第1次 电场电场强度PPT讲稿.ppt

第1次 电场电场强度第1页，共42页，编辑于2022年，星期日本学期学习内容：本学期学习内容：一、电学部分（上册第五章、第六章）一、电学部分（上册第五章、第六章）二、磁学部分（上册第七章、第八章）二、磁学部分（上册第七章、第八章）三、近代物理部分（下册第十四章、第十五章）三、近代物理部分（下册第十四章、第十五章）课程特点：教考分离课程特点：教考分离2022/9/162第2页，共42页，编辑于2022年，星期日二、物理课作业要求：二、物理课作业要求：1、交作业时间：、交作业时间：每周二每周二上课之前交作业，上课之前交作业，迟交者视为补交！迟交者视为补交！2、选择题和填空题必须、选择题和填空题必须简要写出依据和原因简要写出依据和原因；计算题计算题要有解题步骤要有解题步骤。3、作业纸上写明、作业纸上写明班级、姓名和学号。班级、姓名和学号。课程要求：课程要求：一、大学物理课程学生成绩评价标准一、大学物理课程学生成绩评价标准2022/9/163第3页，共42页，编辑于2022年，星期日如何学好物理学如何学好物理学2）注意尽快适应电子教案的教学方式；注意尽快适应电子教案的教学方式；学会有重点地记好笔记学会有重点地记好笔记!4）学会物理学中科学分析方法。）学会物理学中科学分析方法。1）弄清概念，不怕难；（弄清概念，不怕难；（数学基础！数学基础！）3）养成一丝不苟的作风；）养成一丝不苟的作风；（先从笔记、作业入手）（先从笔记、作业入手）2022/9/164第4页，共42页，编辑于2022年，星期日第5页，共42页，编辑于2022年，星期日静电场静电场(electrostaticfield)：相对于观察者静止的电荷所：相对于观察者静止的电荷所产生的电场。产生的电场。基本内容：基本内容：1）描述静电场的两个基本量：）描述静电场的两个基本量：电场强度，电势电场强度，电势2）描述静电场性质的两个基本定理：）描述静电场性质的两个基本定理：高斯定理，高斯定理，环路定理环路定理3)一个基本的定律：一个基本的定律：库仑定律库仑定律2022/9/166第6页，共42页，编辑于2022年，星期日5-1电荷的量子化电荷的量子化电荷守恒定律电荷守恒定律一、电荷及其性质一、电荷及其性质1、电荷、电荷(electriccharge)1747年富兰克林发现了电。物体所带的电荷有两种，分别称年富兰克林发现了电。物体所带的电荷有两种，分别称为正电荷为正电荷(positive charge)、负电荷、负电荷(negative charge)。同同号电荷相斥号电荷相斥(repel)，异号电荷相吸，异号电荷相吸(attract)。电荷可以由。电荷可以由摩擦起电、静电感应摩擦起电、静电感应(electrostatic induction)产生。产生。电量电量q：物体带电多少的量度。单位：物体带电多少的量度。单位：Coulomb历史上约定：用丝绸摩擦的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦的历史上约定：用丝绸摩擦的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦的塑料棒带负电。塑料棒带负电。2022/9/167第7页，共42页，编辑于2022年，星期日2、电荷的量子化、电荷的量子化(charge quantization)19061917年，密立根（年，密立根（R.A.millikan)用液滴法用液滴法测定了电子电荷，证明：微小粒子带电量的变化是不连续测定了电子电荷，证明：微小粒子带电量的变化是不连续的，它只能是基元电荷的，它只能是基元电荷(elementary charge)e 的整数倍的整数倍(integral multiple)，即粒子的电荷是，即粒子的电荷是量子化量子化的。的。迄今所知，电子是自然界中存在的最小负电荷，迄今所知，电子是自然界中存在的最小负电荷，质子是最小的正电荷。它们的带电量都是基本电荷质子是最小的正电荷。它们的带电量都是基本电荷e。1986年的推荐值为：年的推荐值为：e=e=1.6021.60217733101773310-19-19库仑库仑(C(C)q=ne，n=1,2,3,电荷量子化是个实验规律。电荷量子化是个实验规律。2022/9/168第8页，共42页，编辑于2022年，星期日1)电荷电荷e是不是最基本的呢？是不是最基本的呢？在强子结构的夸克模型在强子结构的夸克模型(1964年）中，夸克带分数电荷，年）中，夸克带分数电荷，相应的相应的“反夸克反夸克”带等量反号的电荷。上带等量反号的电荷。上(up)夸克的带电量夸克的带电量为为2e/3；下；下(down)夸克的带电量为夸克的带电量为-e/3；奇异；奇异(strange)夸克夸克的带电量为的带电量为-e/3。在这一模型中，夸克是受到在这一模型中，夸克是受到“禁闭禁闭”的。迄今为止，尚未在实的。迄今为止，尚未在实验中找到自由状态的夸克。验中找到自由状态的夸克。目前，分数电荷仍是一个悬而未决的命题。不过即使分目前，分数电荷仍是一个悬而未决的命题。不过即使分数电荷存在，仍然不会改变电荷量子化的结论，只不过新的数电荷存在，仍然不会改变电荷量子化的结论，只不过新的基本电荷是原来的基本电荷是原来的1/3而已。而已。2)由于由于e的数值比宏观上所观测到的一切微小电荷要小很多，所以的数值比宏观上所观测到的一切微小电荷要小很多，所以对宏观带电体常忽略这种量子性，认为电荷是连续分布的。对宏观带电体常忽略这种量子性，认为电荷是连续分布的。2022/9/169第9页，共42页，编辑于2022年，星期日罗伯特罗伯特安德勒斯安德勒斯密立密立根简根简介介（RobertAndrewsMillikan）1868-1953密立根教授是美国杰出的实验物理学家和教育家，他把毕生精密立根教授是美国杰出的实验物理学家和教育家，他把毕生精力用于科学研究和教育事业，他是电子电荷的力用于科学研究和教育事业，他是电子电荷的最先最先测定者。测定者。密立根从密立根从1907年开始进行测量电子电荷的实验。年开始进行测量电子电荷的实验。1909年至年至1917年年他对带电油滴在相反的重力场和静电场中的运动进行了详细的研他对带电油滴在相反的重力场和静电场中的运动进行了详细的研究。究。1913年发表的电子电荷测量结果年发表的电子电荷测量结果e=4.770*10-10静电单位电荷。静电单位电荷。这一著名的油滴实验曾轰动整个科学界，使密立根名扬四海。这一著名的油滴实验曾轰动整个科学界，使密立根名扬四海。1916年密立根又解决了年密立根又解决了光电效应光电效应的精确测量问题，的精确测量问题，第一次第一次由光由光电效应实验测量了普朗克常数电效应实验测量了普朗克常数h。密立根教授由于测量电荷和研究光电效应的杰出成就密立根教授由于测量电荷和研究光电效应的杰出成就,获得获得1923年度诺贝尔物理学奖金。年度诺贝尔物理学奖金。10第10页，共42页，编辑于2022年，星期日3、电荷守恒定律（、电荷守恒定律（lawofconservationofcharge)表述：表述：在一个与外界没有电荷交换的系统内，正负电荷的在一个与外界没有电荷交换的系统内，正负电荷的代数和在任何物理过程中保持不变。代数和在任何物理过程中保持不变。（电荷既不能被创造，也不能消灭，只能从一个物体（电荷既不能被创造，也不能消灭，只能从一个物体转移到另一个物体上，或从物体的一部分转移到另一转移到另一个物体上，或从物体的一部分转移到另一部分）部分）地位：地位：电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程(例如核例如核反应和基本粒子过程反应和基本粒子过程)，是物理学中普遍的基本定，是物理学中普遍的基本定律之一。律之一。4、电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性(invariability)：在不同的参考系内观测，同一个带电粒子的电量不变。在不同的参考系内观测，同一个带电粒子的电量不变。2022/9/1611第11页，共42页，编辑于2022年，星期日5-2库仑定律与静电力的叠加原理库仑定律与静电力的叠加原理1、点电荷、点电荷(point charge)：形状和大小可忽略的带电体（理：形状和大小可忽略的带电体（理想模型）想模型）当带电体的形状和大小与它们之间的距离相比当带电体的形状和大小与它们之间的距离相比充分充分小小而允许忽略时，可以将带电体看作点电荷。而允许忽略时，可以将带电体看作点电荷。表述：表述：在在真空真空中两个中两个静止静止点电荷之间的作用力与它们的电荷点电荷之间的作用力与它们的电荷（电量）的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比（电量）的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。作用力的方向沿着这两个点电荷的连线。作用力的方向沿着这两个点电荷的连线。2、库仑定律库仑定律(Coulombslaw)（1785年）年）2022/9/1612第12页，共42页，编辑于2022年，星期日其中其中是国际单位制中的比例系数是国际单位制中的比例系数k8.987551019N.m2.C-2(为真空电容率或真空介电常量为真空电容率或真空介电常量)为单位矢量，为单位矢量，2022/9/1613第13页，共42页，编辑于2022年，星期日库仑库仑(Charles-AugustindeCoulomb)库仑库仑(Charles-AugustindeCoulomb,17361806年年)法国工程师、物理学家。法国工程师、物理学家。1736年年6月月14日生于日生于法国昂古莱姆。他在美西也尔工程学校读书。离法国昂古莱姆。他在美西也尔工程学校读书。离开学校后，进入皇家军事工程队当工程师。他在开学校后，进入皇家军事工程队当工程师。他在西印狄兹工作了西印狄兹工作了9年，因病而回到法国。年，因病而回到法国。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到布卢瓦法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治时期，他回到巴致力于科学研究。法皇执政统治时期，他回到巴黎，成为新建的研究院成员。黎，成为新建的研究院成员。1773年发表有关材料强度的论文，年发表有关材料强度的论文，1777年库仑年库仑开始研究静电和磁力问题。开始研究静电和磁力问题。1779年他分析摩擦年他分析摩擦力，还提出有关润滑剂的科学理论。他还设计力，还提出有关润滑剂的科学理论。他还设计出水下作业法，类似现代的沉箱。出水下作业法，类似现代的沉箱。17851789年，库仑用扭秤测量静电力和磁力，导出有名年，库仑用扭秤测量静电力和磁力，导出有名的库仑定律。的库仑定律。1806年年8月月23日库仑在巴黎逝世。日库仑在巴黎逝世。14第14页，共42页，编辑于2022年，星期日1）库仑定律是直接从实验总结出来的规律，适应于）库仑定律是直接从实验总结出来的规律，适应于点点电电荷荷，是静电场理论的基础。，是静电场理论的基础。2）库仑定律与牛顿万有引力定律类似，也不是超距）库仑定律与牛顿万有引力定律类似，也不是超距(action-at-a-distance)作用。按照现代物理学的观点，作用。按照现代物理学的观点，相互作用是由相互作用是由场场以有限速度传播的。以有限速度传播的。3 3）适用的空间范围为：）适用的空间范围为：，这分别被，这分别被高能电子散射实验和人造地球卫星研究地球磁场时所高能电子散射实验和人造地球卫星研究地球磁场时所证实。证实。2022/9/1615第15页，共42页，编辑于2022年，星期日5）库仑定律和万有引力定律都是平方反比规律，从数量级上）库仑定律和万有引力定律都是平方反比规律，从数量级上比较，引力要弱得多，在氢原子内，电子和质子之间的静电力比较，引力要弱得多，在氢原子内，电子和质子之间的静电力与万有引力的比值为与万有引力的比值为2.271039。4）在无限大均匀电介质（绝缘体）中，点电荷之间的）在无限大均匀电介质（绝缘体）中，点电荷之间的静电力静电力:（比真空中的库仑力小）（比真空中的库仑力小）2022/9/1616第16页，共42页，编辑于2022年，星期日5-3电场强度电场强度（重点重点）一、电场一、电场(electricfield)1.电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围存在有电场，引入该电场的任何带电体，都受到电场的作用存在有电场，引入该电场的任何带电体，都受到电场的作用力，这就是近距作用。力，这就是近距作用。电荷电荷1电场电场1电场电场2电荷电荷2激发激发作用作用作用作用激发激发场是一种特殊形态的物质场是一种特殊形态的物质实物实物物物质质场场电荷电荷1电荷电荷2作用作用作用作用所谓超距作用：所谓超距作用：2022/9/1617第17页，共42页，编辑于2022年，星期日2.场的场的物质性物质性体现在：体现在：a.给电场中的带电体施以力的作用。给电场中的带电体施以力的作用。b.当带电体在电场中移动时，电场力作功。表明电场当带电体在电场中移动时，电场力作功。表明电场具具能量能量。c.变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有动量动量。2022/9/1618第18页，共42页，编辑于2022年，星期日二、电场强度二、电场强度(electric field intensity)试验电荷试验电荷(test charge)：带电量：带电量足够小足够小的的点电荷点电荷场源场源电荷电荷试验试验电荷电荷 电场中某点处的电场中某点处的电场强度电场强度 定义为位于该点处的定义为位于该点处的单位单位正正试验电荷所受的力试验电荷所受的力。单位单位 ：电荷电荷 在电场中受力：在电场中受力：与试验电荷无关与试验电荷无关 均匀电场：电场强度处处相同的电场均匀电场：电场强度处处相同的电场19第19页，共42页，编辑于2022年，星期日三三 点电荷的电场强度点电荷的电场强度球对称性和非均匀性球对称性和非均匀性2022/9/1620第20页，共42页，编辑于2022年，星期日四四 电场强度的叠加原理电场强度的叠加原理由力的叠加原理，由力的叠加原理，所受合力所受合力 点电荷点电荷 对对 的作用力的作用力 故故 处总电场强度处总电场强度 电场强度的叠加原理电场强度的叠加原理2022/9/1621第21页，共42页，编辑于2022年，星期日电荷连续分布情况电荷连续分布情况电荷电荷体体密度密度点点处电场强度处电场强度2022/9/1622第22页，共42页，编辑于2022年，星期日电荷电荷面面密度密度电荷电荷线线密度密度2022/9/1623第23页，共42页，编辑于2022年，星期日体电荷分布的带电体的场强体电荷分布的带电体的场强面电荷分布的带电体的场强面电荷分布的带电体的场强线电荷分布的带电体的场强线电荷分布的带电体的场强因为矢量不能直接积分，须先求出场强分量，因为矢量不能直接积分，须先求出场强分量，对分量积对分量积分后再迭加（分后再迭加（关键点关键点）。）。注意注意2022/9/1624第24页，共42页，编辑于2022年，星期日1.由由能否说能否说与与成正比，与成正比，与成反比？成反比？讨论讨论2.一总电量为一总电量为Q0的金属球，在它附近的金属球，在它附近P点产生的场强点产生的场强为为。将一点电荷。将一点电荷q0引入引入P点，测得点，测得q实际受力大小实际受力大小与与q之比为之比为(，=)P点电场强度的大小点电场强度的大小 q 2022/9/1625第25页，共42页，编辑于2022年，星期日由对称性有由对称性有解解 例例1 1 正电荷正电荷 均匀分布在半径为均匀分布在半径为 的圆环上。的圆环上。计算在计算在环的轴线上环的轴线上任一点任一点 的电场强度。的电场强度。2022/9/1626第26页，共42页，编辑于2022年，星期日2022/9/1627第27页，共42页，编辑于2022年，星期日讨讨论论（1 1）（点电荷电场强度）（点电荷电场强度）（2 2）（3 3）2022/9/1628第28页，共42页，编辑于2022年，星期日2022/9/1629解：取电荷元解：取电荷元dq,则则由对称性由对称性拓展：拓展：求均匀带电细圆弧圆心处的场强，已知求均匀带电细圆弧圆心处的场强，已知 ,R第29页，共42页，编辑于2022年，星期日例例2 2 均匀带电薄圆盘轴线上的电场强度。均匀带电薄圆盘轴线上的电场强度。有一半径为有一半径为 ,电荷均匀分布的薄圆盘电荷均匀分布的薄圆盘,其电荷面其电荷面密度为密度为 。求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点处的电场强度。点处的电场强度。解解由例由例2022/9/1630第30页，共42页，编辑于2022年，星期日2022/9/1631第31页，共42页，编辑于2022年，星期日（点电荷电场强度）（点电荷电场强度）讨讨论论无限大均匀带电无限大均匀带电平面的电场强度平面的电场强度2022/9/1632第32页，共42页，编辑于2022年，星期日电电偶极偶极矩矩（电矩）（电矩）五五电偶极子的电场强度电偶极子的电场强度电偶极子的轴电偶极子的轴2022/9/1633第33页，共42页，编辑于2022年，星期日（1）轴线延长线上一点的电场强度轴线延长线上一点的电场强度讨讨论论.+2022/9/1634第34页，共42页，编辑于2022年，星期日.+2022/9/1635第35页，共42页，编辑于2022年，星期日（2 2）电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度2022/9/1636第36页，共42页，编辑于2022年，星期日2022/9/1637第37页，共42页，编辑于2022年，星期日例（例（教材没有教材没有）、设真空中，有一均匀带电直线，长）、设真空中，有一均匀带电直线，长为为L，总电量为，总电量为Q，线外有一点，线外有一点p离开直线的垂直距离离开直线的垂直距离为为b，p点和直线两端的连线之间的夹角分别为点和直线两端的连线之间的夹角分别为，如图，求，如图，求p点的场强。点的场强。2022/9/1638第38页，共42页，编辑于2022年，星期日解：解：以以p点为原点，取坐标轴点为原点，取坐标轴ox、oy，在带电直线上，在带电直线上离离oy轴为轴为l处取电荷元处取电荷元dl，带电量为，带电量为dq，设直线的线，设直线的线密度为，密度为，dq=则则dq在在p点产生的场强的大小为：点产生的场强的大小为：与与x轴的夹角为轴的夹角为，由图显然可得：由图显然可得：2022/9/1639第39页，共42页，编辑于2022年，星期日由于由于可得可得积分得积分得40第40页，共42页，编辑于2022年，星期日2、若为半无限长直线：、若为半无限长直线：1、若为无限长直线：若为无限长直线：即即，则：，则：讨讨论论即即，则：，则：第41页，共42页，编辑于2022年，星期日本次作业（习题集）：6-3，6-4（与课上所讲不同），6-7，6-12（好好思考），6-13，6-15(课上例题)，6-22，6-24，6-272022/9/1642第42页，共42页，编辑于2022年，星期日