真空中靜電場的場強.ppt

1、2020/8/10,1,靜電場 相對觀測者靜止的電荷產生的電場,2020/8/10,2,第一章 真空中的靜電場,11 電荷 庫侖定律,12 電場 電場強度,13 高斯定理,14 靜電場的環(huán)路定理 電位,15 等勢面 電場強度與電位梯度的關系,*16 帶電粒子在靜電場中的運動,2020/8/10,3,教學要求：,1. 掌握場強和電位概念及疊加原理，掌握場強和電位的積分關系，了解其微分關系，能計算簡單問題的場強和電位； 2. 理解靜電場高斯定理和環(huán)路定理，掌握用高斯定理計算場強的條件 和方法。,2020/8/10,4,11 電荷 庫侖定律,一、對電荷的基本認識,兩種電荷：實驗1-用毛皮或絲綢摩擦過

2、的橡膠棒 或玻璃棒可吸引輕小物體（羽毛，頭發(fā)）。 實驗2-相互吸引，相互排斥 2. 導體：可傳導電荷的物體（金屬，電解液） 絕緣體（電解質）：不能傳導電荷的物體（橡膠，干燥的玻璃棒） 半導體：傳導電荷的能力介于導體和絕緣體之間的物體，而且電性質非常特殊的材料，對溫度、光照、壓力等外界條件極為敏感。,2020/8/10,5,7. 電荷量子化：密立跟實驗（19061917年）,Q=Ne, e=1.6010-19C,在一個和外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內，正負電荷的代數和在任何物理過程中保持不變。,6. 電荷守恒定律-物理學中普遍的基本定律,5.起電方式：摩擦起電和靜電感應,2020/8/10,6,190

3、9年密立根通過直接測量油滴的電荷，直接證實了電荷的量子性。,帶電油滴滴入勻強電場,使油滴帶不同電量，重復測量得油滴所帶電量總是一個最小電量e的整數倍 直接證實了電荷的量子性 1986年e的推薦值為,2020/8/10,7,8. 基本粒子：,夸克帶分數電荷，,夸克摸型，理論成立，但至今在實驗中未找到自由的夸克。,相互作用有四種：強相互作用，電磁作用，弱相互作用，萬有引力。,2020/8/10,8,夸克和反夸克，以色和味來標記，它們是組成質子、中子和所有強子的基本單元，已發(fā)現30種。 輕子族：只參加弱相互作用，它們是電子，電子型中微子等以及這些粒子的反粒子，共12種。 媒介自：它們是傳遞相互作用的

4、粒子。 相互作用有四種：萬有引力，電磁作用，弱相互作用，強相互作用。,組成宇宙萬物的基本粒子分三類：,2020/8/10,9,二、 庫侖定律（Coulombs law）,生平： 1736年6月庫侖生于法國的安古萊姆，先后就讀馬扎蘭學院和法蘭西學院。1760年（24歲）又考入梅齊埃爾工兵學校，在此認識了地磁學家波爾達(j.c.borda),在1764年1781年（2845歲）他一直以工程師的身份在軍隊服役。1781年才在巴黎定居組織了家庭。在1781年1801年（4565歲）共宣讀了二十五篇論文，其中1785年發(fā)表的第一篇“論電和磁”是關于扭力秤的論文，給出了測量靜電力的扭力秤的結構。另外還有七

5、篇電學和磁學的論文，其余是關于土木工程、機械力學和 摩擦研究的論文，這些論文均被法蘭西物理學會收集在物理學論文集中。1801年（65歲）他被當選為法蘭西研究院名譽主席。 點電荷模型：可抽象為一個幾何點的帶電體，它本身的幾何線度與它到其它帶電體的距離相比小得多,2020/8/10,10,1. 庫侖定律,以庫侖定律為例說明： 一個物理定律建立本身就是物理學取得很大進展的標志 物理定律具有豐富、深刻的內涵和外延 對于基本定律，我們究竟從那些方面考察？,2020/8/10,11,物理定律建立的一般過程,觀察現象； 提出問題； 猜測答案； 設計實驗測量； 歸納尋找關系、發(fā)現規(guī)律； 形成定理、定律（常常需

6、要引進新的物理量或模型，找出新的內容，正確表述）； 考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現代含義等 。,2020/8/10,12,一.庫侖定律的建立,Franklin 首先發(fā)現金屬小杯內的軟木小球完全不受杯上電荷的影響; 在Franklin的建議下，Priestel做了實驗 提出問題,2020/8/10,13,猜測答案,現象與萬有引力有相同規(guī)律 由牛頓力學可知：球殼對放置在殼外的物體有引力，而放置在球殼內任何位置的物體受力為零。 類比：電力與距離平方成反比（1766年做的實驗，未被重視）,2020/8/10,14,設計實驗,1769年Robison首先用直接測量方法確定電力定律，得到兩個同

7、號電荷的斥力,兩個異號電荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究結果直到1801年發(fā)表才為世人所知）,2020/8/10,15,Cavendish實驗,1772年Cavendish遵循Priestel的思想設計了實驗驗證電力平方反比律，如果實驗測定帶電的空腔導體的內表面確實沒有電荷，就可以確定電力定律是遵從平方反比律的即,他測出不大于 0.02（未發(fā)表，100年以 后Maxwell整理他的大量手稿，才將此結果公諸于世。,2020/8/10,16,1785年Coulomb測出結果,精度與十三年前Cavendish的實驗精度相當 庫侖是扭稱專家; 電斥力扭稱實驗，數據只有幾個，且不準確（由于漏電）不

8、是大量精確的實驗； 電引力單擺實驗得 電引力單擺周期正比于距離 與萬有引力單擺周期類比，得,2020/8/10,17,4.真空中，兩個靜止的點電荷之間相互作用力的大小，與它們的電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。靜電作用力大小相等而方向相反，并且沿著它們的聯(lián)線；同號電荷相斥，異號電荷相吸。,（1）結構； （2）測量方法（同性電荷，異性電荷，類比法）,3. 扭力秤的設計思想：,2020/8/10,18,數學表述：,2020/8/10,19,實驗定出： k = 8.988010 9 Nm2/C2,國際單位制（SI）中：,q 庫侖（C），,F牛頓（N） ，,r 米（m）,2020/8/10

9、,20,6.庫侖定律和萬有引力定律的比較 相似性：形式相同 不同：(1)萬有引力 , 庫侖吸引力和排斥力 （2）在大質量物體之間 ，在很小的帶電體之間,2020/8/10,21,適用范圍和精度,原子核尺度地球物理尺度 天體物理、空間物理 大概無問題,基本實驗規(guī)律。宏觀、微觀均適用；,精度：Coulomb時代 1971年,2020/8/10,22,理論地位和現代含義,庫侖定律是靜電學的基礎，說明了 帶電體的相互作用問題 原子結構，分子結構，固體、液體的結構 化學作用的微觀本質 都與電磁力有關，其中主要部分是庫侖力 靜電場的性質,2020/8/10,23, 庫侖定律適用的條件：, 真空中點電荷間的

10、相互作用 施力電荷對觀測者靜止（受力電荷可運動）, 0 真空介電常量 （dielectric constant, 有理化：,引入常量 0，,有：,有理化后的庫侖定律：,令,of vacuum ）,2020/8/10,24,電量單位 MKSA制,1庫侖：當導線中通過1安培穩(wěn)恒電流時，一秒鐘內通過導線某一給定截面的電量為 1C=1As 若F=1N, q1=q2=1C, r=1m 則 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2,2020/8/10,25,CGSE制單位制,電量作為基本單位由C-定律定義 令：k=1, q1=q2, r=1cm ,F=1dyn, 則電量q的單位為 1

11、CGSE電量， 1C=3109CGSE電量,2020/8/10,26,迭加原理,作用在每一個點電荷上的總靜電力等于其他各點電荷單獨存在時作用于該點電荷靜電力的矢量和，這就是靜電力的疊加原理，也叫獨立作用原理。,庫侖定律與疊加原理相配合，原則上可以解決靜電力中的全部問題。,矢量疊加,2020/8/10,27,例題1 按量子理論，在氫原子中，核外電子快速地運動著，并以一定的概率出現在原子核（質子的周圍各處，在基態(tài)下，電子在以質子為中心，半徑0.52910-10的球面附近出現的概率最大.試計算在基態(tài)下,氫原子內電子和質子之間的靜電力和萬有引力,并比較兩者的大小.引力常數為G=6.6710-11Nm2

12、/kg2,解 按庫侖定律計算,電子和質子之間的靜電力為,2020/8/10,28,應用萬有引力定律計算, 電子和質子之間的萬有引力為,由此得靜電力與萬有引力的比值為,2020/8/10,29,可見在原子中,電子和質子之間的靜電力遠比萬有引力大,由此,在處理電子和質子之間的相互作用時,只需考慮靜電力,萬有引力可以略去不計. 而在原子結合成分子,原子或分子組成液體或固體時,它們的結合力在本質上也都屬于電性力.,2020/8/10,30,例2 設原子核中的兩個質子相距4.010-15m,求此兩個質子之間的靜電力.,2020/8/10,31,例3 在圖中, 三個點電荷所帶的電荷量分別為q1=-86 C

13、,q2=50 C,q3=65 C.各電荷間的距離如圖所示.求作用在q3上合力的大小和方向.,解 選用如圖所示的直角坐標系, 并i和j分別為沿x,y軸方向的單位矢量.,2020/8/10,32,電荷q2作用于電荷q3上的力 的大小為,力 沿x軸和y軸的分量分別為,按庫侖定律可算得q1作用于電荷q3上的 的大小為,2020/8/10,33,力 沿x軸和y軸的分量分別為,根據靜電力的疊加原理,作用于電荷q3上的合力為,合力 的大小為,2020/8/10,34,合力 與x軸的夾角為,從上面的例子可以看出,由庫侖定律算出的作用力是不小的,在距離一定時,它與帶電體所帶電荷量相關.例如兩個各帶電荷量為1C的帶電體,當它們相距1m時,根