2021-2022学年高二物理竞赛课件：电荷和电场和静电场的能量.pptx

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1、电荷和电场和静电场电荷和电场和静电场的能量的能量例：例：一平板电容器面积为一平板电容器面积为S，间距，间距d，用电源充电后，两，用电源充电后，两极板分别带电为极板分别带电为+q和和-q，断开电源，再把两极板拉至断开电源，再把两极板拉至2d，试求：外力克服电力所做的功。，试求：外力克服电力所做的功。两极板间的相互作用两极板间的相互作用力？力？解：解：根据功能原理可知，外力的功等于系统能量的增量。根据功能原理可知，外力的功等于系统能量的增量。电容器两个状态下所存贮的能量差等于外力的功。电容器两个状态下所存贮的能量差等于外力的功。初态初态末态末态外力反抗极板间的电场力作功外力反抗极板间的电场力作功(

2、2)两极板间的相互作用力两极板间的相互作用力解解：例例 如图圆柱形电容器，中间是空气，空气的击穿如图圆柱形电容器，中间是空气，空气的击穿场强是场强是 ，电容器外半径，电容器外半径 .在空气不在空气不被击穿的情况下，内半径被击穿的情况下，内半径 可使电容器存储能量最可使电容器存储能量最多多.（空气空气 ）单位长度的电场能量单位长度的电场能量+-+_击穿场强击穿场强+-+_例例.求一半径为求一半径为R的均匀带电的均匀带电Q的球体之静电能。的球体之静电能。+RQ+R+R+解：由高斯定理，得场强分布解：由高斯定理，得场强分布例例.长同轴电缆中有两层电介质长同轴电缆中有两层电介质1,2，已知半径，已知半

3、径分别为分别为a、b、c，求电场分布，求电场分布，Vac，及单位长度，及单位长度的的C和和We.解：同轴电缆中心是导线，外面被解：同轴电缆中心是导线，外面被金属圆筒包围着。根据高斯定理，金属圆筒包围着。根据高斯定理，得场强分布得场强分布单位长单位长度的度的C:单位长单位长度的度的We:方向沿方向沿 x 轴，垂直于平板向外。轴，垂直于平板向外。与例与例4的结果的结果(无限大圆盘无限大圆盘)一致。一致。OxL解解:QR例例.已知圆环半径为已知圆环半径为R,带电量为带电量为Q，杆的电荷线密度，杆的电荷线密度为为 ，长为，长为L,求杆对圆环的作用力求杆对圆环的作用力.根据例根据例3结果，圆环在结果，圆

4、环在 dq 处处产生的电场产生的电场杆上取电荷元杆上取电荷元注意注意:总结：求场强总结：求场强 的步骤的步骤:非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。不可逆的。它所揭示的客观规律向人们指出了实际它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的方向和条件。宏观过程进行的方向和条件。无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发 卡诺循环是一个理想的准静态循环，是可逆循环。卡诺循环是一个

5、理想的准静态循环，是可逆循环。它由两条等温线和两条绝热线组成的循环。它由两条等温线和两条绝热线组成的循环。卡诺在研究热机循环效率时，提出了卡诺定理。卡诺在研究热机循环效率时，提出了卡诺定理。内容内容：（2）在相同高温热源在相同高温热源(T1)和相同低温热源和相同低温热源(T2)之间之间工作的一切不可逆热机的效率，总是小于可逆热机的工作的一切不可逆热机的效率，总是小于可逆热机的效率效率。（1）在相同高温热源）在相同高温热源(T1)和相同低温热源和相同低温热源(T2)之间工之间工作的一切可逆热机，不论用什么工作物质作的一切可逆热机，不论用什么工作物质，其效率都，其效率都相等相等,大小为：大小为：（

6、可以用热力学（可以用热力学第二定律证明）第二定律证明）QLAITHTLRIQHQHARQL(a)可逆热机可逆热机R和不可逆热机和不可逆热机I运行于热源运行于热源TH和和TL之间（图之间（图a），与），与TH交换的热交换的热量相等，皆为量相等，皆为QH，但与，但与TL交换的热交换的热量分别为量分别为QL和和QL。对外作功分别为。对外作功分别为:AR=QH-QL AI=QH-QL假设：假设：I R，即，即 AI AR如图如图(b)所示，令所示，令R 逆向循环成为逆向循环成为制冷机，并将制冷机，并将I 对外作功一部分对外作功一部分AR驱动这部制冷机工作，而剩下驱动这部制冷机工作，而剩下的一部分的一部分AI-AR输出。输出。欲证欲证：二者如此联合工作的效果是：高温热源二者如此联合工作的效果是：高温热源TH恢复原状，恢复原状，只是从低温热源只是从低温热源TL吸收热量吸收热量QL-QL并完全转变为有用并完全转变为有用的功（的功（AI-AR），这是违反开尔文表述的（如图），这是违反开尔文表述的（如图c)。THTLRIARQHQHQLQLAI-AR(b)TLTH(c)(反证法反证法)