J物理學(xué)與人類文明J

從宇宙到夸克作者余虹2/3/20231DUT余虹矢量運(yùn)算簡(jiǎn)介矢量的表達(dá)形式矢量表達(dá)形式中的要素矢量的坐標(biāo)分解矢量的加法交換率矢量的平行四邊形運(yùn)算證明矢量加法運(yùn)算的三角形表達(dá)矢量的坐標(biāo)分解運(yùn)算矢量加法的坐標(biāo)分解運(yùn)算2/3/20232DUT余虹矢量——有大小又有方向的量。A1.矢量加（減）法2/3/20233DUT余虹2.矢量的正交分解xy01234321Emg2/3/20234DUT余虹3.矢量的標(biāo)積（點(diǎn)積）2/3/20235DUT余虹4.矢量的矢積（叉積）方向大小2/3/20236DUT余虹第3章探索光與電的秘密2/3/20237DUT余虹１自然界中的閃電２宇宙中大規(guī)模的電荷遷移３身體上的靜電４摩擦起電５神經(jīng)活動(dòng)－電現(xiàn)象６電流傳導(dǎo)探索電現(xiàn)象-生活中的電現(xiàn)象2/3/20238DUT余虹歷史電現(xiàn)象-發(fā)展中的認(rèn)識(shí)西漢《論衡》中也有“頓牟掇芥”-摩擦起電王充在《論衡·雷虛篇》中寫道：“云雨至則雷電擊”，明確地提出云與雷電之間的關(guān)系。早在3000多年前的殷商時(shí)期，甲骨文中就有了“雷”及“電”的形聲字。西周初期，在青銅器上就已經(jīng)出現(xiàn)加雨字偏旁的“電”字。

從天上取電-本杰明.富蘭克林1752年7月的一天，雷電交加，富蘭克林帶著兒子，拿著風(fēng)箏到野地，靠一要金屬根把閃電引到銅鑰匙上，他冒著生命危險(xiǎn)把手指接近銅鑰匙，二者之間立刻閃出了火花，他高興地大喊起來：“我受到電擊了！我終于證明了：閃電就是電！”之后，他又發(fā)明了避雷針2/3/20239DUT余虹探索電現(xiàn)象－原子結(jié)構(gòu)和靜電

１原子是由原子核－電子構(gòu)成２不同種類原子作用力不同問:是否所有的不同種類的原子之間半徑相同問:是否各種原子的核外電子數(shù)相同問:是否各種原子核都有同樣的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)2/3/202310DUT余虹靜電的危害和應(yīng)用避免雷擊擊穿電子元件碰門把手受到驚嚇引起火災(zāi)靜電復(fù)印機(jī)靜電植絨靜電除塵2/3/202311DUT余虹靜電現(xiàn)象的理論研究１單位正電荷２靜電力－庫侖力３勢(shì)能參考－無窮遠(yuǎn)處勢(shì)能為零考慮描述電流最少需要那些因素2/3/202312DUT余虹宏觀帶電體電量是e的整數(shù)倍?？淇恕?.電荷的量子性電子電量一、電荷與電現(xiàn)象3.1電與磁3.1.1“統(tǒng)治”現(xiàn)代世界的電質(zhì)子電量同號(hào)電荷相排斥；異號(hào)電荷相吸引。電場(chǎng)通過場(chǎng)相互作用2/3/202313DUT余虹2.電荷守恒定律——電絕緣系統(tǒng)中，電荷的代數(shù)和保持常量。電子對(duì)湮滅電子對(duì)產(chǎn)生3.電荷相對(duì)論不變性電荷為Q電荷為Q??2/3/202314DUT余虹電荷1受電荷2的力有理化真空中的介電常數(shù)兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力，不會(huì)因?yàn)榈谌齻€(gè)電荷的存在而改變疊加原理二、電場(chǎng)強(qiáng)度庫侖定律1.電相互作用2/3/202315DUT余虹Q0線度足夠地小——場(chǎng)點(diǎn)確定。1.要求試驗(yàn)電荷大?。?jiǎn)挝浑姾墒芰Ψ较颍赫姾墒芰挝唬篘/C或V/m空間一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度＝單位正電荷所受的力。定義2.Q0只是使場(chǎng)顯露出來，即使無Q0電場(chǎng)也存在。+電量充分地小——不至于使源電荷重新分布。說明實(shí)驗(yàn)電荷2.電場(chǎng)強(qiáng)度2/3/202316DUT余虹氫原子原子中庫侖力和萬有引力的比較2/3/202317DUT余虹3.點(diǎn)電荷的電場(chǎng)特點(diǎn)電力線：起于正電荷至于負(fù)電荷?說明2.在電場(chǎng)中釋放電荷，正電荷沿著電力線運(yùn)動(dòng)，負(fù)正電荷逆著電力線運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)電荷場(chǎng)的電力線—射線1.電力線切線方向是場(chǎng)強(qiáng)的方向，疏密程度表征場(chǎng)強(qiáng)的大小。任何兩條電場(chǎng)線不會(huì)在無電荷處相交。2/3/202318DUT余虹電場(chǎng)線的分布2/3/202319DUT余虹點(diǎn)電荷試驗(yàn)電荷方向試驗(yàn)電荷受力場(chǎng)強(qiáng)疊加原理由定義4.電場(chǎng)疊加原理2/3/202320DUT余虹例題已知電荷Q1＝2C，位置（0，0，0）；Q2＝3C，位置（0，-2，0）；求電場(chǎng)強(qiáng)度:（1）Pa點(diǎn)（0，1，0）（2）Pb點(diǎn)（0，0，2）PbQ2Q1⊕⊕xyzPaPa:Pb:2/3/202321DUT余虹例題求：電偶極子中垂面上任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。解定義：偶極矩r>>lr+=r-

r?

⊕2/3/202322DUT余虹例題求：電荷線密度

為的無限長(zhǎng)均勻帶電細(xì)棒，離棒垂直距離為a處電場(chǎng)強(qiáng)度。由對(duì)稱性知道電場(chǎng)強(qiáng)度只能沿垂直棒的方向。2/3/202323DUT余虹已知：總電量Q；半徑R

。求：均勻帶電圓環(huán)軸線上的場(chǎng)強(qiáng)。x（2）R<<x（1）討論：R例題2/3/202324DUT余虹x已知：總電量Q；半徑R

。求：均勻帶電圓盤軸線上的場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)R>>x無限大帶電平面場(chǎng)強(qiáng)例題2/3/202325DUT余虹2．帶正電荷的質(zhì)點(diǎn)，在電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，已知速率是遞增，定性畫出場(chǎng)強(qiáng)方向例題1.電量Q相同，M、N處的粒子哪個(gè)受力大？MNQ2/3/202326DUT余虹二、電勢(shì)H22.電勢(shì)能與電勢(shì)H1M重力做功重力勢(shì)能電場(chǎng)力做功電勢(shì)能電勢(shì)1.重力勢(shì)能把單位正電荷在電場(chǎng)中某處時(shí)，系統(tǒng)具有的電勢(shì)能1

Q22/3/202327DUT余虹U

1U

2Q0A0Q

0A

0在靜電場(chǎng)中釋放正電荷向電勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)。在靜電場(chǎng)中釋放正電荷沿電力線運(yùn)動(dòng)。結(jié)論電力線指向電勢(shì)減弱的方向。3.電勢(shì)差與電場(chǎng)力的功電勢(shì)差——單位正電荷從1到2，電場(chǎng)力做的功。4.電勢(shì)疊加原理點(diǎn)電荷電場(chǎng)的電勢(shì)N個(gè)點(diǎn)電荷電場(chǎng)的電勢(shì)2/3/202328DUT余虹3.1.2雷電的形成與大氣電場(chǎng)電離層一、大氣電場(chǎng)大氣電場(chǎng)二、雷電⊕???⊕⊕??2/3/202329DUT余虹地南極地北極17世紀(jì)以前，人們普遍認(rèn)為：電與磁無關(guān)！1731年英國商人

雷電后，刀叉帶磁性！1751年富蘭克林萊頓瓶放電后，縫衣針磁化了！一、磁力與磁現(xiàn)象3.1.3無處不在的磁N

SSN112/3/202330DUT余虹

1820年4月奧斯忒在哥本哈根大學(xué)講學(xué)電與磁奧斯忒接通電源時(shí)，放在邊上的磁針……II1820年7月21日，以拉丁文報(bào)導(dǎo)了60次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。二、電流產(chǎn)生磁場(chǎng)2/3/202331DUT余虹I畢奧-薩伐爾定律真空磁導(dǎo)率疊加原理I'PP點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度=？（1）一小段電流元的磁感應(yīng)強(qiáng)度（2）整根電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度（3）多根電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度2/3/202332DUT余虹l求：無限長(zhǎng)直線電流的磁場(chǎng)分布。I方向O方向：右手定則P例題2/3/202333DUT余虹求：圓電流軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。xRxI例題2/3/202334DUT余虹IabIdl求：一段圓弧電流在其曲率中心處的磁場(chǎng)。R方向解：

o例題想一想IOI2/3/202335DUT余虹由上題結(jié)果I例題求：半徑為R,電流強(qiáng)度為I的圓電流中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。R解：判斷方向定義磁矩SNSNSNSNNSSNSNNS吸引排斥同向電流相吸引異向電流相排斥2/3/202336DUT余虹

1.在均勻磁場(chǎng)勻速直線運(yùn)動(dòng)磁力提供向心力。周期R勻速率圓周運(yùn)動(dòng)軌跡？三、磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用與速度無關(guān)。返回2洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功2/3/202337DUT余虹

例題利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的軌跡，判斷粒子的狀況。判斷粒子帶電的正負(fù)性若m1=m2，判斷粒子帶電量的大小1

2q1>0，q2<0若q1＝q2，判斷粒子質(zhì)量的大小∵R1<R2，∴q1>q2∵R1<R2，∴m1<m22/3/202338DUT余虹螺旋運(yùn)動(dòng)粒子束發(fā)散角不大、速度相近，v//幾乎相等時(shí)勻速率圓周運(yùn)動(dòng)+勻速直線運(yùn)動(dòng)半徑周期h磁聚焦h螺距2/3/202339DUT余虹（3）地磁場(chǎng)內(nèi)的范艾侖輻射帶2.非均勻磁場(chǎng)（1）磁鏡（2）磁瓶I60000km800km4000km用于高溫等離子磁約束（也是螺旋運(yùn)動(dòng)，R、h都在變化）2/3/202340DUT余虹3.極光2/3/202341DUT余虹（均勻）用質(zhì)譜儀測(cè)帶電粒子的荷質(zhì)比(q/m)x實(shí)驗(yàn)：加速電壓U，均勻磁場(chǎng)B，粒子垂直入射，進(jìn)口到膠片記錄位置間距為x，計(jì)算粒子的q/m值。解：粒子進(jìn)質(zhì)譜儀時(shí)動(dòng)能進(jìn)磁場(chǎng)后做勻速率圓周運(yùn)動(dòng)，RU返回2例題S2/3/202342DUT余虹1.電子的軌道運(yùn)動(dòng)～小電流圈。四、磁鐵的磁性與電流2.分子～分子電流圈。3.非鐵磁質(zhì)分子排列各向同性、雜亂無章，不顯