第次-電場-電場強度(共42張PPT)

CollegePhysics大學物理學2022/11/231第1頁，共42頁。本學期學習內(nèi)容：一、電學部分（上冊第五章、第六章）二、磁學部分（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：教考分離2022/11/232第2頁，共42頁。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)，遲交者視為補交?。?、選擇題和填空題必須簡要寫出依據(jù)和原因；計算題要有解題步驟。3、作業(yè)紙上寫明班級、姓名和學號。課程要求：一、大學物理課程學生成績評價標準2022/11/233第3頁，共42頁。如何學好物理學2）注意盡快適應電子教案的教學方式；

學會有重點地記好筆記!4）學會物理學中科學分析方法。1）弄清概念，不怕難；（數(shù)學基礎！）3）養(yǎng)成一絲不茍的作風；

（先從筆記、作業(yè)入手）2022/11/234第4頁，共42頁。靜電場第五章第5頁，共42頁。靜電場(electrostaticfield)：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

2022/11/236第6頁，共42頁。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(electriccharge)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(positivecharge)、負電荷(negativecharge)。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(electrostaticinduction)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電。

2022/11/237第7頁，共42頁。2、電荷的量子化(chargequantization)1906～1917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(elementarycharge)

e的整數(shù)倍(integralmultiple)，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=1.60217733×10-19庫侖(C)q=±ne，n=1,2,3,…

電荷量子化是個實驗規(guī)律。2022/11/238第8頁，共42頁。

1)電荷e是不是最基本的呢？在強子結(jié)構(gòu)的夸克模型(1964年）中，夸克帶分數(shù)電荷，相應的“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，尚未在實驗中找到自由狀態(tài)的夸克。

目前，分數(shù)電荷仍是一個懸而未決的命題。不過即使分數(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略這種量子性，認為電荷是連續(xù)分布的。2022/11/239第9頁，共42頁。羅伯特·安德勒斯·密立根簡介（RobertAndrewsMillikan）1868-1953密立根教授是美國杰出的實驗物理學家和教育家，他把畢生精力用于科學研究和教育事業(yè)，他是電子電荷的最先測定者。密立根從1907年開始進行測量電子電荷的實驗。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動進行了詳細的研究。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。這一著名的油滴實驗曾轟動整個科學界，使密立根名揚四海。

1916年密立根又解決了光電效應的精確測量問題，第一次由光電效應實驗測量了普朗克常數(shù)h。

密立根教授由于測量電荷和研究光電效應的杰出成就,獲得1923年度諾貝爾物理學獎金。10第10頁，共42頁。3、電荷守恒定律（lawofconservationofcharge)表述：在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負電荷的代數(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(例如核反應和基本粒子過程)，是物理學中普遍的基本定律之一。4、電荷的相對論不變性(invariability)：在不同的參考系內(nèi)觀測，同一個帶電粒子的電量不變。2022/11/2311第11頁，共42頁。5-2庫侖定律與靜電力的疊加原理1、點電荷(pointcharge)：形狀和大小可忽略的帶電體（理想模型）當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電荷。表述：在真空中兩個靜止點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電荷的連線。2、庫侖定律(Coulomb’s

law)（1785年）2022/11/2312第12頁，共42頁。其中是國際單位制中的比例系數(shù)k

~8.98755×1019N.m2.C-2(為真空電容率或真空介電常量)為單位矢量，

2022/11/2313第13頁，共42頁。庫侖(Charles-Augustin

de

Coulomb)庫侖(Charles-Augustin

de

Coulomb,1736～1806年)法國工程師、物理學家。1736年6月14日生于法國昂古萊姆。他在美西也爾工程學校讀書。離開學校后，進入皇家軍事工程隊當工程師。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，到布盧瓦致力于科學研究。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)表有關材料強度的論文，1777年庫侖開始研究靜電和磁力問題。1779年他分析摩擦力，還提出有關潤滑劑的科學理論。他還設計出水下作業(yè)法，類似現(xiàn)代的沉箱。1785—1789年，庫侖用扭秤測量靜電力和磁力，導出有名的庫侖定律。

1806年8月23日庫侖在巴黎逝世。14第14頁，共42頁。1）庫侖定律是直接從實驗總結(jié)出來的規(guī)律，適應于點電荷，是靜電場理論的基礎。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)代物理學的觀點，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驗和人造地球衛(wèi)星研究地球磁場時所證實。

2022/11/2315第15頁，共42頁。

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2.27×1039。

4）在無限大均勻電介質(zhì)（絕緣體）中，點電荷之間的靜電力:（比真空中的庫侖力小）2022/11/2316第16頁，共42頁。5-3電場強度（重點）一、電場(electricfield)1.電荷之間的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)實物物質(zhì)場電荷1電荷2作用作用所謂超距作用：2022/11/2317第17頁，共42頁。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。2022/11/2318第18頁，共42頁。二、電場強度(electricfieldintensity)試驗電荷(testcharge)：帶電量足夠小的點電荷場源電荷試驗電荷電場中某點處的電場強度

定義為位于該點處的單位正試驗電荷所受的力。

單位：電荷在電場中受力：

與試驗電荷無關

均勻電場：電場強度處處相同的電場19第19頁，共42頁。三點電荷的電場強度球?qū)ΨQ性和非均勻性2022/11/2320第20頁，共42頁。四電場強度的疊加原理由力的疊加原理，所受合力

點電荷

對的作用力故處總電場強度電場強度的疊加原理2022/11/2321第21頁，共42頁。電荷連續(xù)分布情況電荷體密度點處電場強度2022/11/2322第22頁，共42頁。電荷面密度電荷線密度2022/11/2323第23頁，共42頁。體電荷分布的帶電體的場強面電荷分布的帶電體的場強線電荷分布的帶電體的場強因為矢量不能直接積分，須先求出場強分量，

對分量積分后再迭加（關鍵點）。注意2022/11/2324第24頁，共42頁。1.由能否說與成正比，與成反比？

討論2.一總電量為Q>0的金屬球，在它附近P點產(chǎn)生的場強為。將一點電荷q>0引入P點，測得q實際受力大小與q之比為(>，<，=)P點電場強度的大小·q·2022/11/2325第25頁，共42頁。由對稱性有解

例1正電荷均勻分布在半徑為的圓環(huán)上。計算在環(huán)的軸線上任一點的電場強度。2022/11/2326第26頁，共42頁。2022/11/2327第27頁，共42頁。討論（1）（點電荷電場強度）（2）（3）2022/11/2328第28頁，共42頁。2022/11/2329解：取電荷元dq,則由對稱性拓展：求均勻帶電細圓弧圓心處的場強，已知

,,R第29頁，共42頁。（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）有一半徑為,電荷均勻分布的薄圓盤,其電荷面密度為。相互作用是由場以有限速度傳播的。與x軸的夾角為，二、磁學部分（上冊第七章、第八章）點電荷對的作用力即，則：二、磁學部分（上冊第七章、第八章）在不同的參考系內(nèi)觀測，同一個帶電粒子的電量不變。給電場中的帶電體施以力的作用。奇異(strange)夸克的帶電量為-e/3。五電偶極子的電場強度測定了電子電荷，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(elementarycharge)e的整數(shù)倍(integralmultiple)，即粒子的電荷是量子化的。q=±ne，n=1,2,3,…電荷量子化是個實驗規(guī)律。它們的帶電量都是基本電荷e。例2均勻帶電薄圓盤軸線上的電場強度。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處的電場強度。解

由例１2022/11/2330第30頁，共42頁。2022/11/2331第31頁，共42頁。（點電荷電場強度）討論無限大均勻帶電平面的電場強度2022/11/2332第32頁，共42頁。電偶極矩（電矩）五電偶極子的電場強度電偶極子的軸2022/11/2333第33頁，共42頁。（1）軸線延長線上一點的電場強度

討論..+2022/11/2334第34頁，共42頁。..+2022/11/2335第35頁，共42頁。

（2）電偶極子軸線的中垂線上一點的電場強度2022/11/2336第36頁，共42頁。2022/11/2337第37頁，共42頁。例（教材沒有）、設真空中，有一均勻帶電直線，長為L，總電量為Q，線外有一點p離開直線的垂直距離為b，p點和直線兩端的連線之間的夾角分別為，如圖，求p點的場強。2022/11/2338第38頁，共42頁。1、電荷(electriccharge)當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電荷。環(huán)路定理上(up)夸克的帶電量為2e/3；目前，分數(shù)電荷仍是一個懸