簡介：物理緒論撩開物理學的神秘面紗課件２（魯科版必修１）,撩開物理學的神秘面紗,第一章緒論,魯科版（必修1）,太陽系圖譜,,,,物理學科的介紹,物理學是一門自然科學,它起始于伽利略和牛頓的年代,經(jīng)過三個多世紀的發(fā)展,已經(jīng)成為一門眾多分支,令人尊敬和熱愛的基礎科學。,,它遠到宇宙深處至咫尺之間，大到廣袤蒼穹，小到微觀粒子的浩瀚而又精細的時空中，物理學研究物質存在的基本形式，以及它們的性質和運動規(guī)律，因此說物理學是關于“萬物之理”的學問并不為過。,物理學與自然規(guī)律,大自然充滿了奧秘。在天地之間，各種形態(tài)的物質展示著驚人的多樣和復雜，而在如此多樣和復雜的大自然背后，卻隱藏著統(tǒng)一與和諧的規(guī)律。,,哈雷慧星為什么能夠回歸,,,滿天星斗循環(huán)往復、東起西落，是什么力量使目月星辰有著這樣的運動規(guī)律通過這些，我們將了解天體的運動。,,,拋出的石頭、跳水運動員在空中“劃出”美麗的拋物線。看似毫不相干的現(xiàn)象，卻隱藏著大自然的秘密之一萬有引力定律。,,,大自然另一自然現(xiàn)象閃電,,,,生活中的現(xiàn)象靜電,,,靜電現(xiàn)象,閃電、梳子吸紙屑等現(xiàn)象，蘊藏著大自然的一個秘密靜電，體現(xiàn)了自然多樣性與統(tǒng)一性。,物理學的規(guī)律,物理學研究的內容物理學規(guī)律屬于大自然規(guī)律的一部分。物理學就是探究物質的結構和基本運動規(guī)律的科學。,物理學科與其它學科的聯(lián)系區(qū)別,物理科與其它科關注點不同。物理學有許多分支如力學、熱學、電磁學、光學、統(tǒng)計物理學、量子力學、凝聚態(tài)物理、原子和原子核物理、粒子物理等。與其它學科形成交叉學科物理化學、生物物理、地球物理等。,以瀑布為例研究,物理學更關心瀑布的基本運動規(guī)律。,化學更關心水的分子成分和結構，水質的變化。,生物學則側重水中的微生物種類，以及瀑布對周圍生態(tài)的影響。,地球科學更關注瀑布周圍的地層結構。,,物理與社會發(fā)展,物理學起源于自然哲學－－觀察和思考,,,,,,古希臘時代,人們把自然界觀察和思，籠統(tǒng)地稱為自然哲學。亞里士多德首次提出了物理學。,1609年，伽利略利用天文望遠鏡觀察探索宇宙的奧秘,物理與社會發(fā)展,,觀察和實驗物理學的重要基礎,17世紀初，伽利略系統(tǒng)的實驗和觀察的方法作為探究自然規(guī)律的重要手段。,自然界和自然規(guī)律隱藏在黑暗中上帝說，讓牛頓出生吧于是一切都是光明。,,經(jīng)典物理學理論體系的建立者,,17世紀，牛頓在前人研究成果的基礎上，建立了經(jīng)典力學體系。這是現(xiàn)代意義上的物理學開端。牛頓力學不僅能幫助我們解釋周圍的宏觀世界，而且讓人類實現(xiàn)了登月夢想。,17世紀萬有引力的發(fā)現(xiàn)使人類在20世紀60年代實現(xiàn)了登月夢想,物理與社會發(fā)展,古希臘人的探索地球位于宇宙的中心地面附近的物質是由土、水、氣、火四種元素組成。公元100年后，天文學家托勒密完善了地心說。地心說的觀點一直持續(xù)了近兩千年。16世紀中葉，天文學家哥白尼在臨死時發(fā)表了日心說理論，修正了地球靜止不動的觀念，為牛頓的天上和地下物理學的統(tǒng)一打下了基礎。,人類對太空的不懈追求,,遠古人們就夢想飛出地球探索星空的奧秘。嫦娥奔月是廣為留傳的民間神話，體現(xiàn)了人類了解自然奧秘的渴望。,人類對太空的不懈追求,,在牛頓力學的基礎上，人類對太空的探索的理論與實踐都取得了豐碩的成果。,人類對太空的不懈追求,1957年前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天，震驚了世界。,1970年中國發(fā)射了人造衛(wèi)星，成為全世界第五個發(fā)射人造衛(wèi)星的國家。,人類對太空的不懈追求,,1961年4月12日，前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了第一艘“東方號“載人飛船。完成了人類第一次環(huán)繞地球的飛行。,尤里加加林成為人類第一位登上太空的航天員。,人類對太空的不懈追求,,1999年11月我國發(fā)射了“神舟”1號飛船。2003年10月我國首次發(fā)射了“神舟”5號載人飛船。,人類對太空的不懈追求,D18世紀到19世紀,物理學家建立了熱力學理論和分子物理，發(fā)現(xiàn)了能量轉換和能量守恒定律后，開始探索用內能轉化為機械能的方法來代替人力和畜力。這一偉大的發(fā)現(xiàn)，是以瓦特發(fā)明蒸汽機為代表的。蒸汽動力的應用，使許多大型廠礦應運而生。蒸汽機的發(fā)明，直接推動了第一次工業(yè)革命。,瓦特改良的蒸汽機,19世紀中期歐洲農業(yè)化機械已普遍使用,1807年克萊蒙特號蒸汽船,上海東方明珠,游樂園里的摩天輪,18世紀中期，富蘭克林通過著名的風箏實驗，將天電與地電統(tǒng)一起來。到了19世紀，以庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等為代表的物理學家建立了電磁學理論。電磁技術的應用，引發(fā)了第二次工業(yè)革命。使人類進入電氣時代?，F(xiàn)在，電已經(jīng)深入到人們的生產(chǎn)、生活的方方面面。,,關注科學、技術和社會,磁應用的發(fā)展早在戰(zhàn)國時期，秦始皇的阿房宮“以磁石為門”，防止刺客懷揣利刃入侵。在古代醫(yī)學方面，磁也有廣泛的應用，如治耳疾、吸鐵屑等。古代人類對磁技術的應用中，首屈一指的是我國發(fā)明的指南針，它對加速世界文明進程起了很大作用。,奇妙磁性,地球是個大磁體,指南針可以判斷方向，卻不明白原因。是神力拖住還是兩極存在磁石山吉爾伯特的“小地球”實驗才使人們認識地球是個大磁體。,,赫茲實驗證實電磁波的,電磁波發(fā)生器兩條光滑的銅球桿各自固定在兩片鋅板，把銅桿用導線連接到感應線圈的兩端。電磁波接收器將導線彎成環(huán)狀，兩端留有縫隙。,20世紀初，相對論和量子力學的建立，是物理學史上一場驚天動地的革命。,廣義相對論指出，時空曲率將產(chǎn)生引力。,薛定諤18871961奧地利人創(chuàng)立量子力學,用STM針尖移動的鐵原子,,,,,,,,,EMC2,狹義相對論,博士論文,獲諾貝爾獎之作,導致PERRIN獲諾貝爾獎,,,,,,1905,,,原子核物理學的進展，使人類直接利用射線與核能成為現(xiàn)實。,,,原子能的開發(fā)利用，推動了社會發(fā)展，但使人類面臨著核戰(zhàn)爭、核污染的威脅。,20世紀，激光器、信息技術、超導技術、納米技術、生命科學的發(fā)展。,物理學就是自然科學和技術科學的基礎，也與普通人的日常生活密切相關。,信息技術改變了人們工作和生活方式，也使人們的觀念發(fā)生了深刻變化。,關注科學、技術和社會發(fā)展,磁記錄技術的應用及其意義磁記錄的理論和技術日趨成熟，正深刻地影響和改變我們的工作、生活和學習方式。人們不僅可以通過磁記錄保存聲音、動作、文字信息等，而且還可以運用記憶棒、光盤等載體，很方便地傳遞信息,智能牽引按摩床,智能牽引按摩床是一種按摩兼腰椎牽引的保健床，還能自動識別身體的各個部位，進行“針對性”按摩。,新穎鼠標,長期使用鼠標的專業(yè)人員往往會患上“職業(yè)病”，右手食指受損傷。這款新穎鼠標改變了只能用食指操作的不足，拇指也可操作，讓食指有休息的機會，降低食指受損傷的概率。,家里的電器品種多了，遙控器也多了，用遙控器操作常常會“張冠李戴”。而這款全能遙控器能以一頂十，甚至一頂幾十。它集十幾種、幾十種遙控功能于一身。無論是家用電器的遙控，甚至開關大門、拉窗簾等，它都可以“代勞”。,,,物理學和社會的發(fā)展,物理學就是自然科學和技術科學的基礎。,同時也與普通人的日常生活密切相關。,,,高中物理學什么,,,,,怎樣學好高中物理,關注三個方面,1、知識與技能,2、過程與方法,3、情感、態(tài)度與價值觀,另外對高中物理課程的了解,,知識與技能,在“知識與技能”方面需要學習概念、定律、模型以及實驗技能。此外，還應該了解物理學與自然、社會、科學技術的相互關系。,培養(yǎng)目標不同，教學內容的選取就不同，或者教學內容的側重點就不同。,,過程與方法,在“過程與方法”方面需要經(jīng)歷科學探究的過程，動手實踐，學習科學方法，體會科學思想，形成自主學習的能力。,,情感、態(tài)度、價值觀,在“情感態(tài)度價值觀”方面需要培養(yǎng)學習物理的興趣和激情，感受自然規(guī)律的和諧與奇妙，領悟其中的意義，養(yǎng)成科學精神和科學態(tài)度。,高中課程教材特點,必修物理1物理2選修三個模塊選修11選修12人文與社會發(fā)展選修21選修22物理學的實踐與實用性選修31選修32選修33選修34選修35全面展示物理學的基本內容，以及技術應用，對經(jīng)濟社會影響。,,注意學習四環(huán)節(jié),,,謝謝,
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簡介：等離子體物理學,李毅20119,相關書籍,課本李定，陳銀華，馬錦繡，楊維纮，等離子體物理學，高等教育出版社，2006。參考文獻杜世剛等離子體物理，原子能出版社，1988DWIGHTRNICHOLSON,INTRODUCTIONTOPLASMATHEORY,JOHNWILEYSONSINC,1983TJMBODYANDJJSANDERSON,THEPHYSICSOFPLASMAS,CAMBRIDGEUNIVPRESS,2003WOLFGANGBAMJOHANNANDRUDOLFATREUMANN,BASICSPACEPLASMAPHYSICS,IMPERIALCOLLEGEPRESS,1997金尚憲徐家鸞等離子體物理學，原子能出版社，1980NICHOLASAKRALL,,ALVINWTRIVELPIECE,PRINCIPLESOFPLASMAPHYSICS,有中文譯本。CHEN,FFINTRODUCTIONTOPLASMAPHYSICS2NDEDPLENUMPRESS,1984有中文譯本。馬騰才胡希偉陳銀華等離子體物理原理，中國科學技術大學出版社，1988TJMBODYJJSANDERSON,PLASMADYNAMICS,BARNESNOBLEINC,1969,等離子體的概念和參數(shù)范圍,等離子體從廣義上說，是泛指一些具有足夠能量的自由的帶電粒子，其運動以受電磁場力作用為主的物質，從這個意義上來說，半導體、電解液都是等離子體。但一般相對專門性地是指電離了的氣體，當然它的行為是以帶電粒子和電場磁場自恰地相互作用為主導。等離子體的感性認識是部分或完全電離了的氣體，它的行為受電磁場影響。溫度是導致物質狀態(tài)變化的關鍵參量，等離子體是物質繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的第四種狀態(tài)。,氣體電離,氣體溫度升高導致電離，從而形成等離子體態(tài)。等離子體的復合率為這里是常系數(shù)只要氣體有1的電離，其行為就會由電磁場主導。等離子體的溫度和電子（離子）密度是它的重要參量。,SAHA方程描述了溫度與電離度（電離和復合達到平衡）的關系。這里NE,NI是電子和離子的密度，NO是中性粒子的密度，H是PLANCK常數(shù)，K是BOLTZMANN常數(shù)。PE,PI,PO分別是電子、離子和中性粒子的統(tǒng)計權重，對氫H來說分別是2，2，1，而EI是電離能，對于H原子為136EV。,從等離子體密度可以估算粒子之間的平均距離在這個距離上，帶電粒子之間的勢能為而粒子的動能是與溫度有關的，作為等離子體，一般來說，其動能要比勢能大得多。,動能與勢能,,,等離子體的溫度常用能量表示，如處于平衡態(tài)的等離子體常常具有MAXWELLIAN分布，即對于非MAXWELLIAN分布的等離子體，只有有效的動力學溫度,溫度與速度分布,,,,,等離子體的各種存在,等離子體的參數(shù)范圍很大，溫度跨越了約7個量級，密度跨越約25個量級，這么大的范圍類，等離子體物理都是適用的。,等離子體的各種存在方式,雖然等離子體在日常生活中不象固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質那樣常見，但事實上，自然界99以上的物質是等離子體。遙遠的恒星包括太陽都是以等離子體形式存在。行星際、磁層、電離層都是等離子體態(tài)的物質。大氣中的閃電、高溫火焰也是等離子體。極光、霓虹燈、閃電、電弧光、火焰等都是等離子體。古希臘哲學家認為火是構成世界萬物的四種元素之一，它也是中國古代五行之一，八卦中的“離”也代表火?？梢姾茉缛藗兙驼J識到等離子體是構成世界的重要的物質。等離子體的參數(shù)范圍很大，溫度跨越了約7個量級，密度跨越約25個量級，這么大的范圍類，等離子體物理都是適用的。,八卦中的“離”代表等離子體類的物質,上、中、下三個爻全是陽爻的卦是乾卦，乾卦代表天在上。上、中、下三個爻全是陰爻的卦是坤卦，坤卦代表地在下。下面是陽爻，上面也是陽爻，中間是陰爻，是離卦，代表太陽，位置在東方，亦代表火，代表光明。下面是陰爻，中間是陽爻，上面是陰爻，卦名叫坎，代表月亮，也代表水。乾、坤、離、坎四個卦，就是天、地、日、月四個象。,等離子體物理的重要應用,等離子體研究的生長點空間等離子體，能源相關的等離子體，工業(yè)技術相關的等離子體物理空間物理高層大氣、電離層、磁層、行星際空間、太陽日冕、太陽光球及內部，恒星，星際等，空間環(huán)境是人類活動的新領域，空間天氣與人類生活越來越緊密地聯(lián)系在一起。能源需求主要是受控熱核聚變。磁約束、慣性約束。工業(yè)技術等離子體電視、化學、冶金、表面處理、金剛石人工合成、鍍膜、焊接、燈具,對于等離子體的描述方法,1單粒子運動僅考慮帶電粒子在電磁場中的運動，不考慮帶電粒子運動對電磁場的影響。方法簡單直觀，但不自洽，無法求出電磁場的變化2磁流體力學將等離子體視為受磁場作用的流體，同時考慮流體的流動使磁場產(chǎn)生的變化。結果是自洽的，但等離子體需保持電中性和高導電性，以至于無須考慮電場的影響。僅適合處理低頻長波的變化，因而被稱為等離子體宏觀理論。,對于等離子體的描述方法,3多成分流體與電磁場相互作用對于每種帶電粒子視為是一種流體，等離子體由多種流體成分組成，同時與電磁場發(fā)生自洽的相互作用。電子和離子可以分離，允許靜電場存在，可以處理高頻或短波長的問題，但要求同一種流體的速度分布不是遠離平衡態(tài)的。4動理學理論通過等離子體中電子和離子各種成分的速度分布函數(shù)完整描述等離子體的狀態(tài)。對帶電粒子加速、反射等現(xiàn)象能夠很好地描述。需要解的信息太多，求解復雜。稱為等離子體的微觀理論。,流體的歐拉描述和拉格朗日描述,等離子體描述中，除了非自洽的單粒子運動理論，都將等離子體當作流體或相空間的流體處理。對流體進行描述，考察各個物理量隨著時間的變化，常用的是歐拉法，即考察固定的地點上物理量隨時間的變化，另外一種方法是拉格朗日法，是考察固定的物質上的物理量隨時間的變化。因為物質是移動的，因此不但隨時間變化，也隨空間變化。微分時的關系,思考題,自然界中，有哪些等離子體物質它們的溫度、密度的參數(shù)范圍是什么試舉例說明。等離子體有哪些描述方式其中，哪些是自洽的，哪些不是自洽的對于流體來說，拉格朗日法和歐拉法是怎樣的描述方法指出其中各自的特點，評論其優(yōu)缺點。,第1次課,流體的連續(xù)性方程,描述流體密度的基本方程是連續(xù)性方程假設等離子體沒有產(chǎn)生（電離）、沒有消失（復合），一塊等離子體的數(shù)量會保持不變。拉格朗日法給出的流體連續(xù)性方程隨體運動時，體積和密度都在不斷變化，為了弄清楚體積的變化必須先知道線段在流動中的變化。,,拉格朗日法考察線段流動,流體中一段長度元，經(jīng)過時間DT之后，新的長度元滿足,拉格朗日法求連續(xù)性方程,拉格朗日法給出的流體連續(xù)性方程不可壓縮條件,歐拉法求連續(xù)性方程,一個小體積元中，X方向兩側凈流入為再考慮Y和Z方向，最后得與拉格朗日法得到的連續(xù)性方程等價。,動理論方程,相空間取空間坐標和速度坐標均為自變量。分布函數(shù)FT,X,V是相空間的粒子密度。動理論方程是相空間的連續(xù)性方程，X、V相互獨立碰撞項。帶電粒子緊鄰的局部電磁場迥異于平均電磁場引起的效應。在速度空間分布函數(shù)有顯著改變，記為,滿足動理論方程的平衡分布,麥克斯韋分布。多次碰撞后，分布趨向于顯然滿足動理論方程。波爾茲曼分布。有靜電勢時，顯然滿足動理論方程。一般帶電粒子運動時，哈密頓函數(shù)H守恒的情況下，有,等離子體的高導電性和內部電場,等離子體是良導體。等離子體由能夠自由移動的帶電粒子組成，因而具有很好的導電特性。非磁化等離子體無內部電場如果把等離子體視為電阻很小的良導體，非磁化的等離子體內部則相當于導體內部，電場趨向于0。磁化等離子體中的電場基本上垂直于磁場雖然在有磁場的等離子體中可以有電場（磁場的作用阻礙了帶點粒子在垂直磁場方向做自由移動，因而），但電場只有垂直于磁場的分量，平行于磁場的電場分量也很小。,等離子體整體呈準電中性,等離子體整體呈電中性。如果等離子體中有凈電荷存在的話，會導致靜電場產(chǎn)生，這與等離子體中不存在電場的假設相違背。熱運動引起電荷的隨機漲落，電中性被破壞由于等離子體具有一定的溫度，帶電粒子的熱運動會引起電荷的隨機漲落，時時會破壞電中性條件，而凈電荷產(chǎn)生的靜電場不斷試圖使等離子體保持凈電荷分布處處為0的電中性。準電中性等離子體只能在一定空間范圍和時間尺度上保持電中性，而小于這個空間范圍或時間尺度時，等離子體會在局部或在短暫時間內偏離電中性。從長時間和大尺度范圍看，等離子體仍然呈現(xiàn)出電中性的特點。因此，我們稱等離子體呈現(xiàn)準中性的特點。,準電中性的空間尺度,等離子體偏離電中性具有一定的空間尺度和時間尺度?？紤]在等離子體中放入一個電勢為F的無限大平板柵極。這時，假設柵極電位大于0，周圍的離子被趕走，而電子被吸引，從而產(chǎn)生凈電荷。凈電荷產(chǎn)生的電場與帶電粒子的熱運動達到動態(tài)平衡。此時，考慮一維靜電情況下的等離子體的分布函數(shù)FT,X,V是波爾茲曼分布，滿足動力論方程及靜電方程,德拜屏蔽和德拜長度,考慮等離子體由電子和單一成分離子組成且其中，定義德拜長度LD滿足而此時靜電勢為這里電勢衰減的特征長度正是德拜長度。也是等離子體在空間上能夠偏離中性條件的尺度。,點電荷的德拜屏蔽,考慮等離子體中的一個點電荷周圍的電勢此時定積分常數(shù)利用無窮遠處靜電勢為0及沒有等離子體時回歸真空時的電勢表達式。等離子體中的電勢比真空的顯著減小，以德拜長度指數(shù)遞減。熱運動使得屏蔽效果變差，電荷密度越大則屏蔽效果越好。,德拜球內的電子數(shù),計算一下以德拜長度為尺度的等離子中的電子個數(shù)。這里L是電子之間的平均距離。U是在平均距離下的電勢能。等離子體有熱運動動能遠大于勢能的性質，因而德拜球中的電子個數(shù)遠大于1，正是這樣才能起屏蔽作用。,準電中性的時間尺度,考慮等離子體偏離電中性的時間尺度。帶電粒子的熱運動也會引起電荷分布的漲落，從而短時間內產(chǎn)生的非電中性和電場。電場試圖回復等離子體的電中性，但在電荷分布回復中性時，帶電粒子又具有了運動的動能，會引起新的電荷分布不均勻，結果成為振蕩運動。特別對于電子振蕩引起的波動，我們稱電子的這種振蕩為電子靜電波，也叫LANGMUIR波。簡單來說，假設電子整體移動了X，內部產(chǎn)生電場為,離子與電子同時振動的情況,等離子體中，既有電子的熱運動，也有離子的熱運動。簡單來說，假設電子整體向右移動了XE，離子整體向右移動了XI，內部產(chǎn)生電場和運動為說明振蕩是以電子為主。離子作用可以忽略。,準電中性的時間、空間尺度和熱運動,WP稱為等離子體頻率。其倒數(shù)是滿足準電中性條件的時間尺度。它只是等離子體的密度的函數(shù)，與溫度無關。等離子體偏離電中性與帶電粒子的熱運動有很大關系。熱運動的速度恰好是德拜長度和等離子體頻率的乘積這說明若用以角頻率WP作簡諧振動模型，電子振幅是德拜長度LDE，過平衡點時速度為VT。,思考題,驗算有電勢的BOLTZMANN分布滿足動理論的穩(wěn)態(tài)VLASOV方程。等離子體若是可壓縮的，試說明等離子體速度的散度正比于單位時間內此地的等離子體密度的壓縮比率。若密度為N的等離子體中，一半電子溫度為T而另一半是冷的，其中的電子靜電振蕩的頻率會如何變化等離子體中的某些電子正在做簡諧振動，其振幅為DEBYE長度，動能由熱運動提供，其簡諧振蕩角頻率是多少,第2次課,等離子體中的碰撞,經(jīng)典的二體碰撞。兩體碰撞在質心系中化為約化質量在有心力作用下的運動利用角動量守恒，有這里B是瞄準距離。對時間積分,碰撞的偏轉角和微分散射截面,為經(jīng)典二體碰撞的偏轉角公式。當瞄準距離BBMIN時，偏轉角為90度。碰撞的微分散射截面，即單位立體角對應的靶面積，計算為,庫侖碰撞,按照瞄準距離，將碰撞情況近似為近碰撞，轉角大于90度遠碰撞，轉角小于90度無碰撞，因德拜屏蔽，認為無靜電場近碰撞頻率為處理遠碰撞時，多次小角度碰撞累計為一次大角度偏轉的情況，遠碰撞頻率因為，遠碰撞比近碰撞更重要。因此，我們用遠碰撞頻率近似表示碰撞頻率。,實驗室坐標系中的碰撞,在實驗室坐標系中，被撞的（下標2）粒子靜止，偏轉角與質心系中有所不同。在時，兩者近似相等。在時，有在時，有因此，在實驗室坐標系中，計算等離子體中的電子電子，電子離子，離子離子彼此的碰撞頻率時也要做相應調整。,實驗室系的碰撞頻率分析,考慮約化質量相對速度瞄準距離,實驗室系的碰撞頻率分析,因質心系與實驗室坐標系中偏轉角度的不同，有因此，在實驗室坐標系中，考慮等離子體中的電子電子，電子離子，離子離子彼此的碰撞頻率這說明等離子體中，電子與其他粒子的碰撞頻率很高，而離子與其他粒子碰撞的頻率很低。,實驗室系碰撞的能量交換,每種碰撞每次交換的能量為（剛性球模型）因此，在實驗室坐標系中四種碰撞單位時間的能量交換為,等離子體因碰撞趨于平衡的快慢,這說明等離子體中，因碰撞趨于平衡分布的時間，電子電子最短，離子離子其次，而電子和離子之間達到平衡分布所需時間最久。,單粒子運動,等離子體的一種最簡單的描述方法，它只考察帶電粒子在電磁場作用下的運動但并不考慮帶電粒子運動狀態(tài)變化而引起的電磁場適用范圍稀薄的等離子體成分，或具有強大磁場的情況。其運動狀態(tài)的變化不會顯著改變已存在的電磁場。優(yōu)點簡單直觀，物理圖像清晰。缺點不是自恰地描述物理過程。無法研究帶電粒子與電磁場的相互作用。,帶電粒子在均勻恒定磁場中的運動,回旋運動類似旋轉運動回旋頻率（矢量）,帶電粒子在均勻恒定磁場中的運動,取Z軸為磁場B方向令則帶電粒子垂直方向做回旋運動，平行方向速度不變。,求解得帶電粒子的運動,帶電粒子在均勻恒定磁場中的運動,,,,,,R,WT,X,Y,O,,,B,均勻恒定磁場中帶電粒子的回旋運動,值得注意的是，回旋頻率只與磁場的大小有關，而與回旋粒子的垂直速度或回旋半徑無關。但如果相對論效應不能忽略，則帶電粒子的質量會發(fā)生變化，回旋頻率會隨著垂直方向的速度改變。此時，帶電粒子的運動方程為其中G是相對論因子。它只與帶電粒子速度的大小有關，與速度的方向無關。而事實上，只要用點乘式即可看出,帶電粒子在均勻恒定電磁場中運動,磁場、電場恒定假設電場在X、Z平面內解得即引起Y方向的漂移速度,帶電粒子引導中心的漂移運動,引導中心的漂移運動回旋運動時可定義引導中心引導中心的運動速度為其中，加速度,,,,除磁場之外的外力,引導中心的漂移運動,化簡可得其中，引導中心的漂移速度分為3項。平行磁場的運動外力引起的垂直磁場方向的漂移磁場的不均勻性引起的漂移,,,,引導中心的漂移運動,帶電粒子運動大致圖像首先，它繞著磁力線旋轉，但其引導中心主要是沿著磁力線方向做平行運動。其次，引導中心會在外力作用下漂移偏離磁力線，其漂移方向與磁力線垂直，也與力的方向垂直。此外，磁場的不均勻性也能引起漂移運動。下面我們詳細分析一下帶電粒子的各種引導中心的漂移運動。,恒定電場力的漂移運動,對于恒定靜電場，漂移速度為值得注意的是，電場漂移速度與帶電粒子的電荷的正負符號無關，也與帶電粒子的質量無關。在等離子體中，離子和電子以相同的方向和速度漂移，不會造成的電荷分離。事實上，我們如果取一個以相對速度運動的新參考系（稱為DEHOFFMANTELLER參考系），通過洛侖茲變換可以發(fā)現(xiàn)，在新的參考系中電場為0，帶電粒子只是簡單地圍繞磁力線旋轉。而在我們原先的參考系中觀察，所有的電子和離子除了回旋之外，均以一個相同的速度做漂移運動。,,,,重力等其他恒定力的漂移運動,普通情況下，力總是引起與其方向一致的加速度。而在有磁場的情況下，力引起的是一個垂直方向的漂移速度這個速度與帶電粒子的質量也沒有關系，但與其電荷有關。尤其對于電荷符號相反的帶電粒子，其漂移方向也相反。在等離子體中，電子和離子漂移方向不同，會引起電荷分離，從而產(chǎn)生一些特殊的物理現(xiàn)象（如等離子體磁場分界面上產(chǎn)生的瑞利泰勒不穩(wěn)定性）。,,,,思考題,為什么通常DEBYE長度遠大于近碰撞的瞄準距離給出證明。庫侖碰撞所用的電勢的模型是什么庫侖碰撞遠碰撞和近碰撞一般情況下誰的碰撞頻率更高在均勻電磁場中，電子原先靜止在原點，求它其后的運動軌跡并證明是擺線。磁場中的引導中心位置如何確定受力之后引導中心向哪個方向漂移,,,,第3次課,磁場不均勻性引起的漂移,帶電粒子感受到的磁場變化主要是磁場空間不均勻引起的磁場變化的頻率應遠遠小于回旋頻率，否則引導中心的近似不成立。一般來說，磁場隨時間變化會感應出電場，情況比較復雜，因而這里不予考慮。普通情況下，磁場變化頻率很低?？臻g變化的特征尺度也應該遠大于回旋半徑。研究漂移時需要對回旋圓周做平均。,,,,磁場不均勻性引起的漂移,對回旋圓周做平均時，假設帶電粒子作螺旋運動因此進一步化簡可得,,,,磁場不均勻性引起的漂移,其中是在垂直方向上的空間微分算符。,,,,磁場不均勻性引起的漂移,即有在公式中，磁場在空間的變化包括兩個部分，一是磁力線方向的變化，另一個是磁場強度的變化。沿著磁力線方向看磁場方向的變化，可計算磁力線的曲率可得,,,,磁場不均勻性引起的漂移,即有在公式中，是曲率（密切圓半徑的倒數(shù)），表示磁力線的彎曲程度，方向指向磁力線密切圓圓心。在沒有電流的地方，有（下一頁給出證明）統(tǒng)一為,,,,磁場不均勻性引起的漂移,證明沒有電流時，磁場的空間不均勻性引起的漂移運動分為兩部分，一是離心力引起的，為（式中R為曲率半徑）,,,,磁場不均勻性引起的漂移,另一部分是磁張力引起的（也可以說是磁場梯度引起的），為這里M是回旋運動的磁矩而體現(xiàn)了磁場的梯度對帶電粒子所施加的等效作用力。在無電流區(qū)域，曲率漂移和梯度漂移方向一致。,,,,帶電粒子在時間變化電場中的漂移（極化漂移）,有恒定磁場和垂直于磁場的變化電場解運動方程令,,,,帶電粒子在時間變化電場中的漂移（極化漂移）,一般情況電場的變化遠慢于回旋，則Y方向上是普通的電漂移，X方向上即是極化漂移粒子越重，漂移越快。引起電流，電荷分離。,,,,守恒量和絕熱不變量,對于只在磁場中運動的帶電粒子，其動能守恒。有周期運動的系統(tǒng)中，若系統(tǒng)的能量變化遠慢于周期運動，則周期運動的角變量Q對于它的廣義動量P積分一周，可得對應的作用變量近似不變，稱為絕熱不變量。結論論證如下假設系統(tǒng)只有一個廣義變量Q（其實只需在哈密頓雅可比方程中Q可分離出來），有,,,,守恒量和絕熱不變量,系統(tǒng)的哈密頓函數(shù)為反解為因而對哈密頓方程作L和E的偏導數(shù)，得到代入得,,,,回旋運動和磁矩不變量,對于回旋運動，對應磁矩不變量。由于帶電粒子在磁場中運動時，動能W不變，同時磁矩也是絕熱不變量，因此沿磁場方向的動能W||可寫為如果只考慮粒子的平行方向動能，MB可看作等效勢能，勢能的負梯度是等效磁鏡力這個力引起磁場梯度漂移。,,,,磁鏡力,如圖是一個非均勻（這里以會聚的為例）磁場形態(tài)。帶電粒子在磁場中旋轉運動時，受力計算的結果與從能量分析得到的完全相同,,,磁鏡效應,當磁場會聚時，帶電粒子在回旋的同時，沿著磁場方向磁場強的區(qū)域前進時，會受到反向的磁鏡力。這種力可能使粒子的平行速度減為0然后反向，使粒子被反射如同鏡子反射光線。帶電粒子的速度方向與磁場的夾角稱為投射角。在磁鏡反射點上，投射角變成直角，平行方向的速度是0，垂直方向的速度是粒子的總速率。假設磁鏡裝置中的帶電粒子處于磁場較弱的區(qū)域（磁場為BMIN），其投射角如果小于某個臨界角QM就能通過磁場最強的地方（磁場為BMAX），則有,,,損失錐分布,投射角小于這個臨界角的帶電粒子能通過磁場最大的地方，是通行粒子（或逃逸粒子），而投射角大于這個臨界角的帶電粒子會被兩端的強磁場束縛在中間的弱場區(qū)域，成為束縛粒子。束縛粒子所形成的分布稱為損失錐分布，因為投射角小于臨界角的粒子都逃逸了，而投射角大于臨界角的粒子依然存在，其總體分布好像挖去兩個對頂?shù)膱A錐而得名。由于這種分布不是各向同性的，也不處于平衡態(tài)，因而具有自由能，可以導致一些不穩(wěn)定性產(chǎn)生。,,,彈跳運動和縱向不變量,帶電粒子在做回旋運動的時候，沿著磁場方向上會在磁鏡點之間被磁鏡力來回反射，稱為彈跳運動，也是一種周期運動，周期遠長于回旋周期。相應的絕熱不變量為縱向不變量，沿著磁力線方向（縱向）其動量做空間積分地球輻射帶中捕獲了不少高能帶電粒子，它們在地球南北磁極之間做彈跳運動。,,,費米加速,我們常常能觀測到來自宇宙中的一些能量極高的帶電粒子，如有的粒子能量可達1018EV。為了解釋這些高能帶電粒子的來源，費米提出了一種加速機制。宇宙中有一些地方存在強磁場，當帶電粒子被兩個相對運動的強磁場區(qū)域捕獲時，每次反射時由于強場的相對運動都獲得能量。粒子能量在漫長的歲月中不斷積累，從而達到極高能量，最終逃出強磁場之間的束縛，成為自由的高能粒子。,,,等磁通面上的環(huán)繞漂移運動,在彈跳運動過程中，由于磁場的空間不均勻性，導致曲率漂移和磁鏡力漂移。漂移的方向是軸向的，當漂移一圈能夠回到原來的磁力線上。這種周期運動的周期又遠長于彈跳運動的周期?？梢匀∏蜃鴺说妮S向角J為此種周期變化的廣義變量，相應的稱為磁通不變量。即帶電粒子的漂移是沿著同一個的磁通面進行的。,,,地球磁層中的帶電粒子運動,地球磁層中有內輻射帶和外輻射帶。這些輻射帶中捕獲大量的高能帶電粒子，分別來自地球外層大氣和太空。地球的磁場可以近似看作是偶極磁場，帶電粒子在磁場中做回旋運動、彈跳運動和等磁通面上的繞地球漂移運動，這三種周期運動分別對應磁矩不變量、縱向不變量和磁通不變量。其周期也依次增加。這三個絕熱不變量的不變性取決于外界環(huán)境變化的特征時間是否遠遠大于它們所對應的運動周期。如果外界環(huán)境變化較快，絕熱不變量就無法保持其不變的特性。,,,托卡馬克中的帶電粒子運動,在托卡馬克中，因為環(huán)向磁場與大半徑R成反比，BT1/R，靠近中心的地方磁場更強。而帶電粒子沿磁面運動時，如果投射角小于臨界角，則為通行粒子，如果投射角大于臨界角，則沿著磁力線運動向中心附近時，會發(fā)生反射，這些粒子稱為捕獲粒子。同時，因其軌道類似香蕉，也稱為香蕉粒子。由于被捕獲粒子和通行粒子這兩類粒子的存在，速度分布也不是平衡的，能產(chǎn)生一些動力學效應。,,,思考題,假設地球赤道處的磁場為03G，并且它象理想偶極子一樣，以R3衰減。假設存在1EV質子和3X104EV的電子，分布各向同性。在赤道平面R5RR為地球半徑處，二者密度都為N105M3。1計算離子和電子的磁場梯度漂移速度。2電子的漂移方向如何3一個電子繞地球緩轉一周所需要的時間。4計算環(huán)向漂移電流密度。在磁鏡比RM5的兩個運動磁鏡間俘獲的一個宇宙射線的質子，它的初始能量為W103EV，并且在中間平面處有V垂直V平行，每個磁鏡以速度VM104M/S向中間平面運動，L1010M。1用損失椎公式和磁矩不變性，求出質子逃逸前將加速到多高能量。2粒子由初始被捕獲到逃逸需要多少時間,,,第4次課,等離子體的宏觀物理量,分布函數(shù)和宏觀物理量分布函數(shù)的意義在于描述了局域中具有特定速度的粒子有多少。如果所測物理量與粒子速度有關，宏觀測量值應該是局域所有粒子所具有的該物理量的平均值這里是與速度有關的物理量，它的宏觀觀測值為，即該物理量對粒子分布的加權平均。例如，微觀速度V對應的測量量是等離子體的流動速度。,,,等離子體的流體運動模型,等離子體的流體運動模型是研究等離子體的宏觀觀測物理量的變化和滿足的方程。而微觀的分布函數(shù)滿足動理論方程這里的電場和磁場是尚未把碰撞項歸于一起時的包含微觀變化的場。為了求出宏觀物理量滿足的方程，必須對動理論方程做必要的速度積分運算，同時要乘以微觀量。,,,矩方程,等離子體的流體運動模型是研究等離子體的宏觀觀測物理量的變化和滿足的方程。而微觀的分布函數(shù)滿足動理論方程其中，用到了分部積分及在速度無限大的地方分布函數(shù)為0的條件。所得的方程稱為矩方程，是由微觀動理論方程得到的宏觀物理量滿足的方程。,,,連續(xù)性方程和動量方程,取，得連續(xù)性方程取，得動量方程（守恒形式）其中，為壓力張量。,,,壓力張量,熱運動速度通常是指微觀速度與宏觀平均速度之差。設想流體中有一個與當?shù)亓魉僖粯拥募傧胄×⒎襟w，由于有熱運動，粒子自由穿越立方體表面。若將立方體表面實體化，并清空外部的粒子，則立方體表面受到壓力，正是壓力張量的各個分量。如PXY是法線X方向的面單位面積所受到的壓力（壓強）的Y分量。計算如下,,,壓力張量,對于普通的MAXWELLIAN分布，I是單位張量。若平行磁場和垂直磁場方向的溫度不同，B是磁場方向的單位向量。對于流體力學中有粘滯情況，壓力張量的非對角項不為0
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上傳時間：2024-01-05
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