电磁学(—)静电的基本现象和规律精.ppt

电磁学()静电的基本现象和规律第1页，本讲稿共31页规划今后三年的大学生活，三方面的储备！规划今后三年的大学生活，三方面的储备！n1.知识的储备（专业知识、基础知识和课知识的储备（专业知识、基础知识和课外知识）外知识）n2.能力的储备（学习的能力、思维的能力能力的储备（学习的能力、思维的能力及与人相处的能力）及与人相处的能力）n3.人脉的储备人脉的储备(青春是宝贵的，努力学会生青春是宝贵的，努力学会生存的本领是最重要的存的本领是最重要的)第2页，本讲稿共31页n教材：n新概念物理学电磁学n 赵凯华、陈熙谋第3页，本讲稿共31页主要参考书主要参考书电磁学上下册，赵凯华 陈熙谋，高等教育出版社，1985年6月第二版 电磁学第二版 贾起民 郑永令 陈暨耀编 高等教育出版社 2001年 电磁学 梁灿彬 秦光戒 梁竹健编 人民教育出版社 1981年 电磁学及其应用第5版，Kraus Fleisch 清华大学出版社，2001年 第4页，本讲稿共31页 电磁相互作用是物质世界中最普遍的相互作用之一。这种相电磁相互作用是物质世界中最普遍的相互作用之一。这种相互作用既存在于宏观物体之间，也存在于分子和原子内。由于互作用既存在于宏观物体之间，也存在于分子和原子内。由于电磁现象是自然界存在着的一种极为普遍的现象，电磁力又是电磁现象是自然界存在着的一种极为普遍的现象，电磁力又是比万有引力强比万有引力强1039倍的长程力，所以研究物质间电磁相互作倍的长程力，所以研究物质间电磁相互作用、电磁场产生、变化和运动的规律的电磁学已成为物理学用、电磁场产生、变化和运动的规律的电磁学已成为物理学的一门十分重要的分支学科。的一门十分重要的分支学科。第5页，本讲稿共31页 在大学本科阶段电磁学课程是物理专业和其它电类专业的在大学本科阶段电磁学课程是物理专业和其它电类专业的一门十分重要的基础理论课程。电磁学的知识和应用范围非一门十分重要的基础理论课程。电磁学的知识和应用范围非常广泛，人们对物质结构的认识，对物质的弹性、导热性、常广泛，人们对物质结构的认识，对物质的弹性、导热性、导电性，以及摩擦生热、光的本质等等的研究，都是以电磁导电性，以及摩擦生热、光的本质等等的研究，都是以电磁相互作用为基础。生产、生活、工程技术方面，由于电能容相互作用为基础。生产、生活、工程技术方面，由于电能容易获得又易于转换和使用，便于传输又有极高的效率，因此易获得又易于转换和使用，便于传输又有极高的效率，因此被广泛应用在动力、通讯、测量以及电工学、电化学、无线被广泛应用在动力、通讯、测量以及电工学、电化学、无线电学、自动控制学、遥感遥测学、电视学等理工科各个领域。电学、自动控制学、遥感遥测学、电视学等理工科各个领域。它涉及较多的后续课程。如电工学、电动力学、电子技术和它涉及较多的后续课程。如电工学、电动力学、电子技术和光学等。光学等。认 真 学 好 电 磁 学！第6页，本讲稿共31页教学基本要求教学基本要求n每周4学时，72学时n认真听课，完成作业，出勤，平时考核（40%）n期末成绩 60%第7页，本讲稿共31页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、光的电磁理论等的基础，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，也是近代物理和许多技术学科不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。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。路、麦克斯韦电磁场理论、电磁波等内容。第8页，本讲稿共31页电磁场对物质的各种效应。电磁场对物质的各种效应。(1)(1)电磁学研究对象：电磁学研究对象：(2)(2)发展简史发展简史 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、电流的作用第9页，本讲稿共31页第一章第一章静电场静电场第10页，本讲稿共31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、一、两种电荷两种电荷n 物物体体有有吸吸引引轻轻小小物物体体的的性性质质，就就说说它它带带了了电电，或或有有了电荷。带电的物体叫了电荷。带电的物体叫带电体带电体。n 使物体带电叫起电。使物体带电叫起电。用摩擦方法使物体带电叫做用摩擦方法使物体带电叫做摩擦起电摩擦起电。自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷，且同种电荷自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷，且同种电荷 相排斥异种电荷相吸引。相排斥异种电荷相吸引。另一种重要的起电方法是静电感应。另一种重要的起电方法是静电感应。第11页，本讲稿共31页 摩摩擦擦起起电电和和静静电电感感应应的的实实验验表表明明，起起电电过过程程是是电电荷荷从从一一个个物物体体（或或物物体体的的一一部部分分）转转移移到到另另一一物物体体（或同一物体的另一部分）的过程。（或同一物体的另一部分）的过程。总总结结出出如如下下定定律律：电电荷荷既既不不能能被被创创造造，也也不不能能被被消消灭灭，它它们们只只能能从从一一个个物物体体转转移移到到另另一一个个物物体体，或或者者从从物物体体的的一一部部分分转转移移到到另另一一部部分分，也也就就是是说说，在在任任何何物物理理过过程程中中，电电荷荷的的代代数数和和是是守守恒恒的的。这这个个定定律律叫叫电电荷荷守守恒恒定律定律。第12页，本讲稿共31页电荷既不能被创造，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，也就是到另一个物体，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。说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。2）适适用用于于所所有有的的惯惯性性系系。电电荷荷是是一一个个相相对对论论性性不不变变量量，即即在在不同的惯性系由观察者对电荷进行测量所得到的量值相同。不同的惯性系由观察者对电荷进行测量所得到的量值相同。二、电荷守恒定律二、电荷守恒定律(Chargeconservation)：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。第13页，本讲稿共31页三、导体、绝缘体和半导体三、导体、绝缘体和半导体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。那种物体。金属，石墨，电解液（酸，碱，盐类的水溶液），金属，石墨，电解液（酸，碱，盐类的水溶液），人体，地，电离的气体等都是导体；人体，地，电离的气体等都是导体；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。玻璃，橡胶，丝绸，琥珀，松香，硫磺，瓷器，油类，未电离玻璃，橡胶，丝绸，琥珀，松香，硫磺，瓷器，油类，未电离的气体等都是绝缘体。的气体等都是绝缘体。3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、光半导体：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。照、杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。第14页，本讲稿共31页四、四、物质的电结构物质的电结构 物质是由分子，原子组成的，而原子又由带正电物质是由分子，原子组成的，而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核中有质子和中的原子核和带负电的电子组成。原子核中有质子和中子，中子不带电，质子带正电。一个质子所带电荷和子，中子不带电，质子带正电。一个质子所带电荷和一个电子所带电量数值相等。如果用一个电子所带电量数值相等。如果用e代表一个质子代表一个质子的电量，则一个电子的电量就是的电量，则一个电子的电量就是-e。它的近似值为。它的近似值为 e=1.602 10-19库仑库仑 第15页，本讲稿共31页（二）库仑定律（二）库仑定律n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。如何建立？如何建立？第16页，本讲稿共31页（一）库仑定律的建立（一）库仑定律的建立nFranklin（富富兰兰克克林林）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受杯上电荷的影响不受杯上电荷的影响;n在在Franklin的建议下，的建议下，Priestel做了实验做了实验 提出问题提出问题第17页，本讲稿共31页猜测答案猜测答案n现象与万有引力有相同规现象与万有引力有相同规律律n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。n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18页，本讲稿共31页设计实验设计实验n1769年年Robison首先用首先用直接测量方法确定电直接测量方法确定电力定律，得到两个同力定律，得到两个同号电荷的斥力号电荷的斥力 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19页，本讲稿共31页1785年年Coulomb测出结果测出结果n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n库仑是扭秤专家库仑是扭秤专家;n电电斥斥力力扭扭秤秤实实验验，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20页，本讲稿共31页（二）库仑定律的表述（二）库仑定律的表述n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21页，本讲稿共31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。讨论讨论天才的类比是否能经受得住时间的考验？天才的类比是否能经受得住时间的考验？第22页，本讲稿共31页n上述公式并非都是大量上述公式并非都是大量实验的结果，是在事实实验的结果，是在事实基础上理性思维的结果。基础上理性思维的结果。n如力的方向：分析点电如力的方向：分析点电荷受力：只能沿联线，荷受力：只能沿联线，否则空间旋转否则空间旋转180就就不对称了不对称了注意注意第23页，本讲稿共31页（三）成立条件、适用范围、精度（三）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24页，本讲稿共31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准静态过程（热学）准静态过程（热学）点电荷：忽略了带电点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电体形状、大小以及电荷分布情况的电荷。荷分布情况的电荷。第25页，本讲稿共31页真空条件真空条件n作用：为了除去其他电荷的影响，使两个作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。点电荷只受对方作用。n如果真空条件破坏会如何？如果真空条件破坏会如何？不仅只有不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于由于力的独立作用原理力的独立作用原理，两个点电荷之间，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律的力仍遵循库仑定律n因此可以推广到因此可以推广到介质、导体介质、导体 第26页，本讲稿共31页适用范围和精度适用范围和精度n原子核尺度原子核尺度地球物理尺度地球物理尺度n天体物理、空间物理天体物理、空间物理n精度：精度：Coulomb时代时代n1971年年第27页，本讲稿共31页3 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电学中所有问题。静电学中所有问题。1、库仑定律只讨论两个静止（相对观察者和实验室参库仑定律只讨论两个静止（相对观察者和实验室参考系）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。（四）说明：（四）说明：第28页，本讲稿共31页4、理论地位和现代含义、理论地位和现代含义n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 n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，其中主都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力要部分是库仑力第29页，本讲稿共31页5、电量单位、电量单位 MKSA制制n1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=1Asn若若F=1N,q1=q2=1C,r=1m则则k=8.9880109Nm2/C29.00109Nm2/C2第30页，本讲稿共31页（五）物理定律建立的一般过程（五）物理定律建立的一般过程n观察现象；观察现象；n提出问题；提出问题；n猜测答案；猜测答案；n设计实验测量；设计实验测量；n归纳寻找关系、发现规律；归纳寻找关系、发现规律；n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）；n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31页，本讲稿共31页