基础物理学课件.ppt

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1、基基 础础 物物 理理 学学 BIIBII 教材教材: 基础物理学基础物理学下册，下册，(17-25 ) 课程相关信息课程相关信息 平时成绩平时成绩: 点名点名(#); 作业作业(1次次/周周); 随堂测验随堂测验(#) 小论文：物理教学演示工具制作策划书小论文：物理教学演示工具制作策划书(#) 总评成绩总评成绩: 平时成绩平时成绩40%, 期末考试期末考试60%.网上交流区网上交流区: , B-20120-JCWLBII-ZY: 基础物理基础物理BII 教师信箱教师信箱: 答疑时间答疑时间: 周二课前后周二课前后, 本教室本教室 内容区内容区: 课程文档课程文档-课件课件, 测验测验: 成绩

2、中心成绩中心 课程工具课程工具: 职员信息和讨论板职员信息和讨论板着眼于场的分布着眼于场的分布（一般）（一般）归纳归纳假设假设 电磁学的教学内容电磁学的教学内容17-23: 静电学（真空、介质、导体）静电学（真空、介质、导体）; 稳恒电流稳恒电流 静磁学（真空静磁学（真空, 介质）介质） 电磁感应电磁感应 ; 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 对象：对象：弥散于空间的电磁场，弥散于空间的电磁场，方法：方法： 观点：观点：电磁作用是电磁作用是“场场”的作用的作用基本实验规律基本实验规律综合的普遍规律综合的普遍规律（特殊）（特殊）（近距作用）（近距作用） 电电 磁磁 学学 研究研究电磁现象电磁现象 的

3、的基本概念基本概念和和基本规律：基本规律： 源源场场; 电电, 磁磁, E VS M, 效应发光放热效应发光放热 真空中静电场的场强真空中静电场的场强17.1 电荷守恒定律电荷守恒定律 库仑定律库仑定律 叠加原理叠加原理17.2 电场和电场强度电场和电场强度 电场线和电通量电场线和电通量静电场静电场 相对观测者静止的电荷产生的电场相对观测者静止的电荷产生的电场一一. 电荷电荷 电气材料电气材料 电性力：同号相斥、异号相吸电性力：同号相斥、异号相吸电荷量：物体带电的多少电荷量：物体带电的多少 电荷守恒定律电荷守恒定律 库仑定律库仑定律 叠加原理叠加原理电荷电荷: 经过摩擦的物质上所出现的东西经过

4、摩擦的物质上所出现的东西, 其呈现电荷其呈现电荷 的状态为带电的状态为带电. 电气材料电气材料: 起电物质起电物质 vs. 非起电物质非起电物质. 两种电荷：正电荷两种电荷：正电荷 和负电荷和负电荷 # 自然界的电现象自然界的电现象: 质子带有的质子带有的 与电子带有的与电子带有的 引起的引起的.+ + +m, , n, p, f; vs. k, M, G, T, A.电气材料电气材料: 起电物质起电物质 vs. 非起电物质非起电物质. 导体导体: 电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其它电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其它 部分部分 的物体的物体.绝缘体绝缘体: 电荷几乎只能停留在产生的

5、地方电荷几乎只能停留在产生的地方 的那种物体的那种物体. 金属金属、石墨石墨、电解液电解液(酸、碱酸、碱、盐类的水溶液盐类的水溶液) 、人体人体、地地(球球) 、电离了的气体都是导体电离了的气体都是导体. 玻璃玻璃、丝绸丝绸、橡胶橡胶、琥珀琥珀、松香松香、硫磺硫磺、瓷器瓷器、油类油类、未电离的气未电离的气体等都是绝缘体体等都是绝缘体.半导体半导体(#): 介于两者之间介于两者之间摩擦起电系列摩擦起电系列(+-): 毛皮毛皮, 橡胶橡胶; 玻璃玻璃, 丝绸丝绸; 塑料塑料, 头发头发二二. 电荷守恒定律电荷守恒定律( (宏观尺度和微观尺度都成立宏观尺度和微观尺度都成立) 在没有电荷进出的一个封闭

6、空间内在没有电荷进出的一个封闭空间内, , 正、负正、负电荷的总量始终是相等的电荷的总量始终是相等的。质子和电子都是带电荷的实体质子和电子都是带电荷的实体, 具有质量具有质量epemkgmkgm18361067. 1,1011. 92731 e422349023892epn2eeHeThU(pair annihilation)有电荷就有质量, 静质量为零的粒子必为电中性. 宏观带电体的带电量宏观带电体的带电量qe，准连续，准连续 e =1.602 10-19库仑，电子电量库仑，电子电量, 3, 2, 1nneq那么, e是否是最基本的呢?原子核结构: 在夸克模型中, 夸克带分数电荷, up q

7、uark down quark strange quarke32e31e31见27, 28# 带电带电, 电荷量电荷量? 更小点更小点?没能找到自由夸克, 但是超导超导铌球上发现分数电荷 密立根密立根三三. . 电荷量子化电荷量子化1. 点电荷点电荷(理想模型理想模型)简化为点电荷的条件简化为点电荷的条件: :q1rddr万有引力。万有引力。由此由此, ,在处理电子和质子之间的相互作用时在处理电子和质子之间的相互作用时, ,只需考虑只需考虑静电力静电力, ,万有引力可以略去不计万有引力可以略去不计. . 在原子结合成分子在原子结合成分子, ,原子或分子组成液体或固体原子或分子组成液体或固体时时

8、, ,它们的结合力在本质上也都属于电性力它们的结合力在本质上也都属于电性力. . 例例2 氦原子核中的两个质子相距氦原子核中的两个质子相距4.010-15m, 求求这两个质子之间的静电力这两个质子之间的静电力.21521992210)100 . 4()106 . 1 (100 . 941rqqFpp解解: :两个质子之间的静电力是斥力两个质子之间的静电力是斥力, ,它的大小为它的大小为 质子之间能结合在一起构成原子核质子之间能结合在一起构成原子核, 是由于核内除是由于核内除了有静电斥力外了有静电斥力外, 还存在更强大的引力还存在更强大的引力 核力的缘故。核力的缘故。 在相同条件下：在相同条件下

9、： 强相互作用强相互作用电磁相互作用电磁相互作用万有引力作用。万有引力作用。这两个质子之间的核力这两个质子之间的核力:14NN61013. 1 例例3. 三个点电荷所带的电荷量分别为三个点电荷所带的电荷量分别为q1= - -86 C, q2=50 C, q3=65 C。各电荷间的距离如图所示。求作。各电荷间的距离如图所示。求作用在用在q3上合力的大小和方向。上合力的大小和方向。解解: :选用如图所示的直角坐标系。选用如图所示的直角坐标系。q1q30.6m0.52m0.3mq1q3F31F32F30.6m0.52m0.3mijF31按库仑定律分别计算按库仑定律分别计算q q1 1和和q q2 2

10、对电荷对电荷q q3 3的作用力的作用力jieerqqFrr6 . 03 . 06 . 052. 0,4313123103131 jeerqqFrr 3232,423203232 #5. 基本思路基本思路?32313FFF 例例3. 三个点电荷所带的电荷量分别为三个点电荷所带的电荷量分别为q1= - -86 C, q2=50 C, q3=65 C。各电荷间的距离如图所示。求作。各电荷间的距离如图所示。求作用在用在q3上合力的大小和方向。上合力的大小和方向。解解: :选用如图所示的直角坐标系。选用如图所示的直角坐标系。q1q30.6m0.52m0.3m按库仑定律分别计算按库仑定律分别计算q q1

11、 1和和q q2 2对电荷对电荷q q3 3的作用力的作用力jieerqqFrr6 . 03 . 06 . 052. 0,4313123103131 jeerqqFrr 3232,423203232 #5. 基本思路基本思路?32313FFFNji)255120(#6 天花板置正电极天花板置正电极, 你持等量负你持等量负电荷电荷, 平地飞升的平地飞升的Q？3F 两个各带电荷量为两个各带电荷量为1 1C C 的带电体的带电体, ,当它们相距当它们相距1m1m时时, , 作用力达作用力达9.09.010109 9 N.N. 六六. 讨论库伦相互作用的大小讨论库伦相互作用的大小 我们利用通常的起电方

12、法不可能使一个有限大我们利用通常的起电方法不可能使一个有限大 ( (例如半径为例如半径为1m1m的球体的球体) )的物体的带电量达到的物体的带电量达到1 1C C, , 因为早在电荷量聚集到此值前因为早在电荷量聚集到此值前, ,周围的绝缘体已周围的绝缘体已 被击穿被击穿(#),(#),物体上的电荷早已漏掉。通常遇到的物体上的电荷早已漏掉。通常遇到的 静电力还是很小的静电力还是很小的, ,只能吸引轻小物品只能吸引轻小物品. . 通常在实验室里通常在实验室里, 利用摩擦起电使物体能获得的利用摩擦起电使物体能获得的 电荷量电荷量10-7C数量级数量级, 若相距若相距1m, 静电力为静电力为10-2

13、N 若相距若相距0.1m, 静电力仅为静电力仅为1N的数量级的数量级.一一. . 电场电场电相互作用电相互作用两种观点两种观点超距作用超距作用作用作用作用作用电场电场电荷电荷1 1电荷电荷2 2电场电场1 1电场电场2 2电荷电荷1 1电荷电荷2 2产生产生作用作用作用作用产生产生静电场：静电场：相对于观察者静止的电荷相对于观察者静止的电荷 在周围空间激发的电场。在周围空间激发的电场。雷电雷电17.2 电场和电场强度电场和电场强度 电场线和电通量电场线和电通量二二. . 电场强度电场强度 试验电荷试验电荷q q0 0及条件及条件 点电荷点电荷( (尺寸小尺寸小) )q q0 0足够小足够小,

14、,对待测电场影响小对待测电场影响小 定义电场强度定义电场强度AFq00qFE q0BFAB 电场中某点的电场强度电场中某点的电场强度等于单位正电荷在该点所受等于单位正电荷在该点所受的电场力。的电场力。gmFvsEqFge.#7 郭晶晶起跳后郭晶晶起跳后( ), 其质心运动其质心运动(位置变动位置变动)决定于决定于#?00,vr三三. .电场强度的计算电场强度的计算1.1.点电荷的电场点电荷的电场3.3.连续分布电荷的电场连续分布电荷的电场2.2.场强叠加原理和点电荷系的电场场强叠加原理和点电荷系的电场.两个异号点电荷两个异号点电荷:电偶极子电偶极子.多个多个点电荷分布点电荷分布 头脑中想象头脑

15、中想象: 一个质量很小的带电质点一个质量很小的带电质点(正或负电正或负电荷荷)处于没有重力的空间中处于没有重力的空间中, 运动运动(位置变动位置变动), 在头脑中建立在头脑中建立”按照什么样的力来运动的呢按照什么样的力来运动的呢?”这样的想象这样的想象, 如同打开电磁学的大门如同打开电磁学的大门.1. 点电荷的场强点电荷的场强由库仑定律和电场强度定义由库仑定律和电场强度定义:“源源”点电荷点电荷场点场点q prErerqE2o4 rerEE21分布特点：点电荷（相对观测者静止）（相对观测者静止）#7 画出场强分布来画出场强分布来? 球面是场强等模面球面是场强等模面, 球对称分布球对称分布球对称

16、分布球对称分布= ？q0qi对对的作用的作用qiq2q0q1 2. 2.电场强度叠加原理和点电荷系的场强电场强度叠加原理和点电荷系的场强 nFFFF 21iF0qFE 021qFFFn nEEE 21 iEE1F2FiF niiF1电场强度叠加原理电场强度叠加原理场点场点)1 ()1(142orlrlreqr3o42rl q , qqll qp：，3o42rp 电偶极子电偶极子 轴线上场强轴线上场强电偶极子电偶极子一对靠得很近的等量一对靠得很近的等量异号的点电荷异号的点电荷.相对的概念，相对的概念，物理物理模型模型(如有极分子如有极分子)-q+q ro PEE+E- -lr lP EEE)2(

17、)2(4122olreqlreqrr 称为称为电偶极矩电偶极矩p)4/(412220lrq cos2 EE电偶极子中垂面上的电场电偶极子中垂面上的电场r)4/(41220lrq EE2/122)4/(2/lrl 2/3220)4/(41lrql P+qq2/ l2/ lEEEleqll qp 从从-q指向指向+q304rp电偶极子在电场中所受的力矩电偶极子在电场中所受的力矩用矢量形式表示为：用矢量形式表示为：2/30)(41/4lrpE22 3rpE041 EpM sinflM sinqEl sinpE #8 一般情况下一般情况下, 电偶极子在空间某位置激发的电场强度电偶极子在空间某位置激发的

18、电场强度?若若 r l, +Elff电偶极子中垂面上的电场电偶极子中垂面上的电场解解: q1在在P点所激发的场强为点所激发的场强为#1q2在在P点所激发的场强为点所激发的场强为#2根据场强叠加原理，根据场强叠加原理，P点的总场强为点的总场强为#4# 任给若干点电荷任给若干点电荷, 它们在周围真空中激发的电场强度它们在周围真空中激发的电场强度? 例例3. 三个点电荷所带的电荷量分别为三个点电荷所带的电荷量分别为q1= - -86 C, q2=50 C, q3=65 C。各电荷间的距离如图所示。求。各电荷间的距离如图所示。求(1) 作用在作用在q3上合力的大小和方向。上合力的大小和方向。(2) 求

19、求P点电场强度点电场强度.q1q30.6m0.52m0.3mPrq3在在P点所激发的场强为点所激发的场强为#33. 连续带电体的场强连续带电体的场强面电荷面电荷 dq = dS ： 面电荷密度面电荷密度线电荷线电荷 dq = dl ： 线电荷密度线电荷密度dqrPdEq 将带电体分割成无限多块无限小的带电体将带电体分割成无限多块无限小的带电体体电荷体电荷 dq = dV ： 体电荷密度体电荷密度 qrreqEE2o4dd # 有了叠加原理有了叠加原理, 微元法微元法 例例4 4.直线直线AB均匀带电均匀带电, 电荷线密度为电荷线密度为. P P点到点到 ABAB的距离为的距离为a,A,AP和和

20、 BP与直线夹角与直线夹角1 和和2 . 求求P P点场强点场强? ? 解：建立解：建立O Oxy系如图系如图, ,原点原点O O为为P P到直线的垂足到直线的垂足 取线元取线元dx, 带电带电xqdd20d41drerxE )(,sin tgaxar)sin(cos)dsin(sin4212220jiaaEdEL jier sincos 且且 daaddx2sin)sincos( P21aEdrdxyxO21ajaia)cos(cos4)sin(sin4120120 极限情况极限情况当当AB AB 长度长度,jajaiE002)240( (1,2 )(0,)无限长均匀带电直线的场强无限长均匀

21、带电直线的场强圆柱面为等模面圆柱面为等模面#9. 画场强分布图画场强分布图?P)sin(cosd4210jiaE 例例5. 均匀带电环面如图均匀带电环面如图已知已知 , R1, R 2 , 以过环心以过环心O的法线为的法线为z轴轴, 求求z处处P点场强点场强 解解： (1) 划分电荷元划分电荷元 dd rr Sqd d sincos4dd2o kkeEdEderqErzr (2) 分析分析 大小大小,方向方向Ed EEEzddd r rd dqdzEd Ed0zzP z PR2 zR10 dd rr rEd 正负成对出现正负成对出现, 所有的所有的dE积积累为零累为零?cos r (3)积分求

22、积分求 ：E qEEd112222212oRzRzz qzrqE cos4d2orzrrrRR 2120204dd rzrrrRR 212od42 212322o)(d2RRrzrrz kEz qzkEd正负成对出现正负成对出现, 所有的所有的dE积累为零积累为零22coszrrrz kRzRzzE112 222212o (4) 分析结果的合理性和讨论分析结果的合理性和讨论 单位单位 ； 令令 z= 0，得得 ，0 E合理；合理； 令令 z R2 ，),21(1)1(11222,121222,122,12zRzzRzRz 22122o22zRREz ， 1422zzq 合理。合理。则：则：z

23、PR2 zR10# z电荷线度处，电荷线度处， E与与z关系如何？关系如何？z0R 思考思考: - - - （a）（b）1. 电场线电场线 ( 线线 ),E 线上某点的切向即为该点线上某点的切向即为该点 的的方向方向,EEEE线线切线切线规定规定 线的密度给出线的密度给出 的大小。的大小。EEN S SNSNESddlim0 在电场中任一点处，通过垂直于电场强度在电场中任一点处，通过垂直于电场强度E单单位面积的电场线数等于该点的电场强度的数值位面积的电场线数等于该点的电场强度的数值四四. 电场线和电通量电场线和电通量大小呢大小呢?画出多少根画出多少根?关于电场的直观表现方式关于电场的直观表现方

24、式 几种电荷的几种电荷的 线分布线分布E 球对称球对称无限长则圆柱对称无限长则圆柱对称 电场线的实验演示电场线的实验演示: 针状晶体碎屑撒到水平延展绝针状晶体碎屑撒到水平延展绝缘油中使之悬浮缘油中使之悬浮. 或水平光滑玻璃表面撒细小石膏晶粒或水平光滑玻璃表面撒细小石膏晶粒.点电荷点电荷q0电偶极子电偶极子均匀带电的直线段均匀带电的直线段(原因下一章讲原因下一章讲) 两两 个个 同同 号号 的的 点点 电电 极极 几种电荷的几种电荷的 线分布的实验现象线分布的实验现象E一对异号不等量点电荷的电场线一对异号不等量点电荷的电场线2q+q电场线电场线单单 个个 带带 电电 平平 板板 电电 极极正正

25、负负 带带 电电 平平 行行 平平 板板 电电 极极五五. . 电通量电通量 e e1.定义：定义： SeSdE面积分面积分, 不是点函数不是点函数是代数量是代数量, 有正、负。有正、负。2. 的几何意义的几何意义:eSESnESEedcosddd NSEdd )(线线条条数数的的穿穿过过ESN 对闭合曲面对闭合曲面 SeSEd约定：约定：闭合曲面闭合曲面以向外以向外为曲面法线为曲面法线正方向。正方向。cos dS=dS ESdS：净穿出根数：净穿出根数 求以点电荷为球心的球面求以点电荷为球心的球面S0的的e 0020004ddSrSerSeqSE 0020d4SSrq 20244rrq 0

26、q 由此可知：由此可知： 点电荷电场对球面的点电荷电场对球面的e与与 r 无关，无关， 即各球面的即各球面的e (相等相等)连续连续 点电荷点电荷的的 线连续。线连续。EErS0qdS0任意包围任意包围S0的封闭曲面的封闭曲面?S0qSSq 求点电荷场中任意曲面的电通量：求点电荷场中任意曲面的电通量： 0 0外外在在，内内在在，SqSqqe 作业作业: P27 17-1(: P27 17-1(删除最后一问删除最后一问),3, ),3, 4,54,5准备小论文准备小论文: : 本次课有哪些基本概念本次课有哪些基本概念, , 基本规律基本规律, ,基本方法基本方法. . 选择一个选择一个, ,你设想一个你设想一个 物体物体#表现出来表现出来. .# 棉花糖棉花糖vs橡皮糖橡皮糖