第1次 電場電場強(qiáng)度

1、第1次 電場電場強(qiáng)度第1頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五本學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、電學(xué)部分（上冊第五章、第六章）二、磁學(xué)部分（上冊第七章、第八章）三、近代物理部分（下冊第十四章、第十五章）課程特點(diǎn)：教考分離2022/9/252第2頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五二、物理課作業(yè)要求： 1、交作業(yè)時間：每周二上課之前交作業(yè)， 遲交者視為補(bǔ)交！ 2、選擇題和填空題必須簡要寫出依據(jù)和原因； 計(jì)算題要有解題步驟。 3、作業(yè)紙上寫明班級、姓名和學(xué)號。 課程要求：一、大學(xué)物理課程學(xué)生成績評價標(biāo)準(zhǔn)2022/9/253第3頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)

2、27分，星期五如何學(xué)好物理學(xué)2） 注意盡快適應(yīng)電子教案的教學(xué)方式； 學(xué)會有重點(diǎn)地記好筆記!4）學(xué)會物理學(xué)中科學(xué)分析方法。 1） 弄清概念，不怕難；（數(shù)學(xué)基礎(chǔ)！）3）養(yǎng)成一絲不茍的作風(fēng)； （先從筆記、作業(yè)入手）2022/9/254第4頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五靜 電 場第五章第5頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五靜電場(electrostatic field) ：相對于觀察者靜止的電荷所 產(chǎn)生的電場?；緝?nèi)容： 1）描述靜電場的兩個基本量：電場強(qiáng)度，電勢 2）描述靜電場性質(zhì)的兩個基本定理：高斯定理， 環(huán)路定理 3) 一個基本的定律：庫侖定律

3、 2022/9/256第6頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五5-1 電荷的量子化 電荷守恒定律一、電荷及其性質(zhì)1、電荷(electric charge) 1747年富蘭克林發(fā)現(xiàn)了電。物體所帶的電荷有兩種，分別稱為正電荷(positive charge )、負(fù)電荷(negative charge )。同號電荷相斥(repel)，異號電荷相吸(attract)。電荷可以由摩擦起電、靜電感應(yīng)(electrostatic induction)產(chǎn)生。電量q：物體帶電多少的量度。單位：Coulomb 歷史上約定：用絲綢摩擦的玻璃棒帶正電，用毛皮摩擦的塑料棒帶負(fù)電。2022/9/25

4、7第7頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2、電荷的量子化(charge quantization) 19061917年，密立根（R.A.millikan )用液滴法測定了電子電荷，證明：微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的，它只能是基元電荷(elementary charge) e 的整數(shù)倍(integral multiple)，即粒子的電荷是量子化的。 迄今所知，電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷，質(zhì)子是最小的正電荷。它們的帶電量都是基本電荷e 。1986年的推薦值為：e =1.6021773310-19庫侖(C)q=ne ，n=1,2,3, 電荷量子化是個實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2022/

5、9/258第8頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五1)電荷e是不是最基本的呢？ 在強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型(1964年）中，夸克帶分?jǐn)?shù)電荷，相應(yīng)的“反夸克”帶等量反號的電荷。上(up)夸克的帶電量為2e/3；下(down)夸克的帶電量為 - e/3；奇異(strange)夸克的帶電量為 - e/3。在這一模型中，夸克是受到“禁閉”的。迄今為止，尚未在實(shí)驗(yàn)中找到自由狀態(tài)的夸克。 目前，分?jǐn)?shù)電荷仍是一個懸而未決的命題。不過即使分?jǐn)?shù)電荷存在，仍然不會改變電荷量子化的結(jié)論，只不過新的基本電荷是原來的1/3而已。2)由于e的數(shù)值比宏觀上所觀測到的一切微小電荷要小很多，所以對宏觀帶電體常忽

6、略這種量子性，認(rèn)為電荷是連續(xù)分布的。2022/9/259第9頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五羅伯特安德勒斯密立根簡 介（Robert Andrews Millikan）1868-1953密立根教授是美國杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和教育家，他把畢生精力用于科學(xué)研究和教育事業(yè)，他是電子電荷的最先測定者。密立根從1907年開始進(jìn)行測量電子電荷的實(shí)驗(yàn)。1909年至1917年他對帶電油滴在相反的重力場和靜電場中的運(yùn)動進(jìn)行了詳細(xì)的研究。1913年發(fā)表的電子電荷測量結(jié)果e=4.770* 10-10靜電單位電荷。這一著名的油滴實(shí)驗(yàn)曾轟動整個科學(xué)界，使密立根名揚(yáng)四海。 1916年密立根又解決了

7、光電效應(yīng)的精確測量問題，第一次由光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量了普朗克常數(shù)h。 密立根教授由于測量電荷和研究光電效應(yīng)的杰出成就,獲得1923年度諾貝爾物理學(xué)獎金。10第10頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五 3、電荷守恒定律（law of conservation of charge)表述：在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過程中保持不變。（電荷既不能被創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上，或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分）地位：電荷守恒定律適用于一切宏觀和微觀過程( 例如核反應(yīng)和基本粒子過程 )，是物理學(xué)中普遍的基本定律之一。4、 電荷的相對論

8、不變性(invariability)：在不同的參考系內(nèi)觀測，同一個帶電粒子的電量不變。2022/9/2511第11頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五5-2 庫侖定律與靜電力的疊加原理1、點(diǎn)電荷(point charge)：形狀和大小可忽略的帶電體（理想模型） 當(dāng)帶電體的形狀和大小與它們之間的距離相比充分小而允許忽略時，可以將帶電體看作點(diǎn)電荷。表述： 在真空中兩個靜止點(diǎn)電荷之間的作用力與它們的電荷（電量）的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比 。作用力的方向沿著這兩個點(diǎn)電荷的連線。2、 庫侖定律(Coulombs law) （1785年）2022/9/2512第12頁，

9、共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五其中是國際單位制中的比例系數(shù)k 8.98755 1019 N.m2 .C-2(為真空電容率或真空介電常量) 為單位矢量， 2022/9/2513第13頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五庫侖(Charles-AugustindeCoulomb)庫侖(Charles-AugustindeCoulomb,17361806年)法國工程師、物理學(xué)家。1736年6月14日生于法國昂古萊姆。他在美西也爾工程學(xué)校讀書。離開學(xué)校后，進(jìn)入皇家軍事工程隊(duì)當(dāng)工程師。他在西印狄茲工作了9年，因病而回到法國。法國大革命時期，庫侖辭去一切職務(wù)，到

10、布盧瓦致力于科學(xué)研究。法皇執(zhí)政統(tǒng)治時期，他回到巴黎，成為新建的研究院成員。1773年發(fā)表有關(guān)材料強(qiáng)度的論文，1777年庫侖開始研究靜電和磁力問題。1779年他分析摩擦力，還提出有關(guān)潤滑劑的科學(xué)理論。他還設(shè)計(jì)出水下作業(yè)法，類似現(xiàn)代的沉箱。17851789年，庫侖用扭秤測量靜電力和磁力，導(dǎo)出有名的庫侖定律。1806年8月23日庫侖在巴黎逝世。14第14頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五1）庫侖定律是直接從實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律，適應(yīng)于點(diǎn) 電荷，是靜電場理論的基礎(chǔ)。2）庫侖定律與牛頓萬有引力定律類似，也不是超距(action-at-a-distance)作用。按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)

11、，相互作用是由場以有限速度傳播的。3）適用的空間范圍為： ，這分別被高能電子散射實(shí)驗(yàn)和人造地球衛(wèi)星研究地球磁場時所證實(shí)。 2022/9/2515第15頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五5）庫侖定律和萬有引力定律都是平方反比規(guī)律，從數(shù)量級上比較，引力要弱得多，在氫原子內(nèi)，電子和質(zhì)子之間的靜電力與萬有引力的比值為2.271039。4）在無限大均勻電介質(zhì)（絕緣體）中，點(diǎn)電荷之間的 靜電力:（比真空中的庫侖力?。?022/9/2516第16頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五5-3 電場強(qiáng)度 （重點(diǎn)）一、電場(electric field)1. 電荷之間的

12、相互作用是通過電場傳遞的，或者說電荷周圍存在有電場，引入該電場的任何帶電體，都受到電場的作用力，這就是近距作用。電荷1電場1電場2電荷2激發(fā)作用作用激發(fā)場是一種特殊形態(tài)的物質(zhì)實(shí)物物 質(zhì) 場電荷1電荷2作用作用所謂超距作用：2022/9/2517第17頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2. 場的物質(zhì)性體現(xiàn)在：a. 給電場中的帶電體施以力的作用。b. 當(dāng)帶電體在電場中移動時，電場力作功。表明電場 具能量。c. 變化的電場以光速在空間傳播，表明電場具有動量。2022/9/2518第18頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五二、電場強(qiáng)度(electric f

13、ield intensity)試驗(yàn)電荷(test charge)：帶電量足夠小的點(diǎn)電荷場源電荷試驗(yàn)電荷 電場中某點(diǎn)處的電場強(qiáng)度 定義為位于該點(diǎn)處的單位正試驗(yàn)電荷所受的力。 單位 ： 電荷 在電場中受力： 與試驗(yàn)電荷無關(guān) 均勻電場：電場強(qiáng)度處處相同的電場19第19頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五三 點(diǎn)電荷的電場強(qiáng)度球?qū)ΨQ性和非均勻性2022/9/2520第20頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五四 電場強(qiáng)度的疊加原理由力的疊加原理， 所受合力 點(diǎn)電荷 對 的作用力 故 處總電場強(qiáng)度 電場強(qiáng)度的疊加原理2022/9/2521第21頁，共42頁，202

14、2年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五 電荷連續(xù)分布情況電荷體密度點(diǎn) 處電場強(qiáng)度2022/9/2522第22頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五電荷面密度電荷線密度2022/9/2523第23頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五體電荷分布的帶電體的場強(qiáng)面電荷分布的帶電體的場強(qiáng)線電荷分布的帶電體的場強(qiáng) 因?yàn)槭噶坎荒苤苯臃e分，須先求出場強(qiáng)分量， 對分量積分后再迭加（關(guān)鍵點(diǎn)）。注意2022/9/2524第24頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五1.由 能否說 與 成正比，與 成反比？ 討論2.一總電量為Q0的金屬球，在它附近P點(diǎn)產(chǎn)生的

15、場強(qiáng)為 。將一點(diǎn)電荷q0引入P點(diǎn)，測得q實(shí)際受力大小 與 q之比為 (， =)P點(diǎn)電場強(qiáng)度的大小q2022/9/2525第25頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五由對稱性有解 例1 正電荷 均勻分布在半徑為 的圓環(huán)上。計(jì)算在環(huán)的軸線上任一點(diǎn) 的電場強(qiáng)度。2022/9/2526第26頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2022/9/2527第27頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五討 論（1）（點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度）（2）（3）2022/9/2528第28頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2022/9/2529解

16、：取電荷元dq,則由對稱性拓展：求均勻帶電細(xì)圓弧圓心處的場強(qiáng)，已知 ,R第29頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五例2 均勻帶電薄圓盤軸線上的電場強(qiáng)度。 有一半徑為 ,電荷均勻分布的薄圓盤,其電荷面密度為 。 求通過盤心且垂直盤面的軸線上任意一點(diǎn)處的電場強(qiáng)度。解 由例2022/9/2530第30頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2022/9/2531第31頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五（點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度）討 論無限大均勻帶電平面的電場強(qiáng)度2022/9/2532第32頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五

17、電偶極矩（電矩）五 電偶極子的電場強(qiáng)度電偶極子的軸2022/9/2533第33頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五（1）軸線延長線上一點(diǎn)的電場強(qiáng)度 討 論.+2022/9/2534第34頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五.+2022/9/2535第35頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五 （2）電偶極子軸線的中垂線上一點(diǎn)的電場強(qiáng)度2022/9/2536第36頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五2022/9/2537第37頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五例（教材沒有）、設(shè)真空中，有一均勻帶電直線，長為L，總電量為Q，線外有一點(diǎn)p離開直線的垂直距離為b，p點(diǎn)和直線兩端的連線之間的夾角分別為 ，如圖，求p點(diǎn)的場強(qiáng)。2022/9/2538第38頁，共42頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)27分，星期五解： 以p點(diǎn)為原點(diǎn)，取坐標(biāo)軸ox、oy，在帶電直線上離oy軸為l處取電荷元dl，帶電量為dq，設(shè)直線的線密度為，dq= 則dq在p點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)的大小為：與x軸的夾角為 ，