontsize',10程序2clearq=2e-6;k=9e9;a=1.0;b=0;x=-4:0.16:4;y=x; X,Y=meshgridx,y;R1=sqrtX+1.^2+Y.^2+1.010^-10;R2=sqrtX-1.^2+Y.^2+1.010^-10;Z=qk1./R2-1./R1;ex,ey=gradient-Z;ae=sqrtex.^2+ey.^2;ex=ex./ae;ey=ey./ae; cv=linspaceminminZ,maxmaxZ,40; contourX,Y,Z,cv,'k-';hold onquiverX,Y,ex,ey,0.7;clearq=2e-6;k=9e9;a=1.0;b=0;x=-4:0.15:4;y=x; X,Y=meshgridx,y;R1=sqrtX+1.^2+Y.^2+1.010^-10;R2=sqrtX-1.^2+Y.^2+1.010^-10;U=qk1./R2-1./R1;ex,ey=gradient-U;ae=sqrtex.^2+ey.^2;ex=ex./ae;ey=ey./ae; cv=linspaceminminU,maxmaxU,40; surfcx,y,U;实验二恒定电场的仿真1．实验目的建立恒定电场中电场及电位空间分布的直观概念;2．实验仪器计算机一台3．基本原理电场的大小和方向均不随时间变化的场称为恒定电场,如直流导线,虽说电荷在导线内运动,但电场不随时间变化而变化,所以,直流导线形成的电场是恒定电场;对于恒定电场,我们可以假设其为静电场,假设有静止不动的分布在空间中的电量q产生了这一电场;通过一些边界条件等确定自己所需要的变量,然后用静电场的方法来求解问题;4．实验内容及步骤1高压直流电线表面的电场分布仿真题目：假设两条高压导线分别是正负电流,线间距2m,线直径0.04m,电流300A,两条线电压正负110kV,求表面电场分布;程序clearx,y=meshgrid -2:0.1:2; r1=sqrtx+1.^2+y.^2+0.14; r2=sqrtx -1.^2+y.^2+0.14; k=100/log1/0.02; E=k1./r1-1./r2; surfcx,y,E;xlabel'x','fontsize',16 ylabel'y','fontsize',16 title'E','fontsize',10 RR D=2m X Y P 图2-1高压直流电线示意图 R2 R1clearx,y=meshgrid-2:0.1:2;r1=sqrtx+1.^2+y.^2+0.14; r2=sqrtx-1.^2+y.^2+0.14; k=100/log1/0.02;m=log10r2./r1;U=km;surfcx,y,U;xlabel'x','fontsize',16 ylabel'y','fontsize',16title'U','fontsize',10实验三 恒定磁场的仿真1．实验目的建立恒定磁场中磁场空间分布的直观概念;2．实验仪器计算机一台3．基本原理磁场的大小和方向均不随时间变化的场,称为恒定磁场; 线电流i 产生的磁场为：024IdldB r μπ=说明了电流和磁场之间的关系,运动的电荷能够产生磁场;4．实验内容及步骤圆环电流周围引起的磁场分布仿真题目：一个半径为0.35的电流大小为1A 的圆环,求它的磁场分布;分析：求载流圆环周围的磁场分布,可以用毕奥—萨伐尔定律给出的数值积分公式进行计算：图3-1载流圆环示意图程序 clear x=-10:0.5:10; u0=4pi10^-7; R=0.35;I=1;B=u0IR.^2./2./R.^2+x.^2.^3/2; plotx,B;RrpxdB实验四电磁波的反射与折射1．实验目的1熟悉相关实验仪器的特性和使用方法2掌握电磁波在良好导体表面的反射规律2．实验仪器DH1211型3厘米信号源1台、可变衰减器、频率调节器、电流指示器、喇叭天线、金属导体板1块、支座一台;3．基本原理电磁波在传播过程中如遇到障碍物,必定要发生反射;当电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板上时将发生全反射;电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板时,分为垂直入射和以一定角度入射称为斜入射;如图4-1所示;入射线与分界面法线的夹角为入射角,反射线与分界面法线的夹角为反射角;垂直入射斜入射入射角0°、反射角0°入射角45°、反射角45°图4-1用一块金属板作为障碍物,测量当电波以某一入射角投射到此金属板上的反射角,验证电磁波的反射规律：1电磁波入射到良好导体近似认为理想导体平板上时将发生全反射; 2入射角等于反射角;4．实验内容及步骤1熟悉仪器的特性和使用方法 2连接仪器,调整系统3测量入射角和反射角反射全属板放到支座上时,应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致;而把带支座的金属反射板放到小平台上时,应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致;这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致;转动小平台,使固定臂指针指在某一角度处,这一角度的读数就是入射角,然后转动活动臂在表头上找到一个最大指示,此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角;支座 喇叭天线金属导体铝板频率调节器DH1121B 3厘米信号源可变衰减器电流指示器检波器活动臂。

【摘要】电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出，1925年S.A.Goudsmit与G.Uhlenbeek利用这个概念解释某些光谱的精细结构。

近代观测核自旋共振技术，随后用它去观察电子自旋。

本实验目的是观察电子自选共振现象，测量DPPH中电子的g因数。

【原理】（一）电子的轨道磁矩与自旋磁矩由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩μl为μl = —ep l/2m e式中p l为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，m e为电子质量，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，数值大小分别为p l = (l(l+1))^0.5*h μl = (l(l+1))^0.5*eh/2m e原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。

根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程，电子自旋运动的量子数为S = 1/2，自选运动角动量p s与自旋磁矩μsμs = —ep s/m e其数值大小分别为p s = (s(s+1))^0.5*h μs = (s(s+1))^0.5*eh/m e比较上式可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间比值的二倍。

原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。

对于单电子原子总磁矩μj与角动量p j之间有μj = -gep j/2m e g = 1 + (j(j+1)-l(l+1)+s(s+1))/2j(j+1)g称为朗德g因数。

对于单纯轨道运动g = 1，对于单纯自旋运动g = 2。

引入回磁比γ，μj = -γp jγ = -ge/2m e在外磁场中，μj和p j的空间去向是量子化的。

p j在外磁场方向上的投影为p z = mh m = j，j-1，……，-j相应的磁矩μj在外磁场方向上的投影为μz = γmh = mgμBμB称为波尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子μB作单位来量度。

μB = 9.274009*10^-24 J/T h = 6.626068*10^-34 J·S（二）电子顺磁共振既然总磁矩uj的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的相互作用也是不连续的，其能量为E=-u j*B=mgu B B不同量子数m所对应的状态上的电子具有不同的能量。

粒子在电磁场中的运动规律粒子在电磁场中的运动规律一直是物理学研究的重要课题之一。

在经典物理学中，根据洛伦兹力定律，粒子在电磁场中受到的力等于电荷乘以电场强度加上粒子速度与磁感应强度的叉乘结果。

这个力的作用使粒子的运动变得复杂而有趣。

在本文中，我们将讨论粒子在电磁场中的运动规律，并探讨其应用以及与量子力学的关系。

1. 粒子在恒定电场中的运动规律当粒子处于恒定电场中时，其受到的力为电荷乘以电场强度，即F= qE，其中F为力，q为粒子电荷，E为电场强度。

根据牛顿第二定律，我们可以得到粒子在电场中的加速度a = F/m，其中m为粒子的质量。

由此可知，粒子在恒定电场中的加速度与电荷和质量有关系。

2. 粒子在恒定磁场中的运动规律当粒子处于恒定磁场中时，其受到的力为电荷乘以粒子速度与磁感应强度的叉乘结果，即F = qv × B，其中F为力，q为粒子电荷，v为粒子速度，B为磁感应强度。

由此可知，粒子在恒定磁场中的受力方向垂直于速度和磁感应强度之间的平面，并且大小正比于电荷、速度和磁感应强度之间的夹角的正弦值。

3. 粒子在电磁场中的运动规律当粒子同时处于电场和磁场中时，其受到的力为洛伦兹力，即F = qE + qv × B。

这个力的作用使粒子的运动变得复杂且有趣。

在一些特定情况下，粒子可以经历周期性或者非周期性的运动，如圆周运动、螺旋线运动等。

这些运动规律在电子学、粒子加速器和磁共振成像等领域有着重要的应用。

4. 量子力学中的粒子运动规律经典物理学的运动规律在粒子尺度下不再适用，量子力学提供了更准确的描述。

根据量子力学，粒子的运动状态由波函数表示，而粒子的位置和动量是由算符来描述的。

在电磁场中，粒子的波函数服从薛定谔方程，但受到电磁场的影响，波函数会发生演化。

这导致了一些新的量子效应，如隧道效应、量子霍尔效应等。

因此，粒子在电磁场中的运动规律在量子力学领域有着更加深入的研究和理解。

总结：粒子在电磁场中的运动规律是物理学研究的重要课题。

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY题目利用Matlab模拟点电荷电场的分布姓名xxxx学号xxxxxxxxxx班级电气xxxx班任课老师xxxx实验日期2010-10电磁场理论 实验一——利用Matlab 模拟点电荷电场的分布一．实验目的：1．熟悉单个点电荷及一对点电荷的电场分布情况； 2．学会使用Matlab 进行数值计算,并绘出相应的图形;二．实验原理：根据库伦定律:在真空中，两个静止点电荷之间的作用力与这两个电荷的电量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在两个电荷的连线上，两电荷同号为斥力，异号为吸力,它们之间的力F 满足：R R Q Q k F ˆ212= （式1)由电场强度E 的定义可知：R R kQ E ˆ2= (式2）对于点电荷,根据场论基础中的定义，有势场E 的势函数为R kQU = (式3)而 U E -∇= (式4) 在Matlab 中，由以上公式算出各点的电势U ，电场强度E 后，可以用Matlab 自带的库函数绘出相应电荷的电场分布情况.三．实验内容:1. 单个点电荷点电荷的平面电力线和等势线真空中点电荷的场强大小是E=kq /r^2 ,其中k 为静电力恒量， q 为电量， r 为点电荷到场点P （x ，y ）的距离。

电场呈球对称分布, 取电量q> 0, 电力线是以电荷为起点的射线簇。

以无穷远处为零势点, 点电荷的电势为U=kq /r,当U 取常数时， 此式就是等势面方程。

等势面是以电荷为中心以r 为半径的球面。

◆ 平面电力线的画法在平面上, 电力线是等角分布的射线簇， 用MATLAB 画射线簇很简单。

取射线的半径为( 都取国际制单位） r0=0.12, 不同的角度用向量表示( 单位为弧度） th=linspace(0,2*pi,13）。

射线簇的终点的直角坐标为: ［x,y]=pol2cart(th,r0）.插入x 的起始坐标x=[x ； 0.1＊x]。