電磁學(xué)趙凱華庫侖定律

1、第一章第一章靜電場靜電場教材：教材：新概念物理學(xué)新概念物理學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué) 趙凱華、陳熙謀趙凱華、陳熙謀2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫1.庫侖定律庫侖定律p71 1-1、4n以庫侖定律為例說明：以庫侖定律為例說明： n一個(gè)物理定律建立本身就是物理學(xué)取得一個(gè)物理定律建立本身就是物理學(xué)取得很大進(jìn)展的標(biāo)志很大進(jìn)展的標(biāo)志n物理定律具有豐富、深刻的內(nèi)涵和外延物理定律具有豐富、深刻的內(nèi)涵和外延n對(duì)于基本定律，我們究竟從那些方面考對(duì)于基本定律，我們究竟從那些方面考察？察？2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫物理定律建立的一般過程物理定律建立的一般過程n觀察現(xiàn)象；觀察現(xiàn)象；n提出問題；提出問題；n

2、猜測答案；猜測答案；n設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量；n歸納尋找關(guān)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律；歸納尋找關(guān)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律；n形成定理、定律（常常需要引進(jìn)新的物理量或模形成定理、定律（常常需要引進(jìn)新的物理量或模型，找出新的內(nèi)容，正確表述）；型，找出新的內(nèi)容，正確表述）；n考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現(xiàn)考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現(xiàn)代含義等代含義等 。2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫一一.庫侖定律的建立庫侖定律的建立nFranklin首先發(fā)現(xiàn)金屬小首先發(fā)現(xiàn)金屬小杯內(nèi)的軟木小球完全不受杯內(nèi)的軟木小球完全不受杯上電荷的影響杯上電荷的影響;n在在Franklin的建議下，的建議下，Priest

3、el做了實(shí)驗(yàn)做了實(shí)驗(yàn)提出提出問題問題2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫猜測答案猜測答案n現(xiàn)象與萬有引力有相同規(guī)現(xiàn)象與萬有引力有相同規(guī)律律n由牛頓力學(xué)可知：球殼對(duì)由牛頓力學(xué)可知：球殼對(duì)放置在殼外的物體有引力，放置在殼外的物體有引力，而放置在球殼內(nèi)任何位置而放置在球殼內(nèi)任何位置的物體受力為零。的物體受力為零。n類比：電力與距離平方成類比：電力與距離平方成反比（反比（1766年做的實(shí)驗(yàn)，年做的實(shí)驗(yàn)，未被重視）未被重視）21rF 引21rF 電2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)n1769年年Robison首先用直接測量方法首先用直接測量方法確定電力定律，得到兩個(gè)同號(hào)電荷的確

4、定電力定律，得到兩個(gè)同號(hào)電荷的斥力斥力 06.2 rf兩個(gè)異號(hào)電荷的引力比平方反比的方次要兩個(gè)異號(hào)電荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究結(jié)果直到小些。（研究結(jié)果直到1801年發(fā)表才為世人年發(fā)表才為世人所知）所知）2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫Cavendish實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)n1772年年Cavendish遵循遵循Priestel的思想設(shè)計(jì)了的思想設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證電力平方反比律驗(yàn)證電力平方反比律”，如果實(shí)驗(yàn)測，如果實(shí)驗(yàn)測定帶電的空腔導(dǎo)體的內(nèi)表面確實(shí)沒有電荷，定帶電的空腔導(dǎo)體的內(nèi)表面確實(shí)沒有電荷，就可以確定電力定律是遵從平方反比律的即就可以確定電力定律是遵從平方反比律的即n他測出不大于他

5、測出不大于 0.02（未發(fā)表，（未發(fā)表，100年以年以后后Maxwell整理他的大量手稿，才將此結(jié)果公諸整理他的大量手稿，才將此結(jié)果公諸于世。于世。 越小，內(nèi)表面電荷越少越小，內(nèi)表面電荷越少2rf2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫1785年年Coulomb測出結(jié)果測出結(jié)果n精度與十三年前精度與十三年前Cavendish的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)精度相當(dāng)精度相當(dāng)n庫侖是扭稱專家?guī)靵鍪桥しQ專家;n電斥力電斥力扭稱實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)只有幾個(gè)，扭稱實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)只有幾個(gè)，且不準(zhǔn)確（由于漏電）且不準(zhǔn)確（由于漏電）不是大量不是大量精確的實(shí)驗(yàn)；精確的實(shí)驗(yàn)；n電引力電引力單擺實(shí)驗(yàn)得單擺實(shí)驗(yàn)得n電引力單擺周期正比于距離電引力單擺周

6、期正比于距離n與萬有引力單擺周期類比，得與萬有引力單擺周期類比，得2rGmLT 2210,rF電2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫庫侖定律庫侖定律的表述的表述 p5n在真空中，兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷q1和q2之間的相互作用力大小和q1 與q2的乘積成正比，和它們之間的距離r平方成反比；作用力的方向沿著他們的聯(lián)線，同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸。2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫rrggkf221?2 rf對(duì)稱性的結(jié)果對(duì)稱性的結(jié)果量量類比于引力，定義了電類比于引力，定義了電實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果rfggfrfrrggkf|212221k是引進(jìn)單位制后引入的常數(shù)。是引進(jìn)單位制后引入的常數(shù)。討論討論20

7、05.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫n上述公式并非都是大量上述公式并非都是大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，是在事實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，是在事實(shí)基礎(chǔ)上理性思維的結(jié)果?；A(chǔ)上理性思維的結(jié)果。n如力的方向：分析點(diǎn)電如力的方向：分析點(diǎn)電荷受力：只能沿聯(lián)線，荷受力：只能沿聯(lián)線，否則空間旋轉(zhuǎn)否則空間旋轉(zhuǎn)180就就不對(duì)稱了不對(duì)稱了注意成立條件、適用范圍、精度成立條件、適用范圍、精度 條件：靜止、條件：靜止、真空、真空、點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫靜止：靜止：n點(diǎn)電荷相對(duì)靜止，且相對(duì)于觀察者也靜止點(diǎn)電荷相對(duì)靜止，且相對(duì)于觀察者也靜止n該條件可以拓寬到靜源該條件可以拓寬到靜源動(dòng)電荷，動(dòng)電荷，n不能延拓到動(dòng)源不能

8、延拓到動(dòng)源靜電荷？靜電荷？n因?yàn)樽鳛檫\(yùn)動(dòng)源，有一個(gè)推遲效。因?yàn)樽鳛檫\(yùn)動(dòng)源，有一個(gè)推遲效。n問題：上述結(jié)論是否與牛頓第三定律矛盾？結(jié)問題：上述結(jié)論是否與牛頓第三定律矛盾？結(jié)果合理嗎？果合理嗎？2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫被作用者靜止，被作用者靜止，滿足牛三滿足牛三被作用者運(yùn)動(dòng)，由于推被作用者運(yùn)動(dòng)，由于推遲勢，不滿足牛三遲勢，不滿足牛三看上去與牛三矛盾看上去與牛三矛盾實(shí)際上正說明電荷間有實(shí)際上正說明電荷間有第三者第三者場場，前者電荷靜止，前者電荷靜止，場的動(dòng)量不變場的動(dòng)量不變作用力對(duì)等作用力對(duì)等后者后者場的動(dòng)量場的動(dòng)量發(fā)生變化，作用力不對(duì)等發(fā)生變化，作用力不對(duì)等將場包含進(jìn)去，依然滿足牛

9、頓第三定律將場包含進(jìn)去，依然滿足牛頓第三定律2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫真空條件真空條件n作用：為了除去其他電荷的影響，使兩個(gè)作用：為了除去其他電荷的影響，使兩個(gè)點(diǎn)電荷只受對(duì)方作用。點(diǎn)電荷只受對(duì)方作用。n如果真空條件破壞會(huì)如何？如果真空條件破壞會(huì)如何？不僅只有不僅只有兩個(gè)電荷；總作用力比真空時(shí)復(fù)雜些，但兩個(gè)電荷；總作用力比真空時(shí)復(fù)雜些，但由于由于力的獨(dú)立作用原理力的獨(dú)立作用原理，兩個(gè)點(diǎn)電荷之間，兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的力仍遵循庫侖定律的力仍遵循庫侖定律n因此可以推廣到因此可以推廣到介質(zhì)、導(dǎo)體介質(zhì)、導(dǎo)體 2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷 n理想模型（已學(xué)過的）理想模型（已

10、學(xué)過的）n質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)n剛體剛體n理想流體理想流體n平衡態(tài)（熱學(xué)）平衡態(tài)（熱學(xué)）n點(diǎn)電荷：忽略了帶電體形狀、大小以及電點(diǎn)電荷：忽略了帶電體形狀、大小以及電荷分布情況的電荷。荷分布情況的電荷。2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫適用范圍和精度適用范圍和精度n原子核尺度原子核尺度地球物理尺度地球物理尺度n天體物理、空間物理天體物理、空間物理大概無問題大概無問題 cmcm91310102101610n精度：精度：Coulomb時(shí)代時(shí)代n1971年年2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫理論地位和現(xiàn)代含義理論地位和現(xiàn)代含義n庫侖定律是靜電學(xué)的基礎(chǔ)，說明了庫侖定律是靜電學(xué)的基礎(chǔ)，說明了 n帶電體的相互

11、作用問題帶電體的相互作用問題 原子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，固體、液體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，固體、液體的結(jié)構(gòu)化學(xué)作用的微觀本質(zhì)化學(xué)作用的微觀本質(zhì)都與電磁力有關(guān)，其中主要部分是庫侖力都與電磁力有關(guān)，其中主要部分是庫侖力n靜電場的性質(zhì)靜電場的性質(zhì) 2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫后果？后果？n靜電場的基本定理靜電場的基本定理高斯定理將不成立高斯定理將不成立n動(dòng)搖了電磁理論的基礎(chǔ)動(dòng)搖了電磁理論的基礎(chǔ)n電力平方反比律與電力平方反比律與m光光（靜靜）是否為零有密切關(guān)系是否為零有密切關(guān)系 nm光光是有限的非零值？還是一個(gè)零？有本質(zhì)的區(qū)別是有限的非零值？還是一個(gè)零？有本質(zhì)的區(qū)別n現(xiàn)有理論以現(xiàn)有理論以m光光

12、=0為前提為前提,若若m光光不為零不為零 ，后果嚴(yán)重，后果嚴(yán)重 電動(dòng)力學(xué)的規(guī)范不變性被破壞電動(dòng)力學(xué)的規(guī)范不變性被破壞 電荷將不守恒電荷將不守恒 光子偏振態(tài)要發(fā)生變化光子偏振態(tài)要發(fā)生變化 黑體輻射公式要修改黑體輻射公式要修改 會(huì)出現(xiàn)真空色散，即不同頻率的光波在真空中的傳播速度不會(huì)出現(xiàn)真空色散，即不同頻率的光波在真空中的傳播速度不同，從而破壞光速不變。同，從而破壞光速不變。 gm47106 . 1 目前最好的結(jié)果目前最好的結(jié)果0若2 rf2005.2.北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫電量單位電量單位 MKSA制制n1庫侖：當(dāng)導(dǎo)線中通過庫侖：當(dāng)導(dǎo)線中通過1安培穩(wěn)恒電流時(shí)，安培穩(wěn)恒電流時(shí)，一秒鐘內(nèi)通過導(dǎo)線某一給定截面的電量為一秒鐘內(nèi)通過導(dǎo)線某一給定截面的電量為1C=1Asn若若F=1N,q1=q2=1C,r=1m則則k=8.9880