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1、电磁学第一章静电场第1页，本讲稿共22页电磁学是普通物理系列中最重要的基础课之一，是电电磁学是普通物理系列中最重要的基础课之一，是电工学、电子学、等离子体物理、磁流体力学、光的电工学、电子学、等离子体物理、磁流体力学、光的电磁理论等的基础，是经典物理的重要组成部分，也是磁理论等的基础，是经典物理的重要组成部分，也是近代物理和许多技术学科不可缺少的基础。近代物理和许多技术学科不可缺少的基础。课程介绍课程介绍电磁学课程包括静电场、恒磁场、电磁感应、电磁介质、电磁学课程包括静电场、恒磁场、电磁感应、电磁介质、电路、麦克斯韦电磁场理论、电磁波等内容。电路、麦克斯韦电磁场理论、电磁波等内容。第2页，本讲
2、稿共22页 *电磁现象的基本概念和基本规律电磁现象的基本概念和基本规律 *电荷、电流产生电场、磁场的规律电荷、电流产生电场、磁场的规律 *电场和磁场的相互联系电场和磁场的相互联系 *电磁场对电荷、电流的作用电磁场对电荷、电流的作用 *电磁场对物质的各种效应电磁场对物质的各种效应 电磁学研究对象：电磁学研究对象：第3页，本讲稿共22页1静电的基本现象与基本规律静电的基本现象与基本规律一、两种电荷两种电荷：带电体带电体 物质的微观结构物质的微观结构:自由电荷自由电荷、束缚电荷束缚电荷、载流子载流子带电的过程是电子转移的过程带电的过程是电子转移的过程:摩擦起电、静电感应摩擦起电、静电感应测量电量：验
3、电器测量电量：验电器、静电计静电计第4页，本讲稿共22页二、电荷守恒定律：二、电荷守恒定律：电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，也移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，也就是说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。就是说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。说明：说明：1）是一切宏观过程和一切微观过程都必须遵循的基本规律。）是一切宏观过程和一切微观过程都必须遵循的基本规律。2）适用于所有的惯性系。电荷是一个相对论性不变量。）适用于所有的惯性系。电荷是一个相对
4、论性不变量。第5页，本讲稿共22页三、导体、绝缘体和半导体三、导体、绝缘体和半导体1 1、导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种、导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种物体。物体。2 2、绝缘体：电荷几乎只能停留在产生的地方的那种物体。、绝缘体：电荷几乎只能停留在产生的地方的那种物体。3 3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、光照、杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。光照、杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。四、四、物质的电结构物质的电结构：阅读教材阅读教材P.4P.4第6页，本讲稿共22页一一.
5、库仑定律的建立库仑定律的建立lFranklin 首首先先发发现现金金属属小小杯杯内内的的软软木木小小球球完完全全不不受受杯杯上上电电荷荷的影响的影响;l在在Franklin的建议下，的建议下，Priestel做了实验做了实验 提出问题提出问题库仑定律库仑定律第7页，本讲稿共22页猜测答案猜测答案l现象与万有引力有相同规现象与万有引力有相同规律律l由牛顿力学可知：球壳对由牛顿力学可知：球壳对放置在壳外的物体有引力，放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何位置而放置在球壳内任何位置的物体受力为零。的物体受力为零。l类比：电力与距离平方成类比：电力与距离平方成反比反比第8页，本讲稿共22页设计实验
6、设计实验l1769年年Robison首先用直接测量方法确首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力定电力定律，得到两个同号电荷的斥力 两个异号电荷的引力比平方反比的方次要小些。两个异号电荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究结果直到（研究结果直到1801年发表才为世人所知）年发表才为世人所知）第9页，本讲稿共22页Cavendish实验实验l1772年年Cavendish遵循遵循Priestel的思想设计了实验的思想设计了实验验证验证电力平方反比律电力平方反比律，如果实验测定带电的空腔导体，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律的内表面确实没有电荷，就可
7、以确定电力定律是遵从平方反比律的即是遵从平方反比律的即n他测出不大于他测出不大于 0.02（未发表，（未发表，100年以年以 后后Maxwell整整理他的大量手稿，才将此结果公诸于世。理他的大量手稿，才将此结果公诸于世。第10页，本讲稿共22页1785年年Coulomb测出结果测出结果l精精度度与与十十三三年年前前Cavendish的的实验精度相当实验精度相当库仑是扭称专家库仑是扭称专家;电电斥斥力力扭扭称称实实验验，数数据据只只有有几几个个，且且不不准准确确（由由于于漏漏电电）不是大量精确的实验；不是大量精确的实验；与万有引力类比得与万有引力类比得第11页，本讲稿共22页库仑定律库仑定律的表
8、述的表述 l在真空中，两个静止的点电荷q1和q2之间的相互作用力大小和q1 与q2的乘积成正比，和它们之间的距离r平方成反比；作用力的方向沿着他们的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。第12页，本讲稿共22页k是引进单位制后引入的常数。是引进单位制后引入的常数。讨论讨论第13页，本讲稿共22页l上述公式并非都是大上述公式并非都是大量实验的结果，是在量实验的结果，是在事实基础上理性思维事实基础上理性思维的结果。的结果。l如力的方向：分析点如力的方向：分析点电荷受力：只能沿连电荷受力：只能沿连线，否则空间旋转线，否则空间旋转180就不对称了就不对称了注意第14页，本讲稿共22页成立条件、适用范围、精
9、度成立条件、适用范围、精度 条件：静止条件：静止 真空真空 点电荷点电荷第15页，本讲稿共22页点电荷：点电荷：静止：静止：点电荷相对静止，且相对于观察者也静止点电荷相对静止，且相对于观察者也静止n理想模型（已学过的）理想模型（已学过的）n质点质点n刚体刚体n平衡态（热学）平衡态（热学）点电荷：忽略了带点电荷：忽略了带电体形状、大小以电体形状、大小以及电荷分布情况的及电荷分布情况的电荷。电荷。第16页，本讲稿共22页真空条件真空条件l作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。电荷只受对方作用。l如果真空条件破坏会如何？如果真空条件破坏会如何？
10、不仅只有两不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于于力的独立作用原理力的独立作用原理，两个点电荷之间的，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律力仍遵循库仑定律l因此可以推广到因此可以推广到介质、导体介质、导体 第17页，本讲稿共22页三、说明：三、说明：1、库库仑仑定定律律只只讨讨论论两两个个静静止止（相相对对观观察察者者和和实实验验室室参参考系）的点电荷间的作用力。考系）的点电荷间的作用力。2、库库仑仑定定律律指指出出，两两静静止止电电荷荷间间的的作作用用力力是是有有心心力力，它的大小与两电荷间的距离服从平方反比律。它的大小与两电荷间的距离服从平方反比律
11、。3、补补充充电电力力叠叠加加原原理理，利利用用库库仑仑定定律律原原则则上上可可解解决决静静电电学中所有问题。学中所有问题。第18页，本讲稿共22页理论地位和现代含义理论地位和现代含义l库仑定律是静电学的基础，说明了库仑定律是静电学的基础，说明了 带电体的相互作用问题带电体的相互作用问题 原子结构，分子结构，固体、液体的结构原子结构，分子结构，固体、液体的结构化学作用的微观本质化学作用的微观本质，都与电磁力有关，其中都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力主要部分是库仑力第19页，本讲稿共22页电量单位电量单位 MKSA制制l1库库仑仑：当当导导线线中中通通过过1安安培培稳稳恒恒电电流流时时，一秒
12、钟内通过导线某一给定截面的电量为一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为 1C=1Asl若若F=1N,q1=q2=1C,r=1m 则则 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2 第20页，本讲稿共22页五、五、库仑定律库仑定律l以库仑定律为例说明：以库仑定律为例说明：一个物理定律建立本身就是物理学取得很大进一个物理定律建立本身就是物理学取得很大进展的标志展的标志物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延对于基本定律，我们究竟从那些方面考察？对于基本定律，我们究竟从那些方面考察？第21页，本讲稿共22页物理定律建立的一般过程物理定律建立的一般过程l观察现象；观察现象；l提出问题；提出问题；l猜测答案；猜测答案；l设计实验测量；设计实验测量；l归纳寻找关系、发现规律；归纳寻找关系、发现规律；l形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模型，形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模型，找出新的内容，正确表述）；找出新的内容，正确表述）；l考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义等义等。第22页，本讲稿共22页