庫(kù)侖定律靜電場(chǎng)

主講教師 翟峰fengzhai 041184706101 603 大學(xué)物理學(xué) 輔導(dǎo)教師 張賀攀王振偉張雅田華一 物理學(xué)的研究對(duì)象 物理 研究物質(zhì) 能量及其相互作用的學(xué)科 23thIUPAP 物理與應(yīng)用物理國(guó)際聯(lián)合會(huì) 1999 3 16 21 空間尺度 宇宙 150億光年 夸克 10 20m 時(shí)間跨度 150億年 10 27s 硬 射線(xiàn)周期 速率范圍 0 靜止 3 108m s 光速 層展現(xiàn)象 溫度 時(shí)間 10 44s 10 36s 10 10s 1s 1010y 105y 宇宙的演化 1032K 1028K 1015K 1010K 3500K 3K 二 物理學(xué)與技術(shù) 第三次世界物理學(xué)會(huì) Berlin2000 物理學(xué)是我們認(rèn)識(shí)世界的基礎(chǔ) 是其他科學(xué)和絕大部分技術(shù)發(fā)展的直接或不可缺少的基礎(chǔ) 物理學(xué)曾經(jīng)是 現(xiàn)在是 將來(lái)也是全球技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力 物理 技術(shù)發(fā)展的兩種模式 技術(shù) 物理 技術(shù) 第一次工業(yè)革命 物理 技術(shù) 物理 電氣化進(jìn)程 信息技術(shù)的硬件部分幾乎都以物理學(xué)成果為基礎(chǔ) 20世紀(jì)的例子 電氣工程 電力 電子 自動(dòng)控制 三 大學(xué)物理學(xué)的學(xué)習(xí) 為學(xué)習(xí)其它學(xué)科建立基礎(chǔ)理論 提高科學(xué)素質(zhì)和能力 以適應(yīng)高新技術(shù)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 轉(zhuǎn)產(chǎn) 轉(zhuǎn)行 物理素質(zhì)的體現(xiàn) 1 能從物理本質(zhì)上對(duì)工程技術(shù)問(wèn)題作出判斷 2 能運(yùn)用物理學(xué)的思想 觀點(diǎn) 規(guī)律和方法于工程技術(shù)的實(shí)際問(wèn)題中 3 能將物理學(xué)的新成果引入到工程技術(shù)中 學(xué)習(xí)目的 名家之言 他一定會(huì)更好適應(yīng)進(jìn)步和變化 A 愛(ài)因斯坦 發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立創(chuàng)新的一般能力 應(yīng)當(dāng)始終放在首位 而不應(yīng)當(dāng)把知識(shí)放在首位 如果一個(gè)人 掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論 并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考與工作 他必定會(huì)找到自己的道路 而且比起那些主要以獲取細(xì)節(jié) 知識(shí)為其訓(xùn)練內(nèi)容的人來(lái) 如何學(xué)習(xí) 如何區(qū)別真?zhèn)魏?科學(xué)是一種方法 它教導(dǎo)我們 一些事物是怎樣被了解的 R P 費(fèi)曼 什么事情是已知的 現(xiàn)在 了解到什么程度 如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性 證據(jù)服從 什么法則 如何思考事物 做出判斷 表面現(xiàn)象 如何工作 記好筆記 高質(zhì)量按時(shí)完成作業(yè) 學(xué)習(xí)方法 悟物窮理 想當(dāng)然處問(wèn)為什么 知其然更知其所以然 建立自己的物理圖象 你聽(tīng)過(guò)的大多會(huì)忘記 你看過(guò)的能記住一些 只有你做過(guò)的才能真正理解 四 課程結(jié)構(gòu) 電磁學(xué) 27 相對(duì)論 量子物理 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī) 操縱電子狀態(tài) 控制電荷分布及運(yùn)動(dòng) 量子計(jì)算 已研制出16個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī) See quantumcomputingat16qubits New Nature2007 近代物理 21 自學(xué) 力學(xué) 光學(xué) 熱學(xué) 學(xué)習(xí)成績(jī)作業(yè) 15 獨(dú)立完成考試 85 閉卷 填空 問(wèn)答 計(jì)算電磁學(xué) 60 近代物理 40 參考書(shū) 張三慧主編 大學(xué)物理學(xué) 2003 伯克利物理學(xué)教程 教材 大學(xué)物理學(xué) 余虹主編 內(nèi)容 27學(xué)時(shí) 一 靜電場(chǎng) 恒定電場(chǎng)及基本性質(zhì) 二 穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)及基本性質(zhì)三 電磁感應(yīng)現(xiàn)象及規(guī)律四 Maxwell電磁場(chǎng)方程組電磁波 第二篇電磁學(xué) Electromagnetics 實(shí)驗(yàn)規(guī)律 思路 1靜電場(chǎng)高斯定理 2場(chǎng)強(qiáng)環(huán)路定理 3靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體 第7章靜電場(chǎng)和恒定電場(chǎng) 4靜電場(chǎng)中的電介質(zhì) 5電容電容器 6靜電場(chǎng)的能量 7恒定電場(chǎng) 電荷量子化 chargequantization 7 1靜電場(chǎng)高斯定理 一 電荷 電子電量e 1 6 10 19C 夸克帶電 e 3 2e 3 電荷仍然量子化 1906 1917年 密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明 微小粒子帶電量的變化不連續(xù) 1923Nobel 兩種電荷 Why 完成作業(yè)1 電荷守恒定律 在一個(gè)和外界沒(méi)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(guò)程中保持不變 電荷守恒是物理學(xué)中普遍的基本定律 電荷的相對(duì)論不變性 帶電體的電量測(cè)量結(jié)果與參照系選擇無(wú)關(guān) 宏觀物體帶電源于微觀粒子的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng) 宏觀帶電體電量遠(yuǎn)大于e 電荷連續(xù)分布 二 庫(kù)侖定律 CoulombLaw 1785年 庫(kù)侖通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)得到 1 表述 在真空中 兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力大小 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 作用力的方向沿著它們的聯(lián)線(xiàn) 同號(hào)電荷相斥 異號(hào)電荷相吸 大小 從施力電荷1指向受力電荷2 電荷1對(duì)電荷2的力矢量 沿矢量的單位矢量 比例系數(shù)K 國(guó)際單位制 SI 有理化 真空介電常數(shù) 1 基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律宏觀 微觀適用2 點(diǎn)電荷理想模型3 電力疊加原理 兩個(gè)點(diǎn)電荷的作用力不因其它電荷的存在而改變 三 電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度 靜電力的作用方式 靜止電荷周?chē)嬖陔妶?chǎng) 電場(chǎng)對(duì)放在其內(nèi)的任何電荷都有作用力 試驗(yàn)電荷q0在場(chǎng)點(diǎn)P受力 與q無(wú)關(guān) 試驗(yàn)電荷 電量充分小 不影響源電荷分布 線(xiàn)度足夠小 場(chǎng)點(diǎn)位置確定 靜電場(chǎng)的存在不依賴(lài)于試驗(yàn)電荷 引入試驗(yàn)電荷是為了讓靜電場(chǎng)表現(xiàn)出來(lái) 偵查員 點(diǎn)電荷在外電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力 四 電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算 1 點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)根據(jù)庫(kù)侖定律 場(chǎng)強(qiáng)定義 球?qū)ΨQ(chēng) 由庫(kù)侖定律 由場(chǎng)強(qiáng)定義 從源電荷指向場(chǎng)點(diǎn) 場(chǎng)強(qiáng)方向正電荷受力方向 2 任意帶電體的場(chǎng)強(qiáng) 情形1 點(diǎn)電荷系 第i個(gè)點(diǎn)電荷到場(chǎng)點(diǎn)的位置矢量 情形2 電荷連續(xù)分布的帶電體 把帶電體分解為許多個(gè)電荷元 然后利用場(chǎng)強(qiáng)疊加原理 電荷密度 體電荷密度 面電荷密度 線(xiàn)電荷密度 例1電偶極子的電場(chǎng) 書(shū)例7 2 一對(duì)等量異號(hào)電荷相距 電矩 求P點(diǎn)的電場(chǎng) P點(diǎn)在中垂線(xiàn)上 矢量形式 例2 均勻帶電直線(xiàn)的電場(chǎng) r 條件 均勻帶電直線(xiàn)總電量為Q 線(xiàn)外一點(diǎn)p離開(kāi)直線(xiàn)的垂直距離為a p點(diǎn)和直線(xiàn)兩端的連線(xiàn)與直線(xiàn)之間的夾角分別為和 求p點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng) Q 解 取線(xiàn)電荷元 電荷線(xiàn)密度 直線(xiàn)無(wú)限長(zhǎng) 軸對(duì)稱(chēng)分布的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng) 與對(duì)稱(chēng)軸垂直的同心圓上各點(diǎn) 相同 大小相同方向如圖 例3 均勻帶電圓環(huán) 半徑為R 帶電量為Q 求圓環(huán)軸線(xiàn)上任一點(diǎn)的電場(chǎng)度 x 解 X 各線(xiàn)電荷元的垂直分量互相抵消 方向沿著X軸 當(dāng)時(shí) 遠(yuǎn)離環(huán)心處的電場(chǎng)也相當(dāng)于一個(gè)