清華大學普通物理課件.pdf

本學期內容本學期內容 電磁學電磁學 上上課課 44學時學時 放假放假 2 學時 期中考試學時 期中考試2學時學時 相對論相對論 上課上課 14學時學時 放假放假 2學時學時 成績成績 期中期中 40 期末考試 期末考試 40 完全閉卷考試完全閉卷考試 討論課 討論課 6 8次 成績 次 成績 10 平時成績 平時成績 10 教材與參考書教材與參考書 教材教材 電磁學講義電磁學講義 劉鳳英等劉鳳英等 參考書參考書 電磁學與電動力學 上冊 電磁學與電動力學 上冊 胡胡友秋 程福臻 友秋 程福臻 葉邦角葉邦角著 科學出版社著 科學出版社 物理學基礎物理學基礎 哈里德等著 哈里德等著 張三慧張三慧 李椿等譯 機械工業(yè)出版社李椿等譯 機械工業(yè)出版社 新概念物理教程新概念物理教程 電磁學電磁學 第二版 第二版 趙凱華趙凱華 陳熙謀著 高等教育出版社陳熙謀著 高等教育出版社 費恩曼物理學講義費恩曼物理學講義 第 第1 1 2 2卷 卷 費恩曼等著 李洪芳等譯 上?？萍汲霭嫔缳M恩曼等著 李洪芳等譯 上?？萍汲霭嫔?1 3 姓名姓名手機手機辦公室辦公室電話電話班級班級 萬林焱萬林焱1521058038915210580389劉卿樓劉卿樓8028028937989379工物工物3030 范荊洲范荊洲1371811704713718117047劉卿樓 劉卿樓8018018131381313工物工物3131 劉毅冰劉毅冰1881064595718810645957理科樓理科樓工物工物3232 安劉攀安劉攀1521058037915210580379劉卿樓劉卿樓8028028937989379核核3131 夏凌昊夏凌昊1590100499615901004996理科樓 理科樓A221A221核核3232 曹高清曹高清1512000086115120000861理科樓理科樓A332A3327269472694 工物工物3333及其及其 他他 電磁學電磁學 高原寧高原寧劉鳳英劉鳳英 gaoyn 劉卿樓劉卿樓805 2014年春季學期年春季學期 4 電磁學研究電磁學研究的的是是 電磁電磁現象現象的的基本基本概念概念和和基本基本規(guī)律 規(guī)律 電荷 電流產生電場和磁場電荷 電流產生電場和磁場的的規(guī)律規(guī)律 電場和磁場的相互聯系 電場和磁場的相互聯系 電磁場對電荷 電流的作用 電磁場對電荷 電流的作用 電磁場對物質的各種效應電磁場對物質的各種效應 四種基本相互作用中對四種基本相互作用中對電磁相互作用認識最深入電磁相互作用認識最深入 通過電磁場說明 場的基本通過電磁場說明 場的基本性質 性質 基本基本特征 特征 研究場的基本研究場的基本方法 方法 5 處理電磁學問題的基本觀點和方法處理電磁學問題的基本觀點和方法 著眼于場的分布著眼于場的分布 一般一般 歸納歸納 假設假設 對象 對象 彌散于空間的電磁場 彌散于空間的電磁場 方法 方法 觀點 觀點 電磁作用是 場 的作用電磁作用是 場 的作用 基本實驗規(guī)律基本實驗規(guī)律綜合的普遍規(guī)律綜合的普遍規(guī)律 特殊 特殊 近距作用 近距作用 電磁學電磁學 電動力學電動力學 場論場論 量子電動力學量子電動力學 量子場論量子場論 6 數學基礎 矢量 數學基礎 矢量 1 標量 標量 僅需用一個數字來表示其大小的量 如質量 僅需用一個數字來表示其大小的量 如質量 電荷 密度等 電荷 密度等 矢量 矢量 除大小外還具有一定的方向 如力 速度 除大小外還具有一定的方向 如力 速度 加速度等 加速度等 直角坐標系中的矢量 直角坐標系中的矢量 r x y O x r y r cossin xy xyrr r r r x y x y z O r y r z r x r coscoscos xyz rrr xyz r rrr xyz 正交 基矢 正交 基矢 x y z 方向余弦 方向余弦 cos cos cos 7 數學基礎 矢量 數學基礎 矢量 2 矢量的模矢量的模 單位矢量單位矢量 矢量的合成與分解 矢量的合成與分解 平行四邊形法則 三角形法則平行四邊形法則 三角形法則 或者或者 多邊形法則多邊形法則 當多個矢量疊加時 將各矢量首尾當多個矢量疊加時 將各矢量首尾 相連 從矢量的始端至末矢量的末相連 從矢量的始端至末矢量的末 端引一條有向線段 即為端引一條有向線段 即為合矢量合矢量 8 數學基礎 矢量 數學基礎 矢量 3 矢量的和與點積 矢量的和與點積 矢量的叉積 矢量的叉積 方向垂直于方向垂直于 與與 所在所在的平面 的平面 矢量函數的導數 矢量函數的導數 矢量函數的積分 矢量函數的積分 9 cos sin 第第1章章 真空中的靜電場真空中的靜電場 1 1 電荷守恒定律電荷守恒定律和和庫侖定律庫侖定律 1 2 電場和電場強度電場和電場強度 1 3 高斯定理高斯定理 1 4 環(huán)路定理環(huán)路定理 注意 本章所有討論的注意 本章所有討論的 問題都是指問題都是指電荷相對電荷相對 靜止或非常靜止或非常緩慢地運動 緩慢地運動 10 觀察者觀察者 電荷守恒電荷守恒 11 密立根 密立根 R A Millikan 帶電油滴實驗 帶電油滴實驗 1906 1917 1923年諾貝爾物理獎 年諾貝爾物理獎 2 電荷是量子化 分立 的電荷是量子化 分立 的 基本電荷基本電荷 e 1 60217733 49 10 19 C 1 電荷只有正 負兩種電荷只有正 負兩種 電磁現象歸因于電荷及其運動電磁現象歸因于電荷及其運動 夸克 夸克 quark 帶分數電荷 帶分數電荷 e 3 和和 2e 3 蓋爾曼提出夸克模型 蓋爾曼提出夸克模型 1929 至今 至今 1969 年諾貝爾物理獎 但實驗尚未發(fā)現自年諾貝爾物理獎 但實驗尚未發(fā)現自 由夸克 夸克由夸克 夸克囚禁 囚禁 12 帶電粒子的電量在不同慣性系中保持不變帶電粒子的電量在不同慣性系中保持不變 5 電荷是一電荷是一個 洛個 洛侖茲侖茲不變量 不變量 3 電荷對稱性電荷對稱性 正負電子 正反質子正負電子 正反質子 但但 H2與與 He 都精確電中性都精確電中性 2 HHe pp 其中兩個質子運其中兩個質子運 動狀況相差很大 動狀況相差很大 例如 例如 H2He 質子動量 質子動量 4 電荷守恒電荷守恒 在宏觀和微觀上在宏觀和微觀上 電荷總量守恒 電荷總量守恒 1 2 庫侖定律庫侖定律 k 1 4 0 8 9880 109 N m2 C2 9 109N m2 C2 0 真空介電常數真空介電常數 8 85 10 12C2 N m2 真空真空中的兩靜止中的兩靜止 或低速或低速 點電荷點電荷間的作用間的作用 力力為為 q1 q0 01 F 10 F 1001 rrr 1 r 0 r O 13 第二種 第二種 高斯單位制 高斯單位制 CGSE 庫侖定律庫侖定律 相應兩種形式相應兩種形式 q的單位的單位 CGSE q 第一種 第一種 國際單位制 國際單位制 MKSA 電量的單位尚未確定電量的單位尚未確定 令令 k 1 14 2 力與距離平方成反比的特征力與距離平方成反比的特征 長程力 長程力 1 適用對象適用對象 點電荷 帶電體尺度點電荷 帶電體尺度 引力引力 16 思想實驗思想實驗 在在庫侖庫侖所所處的年代處的年代 如何如何實驗驗實驗驗 證證庫侖庫侖定律定律 17 制備點電荷制備點電荷 力與距離的平方反比關系力與距離的平方反比關系 如何量度電荷 如何量度電荷 驗證電荷的乘積關系驗證電荷的乘積關系 選擇單位制選擇單位制 重新理解電荷守恒定律重新理解電荷守恒定律 相互作用的本質是什么 媒介媒介 粒子粒子 受力受力 粒子粒子 引力子引力子 尚未發(fā)現 尚未發(fā)現 引力引力 所有粒子所有粒子 電磁作用電磁作用弱作用弱作用 W W Z0 0光子光子 夸克夸克 與輕子與輕子 夸克 帶電夸克 帶電 輕子與輕子與W W 強作用強作用 膠子膠子 夸克與膠子夸克與膠子 宏觀宏觀 物體物體 所有物體所有物體不適用不適用 所有帶所有帶 電物體電物體 不適用不適用 微微 觀觀 尺尺 度度 18 疊加原理疊加原理 實驗表明 實驗表明 兩個靜止兩個靜止點電荷點電荷之間的作用力之間的作用力 庫庫 侖力侖力 并不因第三個靜止點電荷的存在而改變并不因第三個靜止點電荷的存在而改變 在電磁場的量子效應中 在電磁場的量子效應中 經典經典疊加原理不成立 疊加原理不成立 兩個以上的靜止點電荷對一個靜止點電荷的庫兩個以上的靜止點電荷對一個靜止點電荷的庫 侖力侖力 等于各個靜止點電荷單獨存在時對該靜等于各個靜止點電荷單獨存在時對該靜 止點電荷庫侖力的矢量止點電荷庫侖力的矢量和和 19 帶電體系對點電荷的庫侖力帶電體系對點電荷的庫侖力 實際問題中需要處理的是帶電體系實際問題中需要處理的是帶電體系 需要進行需要進行 電荷元電荷元分割分割 以便當作以便當作點電荷點電荷處理處理 電荷元電荷元 體電荷元體電荷元 線電荷元線電荷元 面電荷元面電荷元 同理 有同理 有 根據疊加原理 有根據疊加原理 有 20