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1、第8章 静电场1第1页，共34页，编辑于2022年，星期一关于期末考试o成绩：考试80%，作业15%，检索5%o考试内容：静电场约占25%，磁场约占20%电磁感应约占10%光学约占25%，近代约占20%o课时：电磁学 26，光学 14，近代 8o论文第2页，共34页，编辑于2022年，星期一Electromagnetism 研究研究电磁现象电磁现象及其规律及其规律的学科。的学科。电磁学电磁学公元前约公元前约585年，希腊哲学家年，希腊哲学家 泰勒斯泰勒斯 观察到琥珀观察到琥珀经过磨擦可以吸引轻小物体。经过磨擦可以吸引轻小物体。东汉东汉 王充王充论衡：论衡：顿牟掇芥，磁石引针顿牟掇芥，磁石引针。
2、1785年，年，库仑库仑 定律。定律。1819年，年，奥斯特奥斯特 实验。实验。1820年，年，安培安培 实验。实验。1831年，年，法拉第法拉第 电磁感应定律。电磁感应定律。1865年，年，麦克斯韦麦克斯韦 经典电磁理论。经典电磁理论。第3页，共34页，编辑于2022年，星期一n 电磁相互作用电磁相互作用是自然界已知的四种基本相互是自然界已知的四种基本相互作用之一作用之一万有引力万有引力电磁相互作用电磁相互作用强相互作用强相互作用弱相互作用弱相互作用电磁学电磁学-历史上：科技发展的支柱历史上：科技发展的支柱 21世纪：高技术发展的基石！世纪：高技术发展的基石！第4页，共34页，编辑于2022
3、年，星期一大学物理电磁学的主要内容：大学物理电磁学的主要内容：1）由静电荷在真空中产生的静电场；）由静电荷在真空中产生的静电场；2）由运动电荷在真空中产生的静磁场；）由运动电荷在真空中产生的静磁场；3）物质在静电场和静磁场中的行为；）物质在静电场和静磁场中的行为；4）电磁场的应用。）电磁场的应用。第5页，共34页，编辑于2022年，星期一 两个定理：高斯定理、环流定理。两个定理：高斯定理、环流定理。本章研究本章研究真空中真空中静止电荷产生的电场静止电荷产生的电场 静电场静电场-相对于相对于观察者观察者静止的电荷产生的电场。静止的电荷产生的电场。两个物理量：电场强度、电势。两个物理量：电场强度、
4、电势。一个定律：库仑定律。一个定律：库仑定律。第第8章章 静电场静电场Static Electric Field第6页，共34页，编辑于2022年，星期一q 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 第第8章章 静电场静电场Static Electric Field8.1.1 电荷电荷 电荷守恒定律电荷守恒定律5x10-15m2x10-10mq 电电荷荷是是实实物物粒粒子子的的一一种种属属性性，它它描描述述了了实实物物粒粒子子的的电性质。电性质。第7页，共34页，编辑于2022年，星期一物体具有吸引轻小物体的性质物体具有吸引轻小物体的性质以后，便称为
5、以后，便称为“物体带电物体带电”或或“物物体处于带电状态体处于带电状态”。+物体带电的物体带电的本质是两种物体间本质是两种物体间发生了电子的转移。发生了电子的转移。物体带电物体带电q 电学基本概念和规律电学基本概念和规律第8页，共34页，编辑于2022年，星期一q当当一一种种电电荷荷出出现现时时，必必然然有有相相等等量量值值的的异异号号电电荷荷同同时时出出现现；一一种种电电荷荷消消失失时时，必必然然有有相相等等量量值值的的异异号号电电荷荷同时消失。同时消失。电荷守恒定律（电量守恒定律）电荷守恒定律（电量守恒定律）在在孤孤立立系系统统中中，不不管管其其中中的的电电荷荷如如何何迁迁移移，系系统统的
6、的电电荷荷的的代代数数和和保保持持不不变变，这就是这就是电荷守恒定律电荷守恒定律。表述：表述：电荷守恒定律适用于一切宏观和微观领域电荷守恒定律适用于一切宏观和微观领域，是自然界中普遍的基本定律之一，是自然界中普遍的基本定律之一。q 电学基本概念和规律电学基本概念和规律第9页，共34页，编辑于2022年，星期一比荷（荷质比）比荷（荷质比）1897 年年 J.J.汤姆孙汤姆孙 1906190619171917年，密立根（年，密立根（R.A.millikan)R.A.millikan)用液滴用液滴法测定了电子电荷法测定了电子电荷，证明带电体的电荷是电子电荷的证明带电体的电荷是电子电荷的整数倍。整数倍
7、。电荷的量子化电荷的量子化元电荷元电荷目前测量到的最小电荷单元目前测量到的最小电荷单元电子的电荷绝对值电子的电荷绝对值 e q=ne,n=1,2,3,电荷的这种只能取分立的、不连续电荷的这种只能取分立的、不连续量值的性质，称为电荷的量子化。量值的性质，称为电荷的量子化。q 电学基本概念和规律电学基本概念和规律第10页，共34页，编辑于2022年，星期一电子是自然界中存在的最小负电荷，质子是最小的正电子是自然界中存在的最小负电荷，质子是最小的正电荷？电荷？1986年的推荐值：年的推荐值：e e=1.6021773310=1.6021773310-19-19库仑库仑(C)(C)库仑是电量的国际单位
8、。库仑是电量的国际单位。夸克模型夸克模型-1964年盖尔曼年盖尔曼etc.提出，强子是由物质结构提出，强子是由物质结构 的基本单元的基本单元-夸克夸克Quark组成的组成的 近代物理在此理论上预言：强子是由若干种夸克或反夸克组成，其电量(1/3)e或(2/3)e。至今尚未在实验中发现单独存在的夸克q 电学基本概念和规律电学基本概念和规律第11页，共34页，编辑于2022年，星期一 点电荷的概念具有点电荷的概念具有相对性；是一种相对性；是一种理想化理想化模型模型。点电荷点电荷忽略大小，视电荷集中于一点的带电体忽略大小，视电荷集中于一点的带电体+Qdr场点场点P点电荷系点电荷系 不能看成点电荷的带
9、电体可看成无穷多不能看成点电荷的带电体可看成无穷多个点电荷的集合，称为点电荷系。个点电荷的集合，称为点电荷系。+dq场点场点q 电学基本概念和规律电学基本概念和规律点电荷点电荷第12页，共34页，编辑于2022年，星期一C.A.Coulomb(17361806 法国法国)真空真空中，两个中，两个静止静止点点电荷电荷之间作用力的大小与之间作用力的大小与它们电荷的乘积成它们电荷的乘积成正比正比，与它们之间的距离的平方与它们之间的距离的平方成成反比反比；作用力的方向沿；作用力的方向沿着两个点电荷的连线。着两个点电荷的连线。（1785年）年）扭秤实验扭秤实验8.1.2 库仑定律库仑定律第13页，共34
10、页，编辑于2022年，星期一 真空中，两个静止真空中，两个静止点电荷点电荷之间作用力的大小之间作用力的大小与它们电荷的乘积成与它们电荷的乘积成正比正比，与它们之间的距离的平方与它们之间的距离的平方成成反比反比；作用力的方向沿；作用力的方向沿着两个点电荷的连线。着两个点电荷的连线。8.1.2 库仑定律库仑定律+第14页，共34页，编辑于2022年，星期一 真空中，两个静止真空中，两个静止点电荷点电荷之间作用力的大小之间作用力的大小与它们电荷的乘积成与它们电荷的乘积成正比正比，与它们之间的距离的平方与它们之间的距离的平方成成反比反比；作用力的方向沿；作用力的方向沿着两个点电荷的连线。着两个点电荷的
11、连线。8.1.2 库仑定律库仑定律+令令第15页，共34页，编辑于2022年，星期一 真空中，两个静止真空中，两个静止点点电荷电荷之间作用力的大小与之间作用力的大小与它们电荷的乘积成它们电荷的乘积成正比正比，与它们之间的距离的平方与它们之间的距离的平方成成反比反比；作用力的方向；作用力的方向沿着两个点电荷的连线。沿着两个点电荷的连线。8.1.2 库仑定律库仑定律+真空电容率真空电容率第16页，共34页，编辑于2022年，星期一例例1 两个两个相距为相距为r r的点电荷所带电荷之和为的点电荷所带电荷之和为Q,问问它们各带电荷为多少时它们各带电荷为多少时,相互间的作用力最大相互间的作用力最大?解解
12、:设两电荷分别带电设两电荷分别带电q 和和Q-q第17页，共34页，编辑于2022年，星期一n离散状态离散状态其中其中n连续分布连续分布其中其中r静电力（库仑力）的叠加原理静电力（库仑力）的叠加原理dq第18页，共34页，编辑于2022年，星期一已知两杆电荷线密度为已知两杆电荷线密度为，长度为，长度为L，相距，相距L 解解:例例2两带电直杆间的电场力两带电直杆间的电场力?求求L3L2LxO第19页，共34页，编辑于2022年，星期一 解：由于电子与质子之间距离约为它们自身直径的解：由于电子与质子之间距离约为它们自身直径的10105 5倍，因而可将电子、质子看成点电荷。倍，因而可将电子、质子看成
13、点电荷。例例3 3、在氢原子中，电子与质子的距离为、在氢原子中，电子与质子的距离为5.3105.310-11-11米，米，试求静电引力及万有引力，并比较这两个力的数量关试求静电引力及万有引力，并比较这两个力的数量关系。系。第20页，共34页，编辑于2022年，星期一n所以库仑力与万有引力数值之比为所以库仑力与万有引力数值之比为 考虑带电粒子间的相互作用力时考虑带电粒子间的相互作用力时,可可忽略万有引力忽略万有引力。n电子与质子之间的万有引力为电子与质子之间的万有引力为数量为数量为n电子与质子之间静电力（库仑力）为吸引力电子与质子之间静电力（库仑力）为吸引力(N)(N)第21页，共34页，编辑于
14、2022年，星期一一、静电场一、静电场电场电场“超距作用超距作用”观点观点（库仑等）（库仑等）作作 用用“近距作用近距作用”观点观点（法拉第）（法拉第）产生产生作用作用作用作用产生产生电荷电荷电荷电荷电荷电荷电荷电荷8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第22页，共34页，编辑于2022年，星期一一、静电场一、静电场电场电场“超距作用超距作用”观点观点（库仑等）（库仑等）作作 用用“近距作用近距作用”观点观点（法拉第）（法拉第）产生产生作用作用作用作用产生产生电荷电荷电荷电荷电荷电荷电荷电荷 近代物理学理论和实验证实：近代物理学理论和实验证实：场是一种特殊形态的物质。场是一种特殊形态的
15、物质。电场与实物粒子的区别是电场具有电场与实物粒子的区别是电场具有可入性可入性和和叠加叠加性性。静电场静电场 静止的电荷在其周围所产生静止的电荷在其周围所产生的电场。的电场。8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第23页，共34页，编辑于2022年，星期一二、电场强度二、电场强度+Qq0+电场电场要要 求求 A、几何尺寸足够小、几何尺寸足够小-点电荷；点电荷；B、电量、电量q0足够小，不影响所足够小，不影响所研究的电场。研究的电场。场源电荷场源电荷试验电荷试验电荷定义：定义：电场中某点的电场中某点的电场强度电场强度（简称（简称场场强强）为一个矢量，其大小等于单位正电）为一个矢量，其大小
16、等于单位正电荷在该点所受电场力的大小，方向为试荷在该点所受电场力的大小，方向为试验正电荷在该点所受力的方向。验正电荷在该点所受力的方向。电场力电场力场强场强8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第24页，共34页，编辑于2022年，星期一二、二、电场强度电场强度定义：定义：电场中某点的电场中某点的电场强度电场强度（简称（简称场强场强）为一个矢量，其大小等于单）为一个矢量，其大小等于单位正电荷在该点所受电场力的大小，位正电荷在该点所受电场力的大小，方向为试验正电荷在该点所受力的方向为试验正电荷在该点所受力的方向。方向。说明：说明：1）电场强度与试验电荷的电量无关。）电场强度与试验电荷的电
17、量无关。2）如果知道空间中的电场分布，可求电荷）如果知道空间中的电场分布，可求电荷 q 在任意位置的电场力。在任意位置的电场力。8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第25页，共34页，编辑于2022年，星期一+三、点电荷的三、点电荷的电场强度电场强度8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第26页，共34页，编辑于2022年，星期一+q0,q0,q0,沿沿a.a.大小：大小：具有球对称，具有球对称，三、点电荷的三、点电荷的电场强度电场强度8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第27页，共34页，编辑于2022年，星期一1.1.由由 ，是否能说，是否能说 与与 成正比，与
18、成正比，与q0成反比？成反比？讨讨 论论2.一总电量为一总电量为Q 0 的金属球，在它附近的金属球，在它附近P 点产生的场强为点产生的场强为 将一点电荷将一点电荷q 0 引入引入P点，测得点，测得q 实际受力实际受力 与与q 之比是大之比是大于、小于、还是等于于、小于、还是等于P点的点的？第28页，共34页，编辑于2022年，星期一四、电场强度叠加原理四、电场强度叠加原理+8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第29页，共34页，编辑于2022年，星期一四、电场强度叠加原理四、电场强度叠加原理+n 个电荷（或带电体）产生的电个电荷（或带电体）产生的电场中，某点的场强等于每个电荷（或带电
19、体）单场中，某点的场强等于每个电荷（或带电体）单独存在时在该点所产生的电场强度的矢量和。独存在时在该点所产生的电场强度的矢量和。8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第30页，共34页，编辑于2022年，星期一+-电荷连续分布的带电体的场强电荷连续分布的带电体的场强dq+Pxyz四、电场强度叠加原理四、电场强度叠加原理8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第31页，共34页，编辑于2022年，星期一+:线电荷密度线电荷密度+:面电荷密度面电荷密度:体电荷密度体电荷密度V+-电荷连续分布的带电体的场强电荷连续分布的带电体的场强四、电场强度叠加原理四、电场强度叠加原理8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第32页，共34页，编辑于2022年，星期一场源为任意带电体时的场强分布场源为任意带电体时的场强分布电荷元电荷元dqdq在在P P处的场强处的场强所有电荷在所有电荷在P P点产生的场强为点产生的场强为 1.1.实际应用时，应写成实际应用时，应写成 的分量形式，进行的分量形式，进行标量积分标量积分总场强总场强注意：注意：8.1.3 电场电场 强度叠加原理强度叠加原理第33页，共34页，编辑于2022年，星期一作业格式oA4的纸o每周周三交作业o格式：班级：班级：学号：学号：姓名：姓名：（1 1）第34页，共34页，编辑于2022年，星期一