C2-9-1-電荷和庫侖定律,電場強度.ppt

1、大學(xué)物理,主講：馬小娟 聯(lián)系：,本學(xué)期安排說明,30% （15% + 10% + 5%）,30%,40%,購買作業(yè),時間：本周周五 13：0016：00 地點： X6220室 價格：5元/份,第四篇 電磁學(xué),閃電：每次轟擊從云底到地面?zhèn)魉图s1020個電子,女士觸摸范德格拉夫起電機,極光：美國國家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務(wù)”(2007/12)傳回的燦爛眩目的北極光照片。,彗星：大量塵埃形成了彎曲的尾巴。,電磁學(xué)發(fā)展史,公元前七世紀(jì)，管仲發(fā)現(xiàn)磁石。,上有丹沙者下有黃金, 上有慈石者下有銅金, 上有陵石者下有鉛錫赤銅, 上有赭者下有鐵, 此山之見榮者也。,電磁學(xué)發(fā)展史,公元前6、7世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵

2、、磁石指南以及摩擦生電等現(xiàn)象。,電磁學(xué)發(fā)展史,英國伊麗莎白女王的御醫(yī)、英國皇家科學(xué)院物理學(xué)家。主要在電學(xué)和磁學(xué)方面有很大貢獻(xiàn)。,1600年威廉吉爾伯特出版了論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體 ，這是物理學(xué)史上第一部系統(tǒng)闡述磁學(xué)的科學(xué)專著。,電磁學(xué)發(fā)展史,1746年，荷蘭萊登大學(xué)的物理學(xué)家馬森布洛克發(fā)明了一種具有蓄電功能的“condenser”電容器。,電磁學(xué)發(fā)展史,1747年，富蘭克林提出電荷守恒定律，并規(guī)定了電荷的正,負(fù)。,富蘭克林（17061790）美國科學(xué)家、物理學(xué)家、發(fā)明家、政治家、社會活動家。,電磁學(xué)發(fā)展史,1750年米切爾提出磁極之間的作用力服從平方反比定律，1785年庫侖公布了用

3、扭秤實驗得到電力的平方反比定律，使電學(xué)和磁學(xué)進入了定量研究的階段。,電磁學(xué)發(fā)展史,1800年伏打發(fā)明電堆，使穩(wěn)恒電流的產(chǎn)生有了可能，電學(xué)由靜電走向動電。,電磁學(xué)發(fā)展史,1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。于是，電學(xué)與磁學(xué)彼此隔絕的情況有了突破，開始了電磁學(xué)的新階段。,電磁,電磁學(xué)發(fā)展史,法國科學(xué)家安培重復(fù)了奧斯特的實驗，提出了右手定則，并用電流繞地球內(nèi)部流動解釋地磁的起因。接著他研究了載流導(dǎo)線之間的相互作用，建立了電流元之間的相互作用規(guī)律安培定律。,分子電流,電磁學(xué)發(fā)展史,畢奧-薩伐爾定律給出電流元周圍激發(fā)的磁場規(guī)律。,畢奧,薩伐爾,電磁學(xué)發(fā)展史,1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，進一步證實了電

4、現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性。他堅信電磁的近距作用，認(rèn)為物質(zhì)之間的電力和磁力都需要由媒介傳遞，媒介就是電場和磁場。,磁電,電磁學(xué)發(fā)展史,1865年，麥克斯韋把法拉第的電磁近距作用思想和安培開創(chuàng)的電動力學(xué)規(guī)律結(jié)合在一起，用一套方程組概括電磁規(guī)律，建立了電磁場理論，預(yù)測了光的電磁性質(zhì)。,電磁學(xué)發(fā)展史,1888年，赫茲通過實驗證明電磁波的存在。,本篇特點,2. 場不具有不可入性，所以疊加原理地位重要。,3. 更多地運用高等數(shù)學(xué)手段，如用求空間矢量的通量和環(huán)流的方法來描述場的規(guī)律。,1. 研究對象不再是分離的實物，而是在空間連續(xù)分布的場，用空間函數(shù)（如 等）描述其性質(zhì)。,4. 電相互作用是電磁學(xué)的基礎(chǔ)，也是重

5、點和難點。,第四篇 電磁學(xué),本章要點:,第九章 靜電場,1. 兩條基本實驗定律：庫侖定律，靜場力疊加原理;,3. 兩條基本定理：靜電場高斯定理，環(huán)路定理。,4. 靜電場與物質(zhì)（導(dǎo)體和電介質(zhì)）的相互作用;,2. 兩個基本物理量：電場強度 ，電勢 ;,今日內(nèi)容：,一.電荷和庫倫定律,二.電場和電場強度,第九章 電相互作用和靜電場,第一節(jié) 庫倫定律,一. 電荷,自然界中有兩種電荷：正電荷、負(fù)電荷,密立根（R.A.millikan）用液滴法測定了電子電荷，電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷，1986年的推薦值為： e =1.602 177 3310-19 C,實驗證明微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的，它只能

6、是元電荷 e 的整數(shù)倍 , 即粒子的電荷是量子化的： Q = n e ; （n = 1, 2 , 3,）,第一節(jié) 庫倫定律,自然界中的微觀粒子有幾百種,其中帶電粒子所具有的電荷數(shù)均為 +e 或 -e 的整數(shù)倍。因此電荷量子化是普遍的量子化規(guī)律?，F(xiàn)代實驗結(jié)果證明電荷量子化具有相當(dāng)高的精度。,在近代物理中發(fā)現(xiàn)強子(如質(zhì)子、中子、介子等)是由夸克(quark)構(gòu)成的，夸克所帶電量為 e 的 1/3或 2/3。但是到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)以自由狀態(tài)存在的夸克。電量的最小單元不排除會有新的結(jié)論，但是電量量子化的基本規(guī)律是不會變的。,在相對論中物質(zhì)的質(zhì)量會隨其運動速率而變化，但是實驗證明一切帶電體的電量不因其

7、運動而改變，電荷是相對論性不變量。,二. 庫侖定律,第一節(jié) 庫倫定律,二. 庫侖定律,第一節(jié) 庫倫定律,二. 庫侖定律,寫成矢量式：,第一節(jié) 庫倫定律,單位制有理化：引入真空電容率0（4因子）。,實驗驗證：在目前測量精度范圍內(nèi)，庫侖定律中的平方反比關(guān)系成立,適用范圍:在 10-15m 107m 范圍均成立。,使今后常用的電磁學(xué)規(guī)律表達(dá)式變得簡單。,第一節(jié) 庫倫定律,練習(xí)：盧瑟福在他的 粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)， 粒子具有足夠高的能量，使它能達(dá)到離金原子核21014m的地方。試計算在這一距離時，粒子所受金原子核的斥力的大小。,解：粒子所帶電量為2e，金原子核所帶電量為79e，由庫侖定律可得此斥力為,第

8、一節(jié) 庫倫定律,兩點電荷間相互作用力不因其它電荷的存在而改變。,三.靜電力疊加原理,任一點電荷所受的靜電場力等于空間所有其他點電荷單獨存在時對該電荷作用力的矢量和。,第一節(jié) 庫倫定律,今日內(nèi)容：,第九章 電相互作用和靜電場,二.電場和電場強度,一.電荷和庫倫定律,手推桌子、牛拉車等力都是存在于直接接觸的物體之間，這種作用稱之為近距作用。,電力、磁力、重力等發(fā)生在兩個相隔一定距離的物體之間，無任何物質(zhì)媒介。,這些力如何傳遞？,1. “場”概念的建立和發(fā)展,17世紀(jì)： 英國牛頓：力不需要任何媒介，也不需要時間，就能由一個物體立即作用到相隔一定距離的另一個物體上。,法國笛卡爾：力靠充滿空間的“以太”

9、的渦旋運動和彈性形變傳遞。,超距作用,第二節(jié) 電場強度,18 世紀(jì)：力的超距作用思想風(fēng)行歐洲大陸。,懸浮在帶電體周圍的絕緣油中的針狀晶體微粒,磁鐵周圍的鐵粉,第二節(jié) 電場強度,英國法拉第：探索電磁力傳遞機制,由電極化現(xiàn) 象和磁化現(xiàn)象提出“場”的概念。,19 世紀(jì)： 英國麥克斯韋建立電磁場方程，定量描述場的性質(zhì)和場運動規(guī)律。,20 世紀(jì)： 愛因斯坦：相對論樹立了“場”的實在地位。質(zhì)能關(guān)系揭示出實物與場不能截然劃分。場本身參與能量和動量交換,是物質(zhì)存在的基本形式之一。,光子理論認(rèn)為電磁場由光子組成，帶電粒子通過交換光子實現(xiàn)帶電粒子間能量和動量的傳遞。,第二節(jié) 電場強度,引入電場強度 和電勢 來描述

10、靜電場特性,2. 靜電場：,(1) 場中任何帶電體都受電場力作用 動量傳遞 (2) 帶電體在電場中移動時，場對帶電體做功 能量傳遞,相對于觀察者靜止的帶電體周圍的電場。,特點：電場分布不隨時間變化,對外表現(xiàn)：,第二節(jié) 電場強度,場源電荷：產(chǎn)生電場的電荷,檢驗電荷：電量足夠小的點電荷,一.電場強度,定義,大?。旱扔趩挝粰z驗電荷在該點所受電場力,單位：N/C ; V/m。,方向：與+q0受力方向相同,它與試探電荷無關(guān)，反映電場本身的性質(zhì),第二節(jié) 電場強度,場強疊加原理：點電荷系電場中某點總場強等于各點電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的場強矢量和。,由靜電場力疊加原理,場源電荷的電量分布和空間矢量的函數(shù),研

11、究靜電場也就是研究各種場源電荷的 分布,第二節(jié) 電場強度,二.場強分布,基本方法：已知場源電荷分布,由定義求,由高斯定理求,計算 方法:,由點電荷 公式和 疊加原理求,由 與 的關(guān)系求,用點電荷電場強度公式和場強疊加原理研究帶電體場強分布,第二節(jié) 電場強度,求解步驟 (1)將帶電體劃分為許多電荷元dq； (2)由已知的點電荷或典型帶電體場強公式寫出dq的場強dE并將其分解為分量； (3)對E的每個分量積分 (利用對稱性簡化，統(tǒng)一積分變量和正確確定積分限。)； (4)求出總電場強度E的大小、方向并對結(jié)果進行討論。,第二節(jié) 電場強度,2. 點電荷系,1. 點電荷,3. 連續(xù)帶電體,第二節(jié) 電場強度

12、,例1：求電偶極子的電場強度,電偶極矩：,應(yīng)用于電介質(zhì)極化，電磁波的發(fā)射、接收，中性原子間相互作用。,電偶極子：一對近距等量異號點電荷組成的體系,電偶極子是簡單而重要的理想模型,第二節(jié) 電場強度,第二節(jié) 電場強度,2. 中垂面上B的場強,第二節(jié) 電場強度,例2：求均勻帶電細(xì)棒的電場強度,設(shè)細(xì)棒電荷面密度為，場點P離細(xì)棒距離為a，細(xì)棒兩端與P點的連線與細(xì)棒間的夾角分別為1和2，如圖所示：,解：建立坐標(biāo)系oxy,方向：與x軸夾角為,大?。?OK？,第二節(jié) 電場強度,各電荷元在P點場強方向不同，應(yīng)該用分量積分：,統(tǒng)一變量：,第二節(jié) 電場強度,所以：,第二節(jié) 電場強度,第二節(jié) 電場強度,第二節(jié) 電場強

13、度,無限長均勻帶電細(xì)棒的電場強度,練習(xí)：已知、L、a 求AB所受無限長帶電直線的力,o,無限長帶電直線在x處的場強,dq受力大小,AB受力大小,( 的指向取決于和是同或異號。),第二節(jié) 電場強度,例3：求均勻帶電q的細(xì)圓環(huán)軸線上的電場強度,各電荷元在P點 方向不同，分布于一個圓錐面上，,第二節(jié) 電場強度,由對稱性可知,第二節(jié) 電場強度,1. x = 0,2.,3.,第二節(jié) 電場強度,討論,練習(xí)1：均勻帶正電q半徑為R的細(xì)圓弧，對圓心的張角為0，試求環(huán)心O處的電場強度。,在O點產(chǎn)生的場強為,第二節(jié) 電場強度,在x、y軸上的二個分量,由對稱性,第二節(jié) 電場強度,利用例3得結(jié)果,第二節(jié) 電場強度,結(jié)論：,1) 無限大帶電平面產(chǎn)生與平面垂直的均勻電場,第二節(jié) 電場強度,2) 兩平行無限大帶電平面(+,-)的電場,+,兩平面間 兩平面外側(cè),第二節(jié) 電場強度,兩平行無限大帶電平面(+,-2)的電場,+,第二節(jié) 電場強度,思考1,兩平行無