第九章-真空中的静电场-电势.ppt

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1、真空中的静电场真空中的静电场 联系方式联系方式Name:郑大昉郑大昉Email:Tel:13758246961Home page:http:/ 课件下载课件下载 IP地址地址:10.14.129.8 用户名用户名:studentd 密码密码:studentd 真空中的静电场真空中的静电场2 22023/1/242023/1/24本章教学基本要求本章教学基本要求1、理解静电场的保守性，理解电势、电势差的、理解静电场的保守性，理解电势、电势差的概念。概念。2、掌握电势的计算问题，能应用电势的定义式、掌握电势的计算问题，能应用电势的定义式（场强线积分法）或电势叠加原理求电势。（场强线积分法）或电势叠

2、加原理求电势。3、了解电势与场强的微分关系，并能利用它由、了解电势与场强的微分关系，并能利用它由电势求电场强度。电势求电场强度。真空中的静电场真空中的静电场3 32023/1/242023/1/24真空中电荷周围存在着静电场真空中电荷周围存在着静电场电场强度的计算有两种方法：电场强度的计算有两种方法：1.利用点电荷或电荷元场强公式结合场强叠加原理求解；利用点电荷或电荷元场强公式结合场强叠加原理求解；2.电荷对称分布时可用高斯定理求解。电荷对称分布时可用高斯定理求解。下面先复习电场强度的计算下面先复习电场强度的计算下面先复习电场强度的计算下面先复习电场强度的计算静电场知识回顾静电场知识回顾真空中

3、的静电场真空中的静电场4 42023/1/242023/1/241、点电荷产生的电场：、点电荷产生的电场：多个点电荷时满足叠加原理多个点电荷时满足叠加原理真空中的静电场真空中的静电场5 52023/1/242023/1/242、连续带电体产生的电场：、连续带电体产生的电场：其电场看成由许多点电荷产生电场的叠加其电场看成由许多点电荷产生电场的叠加具体的解题步骤：具体的解题步骤：、画出示意图，选取适当的电荷元；、画出示意图，选取适当的电荷元；、建立坐标系，将电荷元的电场强度分、建立坐标系，将电荷元的电场强度分解；解；、确定积分的上下限，积分后合成。、确定积分的上下限，积分后合成。真空中的静电场真空

4、中的静电场6 62023/1/242023/1/243、高斯定理的应用：、高斯定理的应用：静电场是有源场。静电场是有源场。当电荷分布具有某种当电荷分布具有某种对称性对称性时，应用高斯定理，选取适当时，应用高斯定理，选取适当的的高斯面高斯面，使，使曲曲面积分中的面积分中的E E 及及 能以常数形式提出积分号，能以常数形式提出积分号，即可求出场强。即可求出场强。真空中的静电场真空中的静电场7 72023/1/242023/1/24当试验点电荷当试验点电荷 在点电在点电荷荷 的电场中从的电场中从a点移点移到到b点，静电场力作了多点，静电场力作了多少功？这是变力作功问少功？这是变力作功问题，具体分析如

5、下：题，具体分析如下：dr一、静电场力作功的特点：一、静电场力作功的特点：一、静电场力作功的特点：一、静电场力作功的特点：静电场的环路定理静电场的环路定理真空中的静电场真空中的静电场8 82023/1/242023/1/24做功与路径无关做功与路径无关 对于由多个静止点电荷组成的系统或静止的连续带电对于由多个静止点电荷组成的系统或静止的连续带电体，可看成是由许多点电荷或电荷元组成，由场强叠加原体，可看成是由许多点电荷或电荷元组成，由场强叠加原理可得到移动试验电荷理可得到移动试验电荷q0的功为：的功为：真空中的静电场真空中的静电场9 92023/1/242023/1/24任何静电场，电场强度的线

6、积分只取决于起始和终了的位置任何静电场，电场强度的线积分只取决于起始和终了的位置,而与路径无关。这一特性叫做而与路径无关。这一特性叫做静电场的保守性静电场的保守性。静电场力做功与路径无关。静电场力做功与路径无关。静电场力是保守力。静电场力是保守力。如果试验电荷如果试验电荷q0为单位正电荷，为单位正电荷，真空中的静电场真空中的静电场10102023/1/242023/1/24静电场是保守场。静电场是保守场。静电场的保守性还可表述为：静电场的保守性还可表述为：在静电场中，场强沿任意在静电场中，场强沿任意闭合路径的线积分等于零。称为静电场的环路定理或环流定闭合路径的线积分等于零。称为静电场的环路定理

7、或环流定理。理。二、静电场的环路定理二、静电场的环路定理静电场是有源场。静电场是有源场。真空中的静电场真空中的静电场11112023/1/242023/1/24如下几种说法是等效的：如下几种说法是等效的：（1）静电场力是保守力。）静电场力是保守力。（2）静电场线是不可能闭合的。）静电场线是不可能闭合的。（3）静电场中电场强度的环路线积分恒等于零。）静电场中电场强度的环路线积分恒等于零。（4）静电场是有势场（或称保守力场）静电场是有势场（或称保守力场）真空中的静电场真空中的静电场12122023/1/242023/1/24保守力做功可以用势能的变化来表示：保守力做功可以用势能的变化来表示：保守力

8、做功等于系统势能增量的负值。保守力做功等于系统势能增量的负值。静电场力是保守力，所以可以定义电势能：静电场力做功等于静电场力是保守力，所以可以定义电势能：静电场力做功等于系统电势能增量的负值。系统电势能增量的负值。电势能、电势电势能、电势一、电势能一、电势能真空中的静电场真空中的静电场13132023/1/242023/1/24 电势能是相互作用能（试验电荷电势能是相互作用能（试验电荷q0在静电场中的势能），在静电场中的势能），只有相对大小。要确定只有相对大小。要确定q0在静电场中的势能绝对值，必须规定在静电场中的势能绝对值，必须规定一个电势能为零的参考点。如果一个电势能为零的参考点。如果Wb

9、为势能零点，即为势能零点，即Wb等于等于0，则有，则有 试验电荷试验电荷q0在电场中一点在电场中一点a的电势能的电势能Wa，在数值上等于把，在数值上等于把该试验电荷该试验电荷q0从该点移动到电势为零的参考点处时电场力所作从该点移动到电势为零的参考点处时电场力所作的功。的功。真空中的静电场真空中的静电场14142023/1/242023/1/24二、电势二、电势 电势能与试验电荷的大小有关，引进一个仅与电场本身电势能与试验电荷的大小有关，引进一个仅与电场本身性质有关的物理量性质有关的物理量-电势电势电势：静电场中电势：静电场中a点的电势定义为点的电势定义为当电荷只分布在有限区域时，零点通常选在无

10、穷远处。当电荷只分布在有限区域时，零点通常选在无穷远处。将将单位正电荷单位正电荷从从a点沿点沿任意路径任意路径移到移到电势为零的点电势为零的点时，静电时，静电力所做的功。力所做的功。在实际问题中，也常常在实际问题中，也常常选地球的电势为零电势。选地球的电势为零电势。电势差与电势的零点选电势差与电势的零点选取无关。取无关。真空中的静电场真空中的静电场15152023/1/242023/1/24 已知电势分布时，可用电势差求出点电荷在电场中移动已知电势分布时，可用电势差求出点电荷在电场中移动时电场力所做的功：时电场力所做的功：真空中的静电场真空中的静电场16162023/1/242023/1/24

11、课堂练习课堂练习1 图中图中q1 是负的点电荷，是负的点电荷，q2 是试验点电荷。是试验点电荷。如果如果q2 由正电由正电荷变为等量的负电荷，则荷变为等量的负电荷，则 q2 所在处的电势将所在处的电势将 (1)增加。增加。(2)减少。减少。(3)保持不变。保持不变。q1q2真空中的静电场真空中的静电场17172023/1/242023/1/24课堂练习课堂练习2 图中图中q1 是负的点电荷，是负的点电荷，q2 是试验点电荷。是试验点电荷。如果如果q2 由正电由正电荷变为等量的负电荷，荷变为等量的负电荷，两个电荷系统的电势能将两个电荷系统的电势能将(1)增加。增加。(2)减少。减少。(3)保持不

12、变。保持不变。q1q2真空中的静电场真空中的静电场18182023/1/242023/1/24三、电势的计算三、电势的计算三、电势的计算三、电势的计算1.由电势的定义计算由电势的定义计算（1）点电荷的电势）点电荷的电势真空中的静电场真空中的静电场19192023/1/242023/1/24负点电荷周围的电场电势为负，负点电荷周围的电场电势为负，离电荷越远，电势越高。离电荷越远，电势越高。正点电荷周围的电场电势为正，正点电荷周围的电场电势为正，离电荷越远，电势越低。离电荷越远，电势越低。点电荷的电势点电荷的电势真空中的静电场真空中的静电场20202023/1/242023/1/24（2）例）例9

13、.8，均匀带电球面的电场中的电势均匀带电球面的电场中的电势分布。设球面半径为分布。设球面半径为R，总带电量为，总带电量为q。球壳外：球壳外：球壳内：球壳内：由定义式计算电势需要已知电场分布。由定义式计算电势需要已知电场分布。pRqp真空中的静电场真空中的静电场21212023/1/242023/1/24在球面处场强不连续，而电势是连续的。在球面处场强不连续，而电势是连续的。带电球壳内每一点电势都等于球壳表面的电势，是个等势体。带电球壳内每一点电势都等于球壳表面的电势，是个等势体。真空中的静电场真空中的静电场22222023/1/242023/1/242、用电势的叠加原理计算电势、用电势的叠加原

14、理计算电势由场强叠加原理和电势的定义，可得出电势叠加原理由场强叠加原理和电势的定义，可得出电势叠加原理 一个点电荷系的电场中一个点电荷系的电场中,任一点的电势等于每一个点电荷任一点的电势等于每一个点电荷单独存在时在该点所产生电势的代数和。单独存在时在该点所产生电势的代数和。表达式：表达式：真空中的静电场真空中的静电场23232023/1/242023/1/24 当带电体的电荷连续分布时，可以设想它由许多电荷元当带电体的电荷连续分布时，可以设想它由许多电荷元组成，将每个电荷元看成点电荷，它产生的电势的叠加就是组成，将每个电荷元看成点电荷，它产生的电势的叠加就是总的电势。可写为：总的电势。可写为：

15、真空中的静电场真空中的静电场24242023/1/242023/1/24例例9.7 均匀带电圆环轴线上一点的电势均匀带电圆环轴线上一点的电势解解1：点电荷电势叠加：点电荷电势叠加解解2：电势的定义：电势的定义真空中的静电场真空中的静电场25252023/1/242023/1/24例例9.9 求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布已知场强为：已知场强为：方向垂直于带电直线。方向垂直于带电直线。电荷线密度 若仍然选取无穷远为电势零点，则由积分可知各点电势将若仍然选取无穷远为电势零点，则由积分可知各点电势将为无限大而失去意义。可见，当电荷分布扩展到无穷远时，电为

16、无限大而失去意义。可见，当电荷分布扩展到无穷远时，电势零点不能再选在无穷远处。势零点不能再选在无穷远处。选选 Q 点为电势零点，则距带电直线为点为电势零点，则距带电直线为r 的的 p点的电势为点的电势为真空中的静电场真空中的静电场26262023/1/242023/1/24例例9.9 求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布已知场强为：已知场强为：方向垂直于带电直线。方向垂直于带电直线。此时，我们可以选取某一距带电直导线为此时，我们可以选取某一距带电直导线为 r0（如（如 r0=1）的）的 参参考点为电势零点，考点为电势零点，则距带电直线为则距带电直线为r

17、的的 p点的电势为点的电势为真空中的静电场真空中的静电场27272023/1/242023/1/24【小结小结小结小结】本课主要介绍了静电场的功的基本特性，并从静电场力本课主要介绍了静电场的功的基本特性，并从静电场力的作功特点引入了电势能，定义了电势以及相应的计算方的作功特点引入了电势能，定义了电势以及相应的计算方法。法。.对于一般的带电体，电场强度不易知，用电势的叠加式计对于一般的带电体，电场强度不易知，用电势的叠加式计算算.若电场强度已知或易知，用电势的定义式计算若电场强度已知或易知，用电势的定义式计算真空中的静电场真空中的静电场28282023/1/242023/1/24作业：作业：9-

18、89-99-259-289-299-33真空中的静电场真空中的静电场29292023/1/242023/1/24 类似于用电场线来描述电场的分布，我们用等势面来形象类似于用电场线来描述电场的分布，我们用等势面来形象地描述电势的分布。顾名思义，等势面就是由电势相等的点组地描述电势的分布。顾名思义，等势面就是由电势相等的点组成的面，下面是几种常见的等势面成的面，下面是几种常见的等势面：电场强度与电势的关系电场强度与电势的关系一、等势面一、等势面一、等势面一、等势面真空中的静电场真空中的静电场30302023/1/242023/1/24可见，可见，(1)电场线与等势面处处正交；电场线与等势面处处正交

19、；(2)电场线的方向为电势降低的方向；电场线的方向为电势降低的方向；(3)等势面密的地方电场强度大，反之亦然等势面密的地方电场强度大，反之亦然。真空中的静电场真空中的静电场31312023/1/242023/1/24等势面的性质等势面的性质证明：证明：因为将单位正电荷从等势面上因为将单位正电荷从等势面上M点移到点移到N点，点，电场力做功为零，而路径不为零电场力做功为零，而路径不为零除电场强度为零处外，除电场强度为零处外，电力线与等势面正交电力线与等势面正交。真空中的静电场真空中的静电场32322023/1/242023/1/24电力线的方向指向电势降落的方向。电力线的方向指向电势降落的方向。因

20、沿电力线方向移动正电荷电场力做正功，电势能减少因沿电力线方向移动正电荷电场力做正功，电势能减少。两个相邻等势面的电势差相等两个相邻等势面的电势差相等，所以等势面较密集的地方，所以等势面较密集的地方，场强较大。等势面较稀疏的地方，场强较小。场强较大。等势面较稀疏的地方，场强较小。真空中的静电场真空中的静电场33332023/1/242023/1/24二、电场强度与二、电场强度与电势梯度电势梯度的关系的关系 电势分别为电势分别为 和和 的邻近等势面，的邻近等势面，把试验点电荷把试验点电荷q0从从 a 沿沿dl 移到移到 b，电场力作功，电场力作功 U+dUUd l 电场中某点电场强度在任一方向的分

21、量等于电势在此方向电场中某点电场强度在任一方向的分量等于电势在此方向上变化率的负值，负号表示场强指向电势降低的方向。合场强上变化率的负值，负号表示场强指向电势降低的方向。合场强等于该点电势梯度的负值。（等于该点电势梯度的负值。（电势梯度电势梯度：电势随坐标的变化率）：电势随坐标的变化率）真空中的静电场真空中的静电场34342023/1/242023/1/24课堂练习课堂练习3 已知沿已知沿x轴电势处处为零。由此我们可以断定电场强度的轴电势处处为零。由此我们可以断定电场强度的x分分量肯定是：量肯定是：(1)零；零；(2)沿正沿正x方向；方向；(3)沿负沿负x方向。方向。课堂练习课堂练习4 在空间

22、的某个区域电场强度为零。由此我们可以断定此区域在空间的某个区域电场强度为零。由此我们可以断定此区域内的电势肯定是：内的电势肯定是：(1)零零；(2)常数；常数；(3)正的；正的；(4)负的。负的。真空中的静电场真空中的静电场35352023/1/242023/1/24于是我们得到计算场强的又一种方法：于是我们得到计算场强的又一种方法：例例9.11 求均匀带电圆环轴线上一点的场强。求均匀带电圆环轴线上一点的场强。真空中的静电场真空中的静电场36362023/1/242023/1/24【小结小结小结小结】主要掌握电势和电场强度的关系主要掌握电势和电场强度的关系真空中的静电场真空中的静电场37372

23、023/1/242023/1/24作业：作业：9-319-32真空中的静电场真空中的静电场38382023/1/242023/1/24【解答解答】上述做法有两个错误，一是用圆心的电场强度代上述做法有两个错误，一是用圆心的电场强度代替了整个电场分布，二是积分路径应是圆心到无限远处。替了整个电场分布，二是积分路径应是圆心到无限远处。正确的方法（应用叠加原理）：正确的方法（应用叠加原理）：【讨论题一讨论题一】有一半径为有一半径为R，电荷线密度为，电荷线密度为 的均匀带电圆环，的均匀带电圆环，求圆心处的电势。求圆心处的电势。或许可以先求圆心处的电场强度或许可以先求圆心处的电场强度 ，再用再用这种做法对

24、不对？为什么？这种做法对不对？为什么？真空中的静电场真空中的静电场39392023/1/242023/1/24【讨论题二讨论题二】有一无限大有一无限大均匀带电平面，电荷面密度为均匀带电平面，电荷面密度为，在，在它的附近有点电荷它的附近有点电荷q，如图所示。有人求出如图所示。有人求出P的电势为的电势为这种做法对不对？为什么？这种做法对不对？为什么？本题的错误在于电势零点不统一。本题的错误在于电势零点不统一。参考解答：选参考解答：选O点为统一的电势零点。点为统一的电势零点。真空中的静电场真空中的静电场40402023/1/242023/1/24【讨论题三讨论题三】Q、R相同的相同的均匀带电球面和非

25、均匀带电球面，二均匀带电球面和非均匀带电球面，二者球内外的电场强度和电势分布是否相同？球心处的电势是否者球内外的电场强度和电势分布是否相同？球心处的电势是否相同？（设无限远处的电势为零）相同？（设无限远处的电势为零）【解答解答】二者球内外的电场强度和电势分布均不相同，只有球二者球内外的电场强度和电势分布均不相同，只有球心处的电势相同心处的电势相同.RQ真空中的静电场真空中的静电场41412023/1/242023/1/24【例题一例题一】如图所示，两个均匀带电球面，半径分别为如图所示，两个均匀带电球面，半径分别为R1、R2,带电量分别为带电量分别为Q1、Q2。求此带电系统在空间形成的电场和。求

26、此带电系统在空间形成的电场和电势的分布。电势的分布。再用电势的定义式计算电势再用电势的定义式计算电势真空中的静电场真空中的静电场42422023/1/242023/1/24真空中的静电场真空中的静电场43432023/1/242023/1/24【例题二例题二】如图所示，已知一长为如图所示，已知一长为L，均匀带电，均匀带电Q 的细棒，的细棒，求求Z 轴上一点轴上一点P的电势及电场强度在的电势及电场强度在Z 轴上的分量。轴上的分量。真空中的静电场真空中的静电场44442023/1/242023/1/24【例题二例题二】如图所示，已知一长为如图所示，已知一长为L L，均匀带电，均匀带电Q Q 的细棒，求的细棒，求Z Z 轴上一点轴上一点P P的电势及电场强度在的电势及电场强度在Z Z 轴上的分量。轴上的分量。真空中的静电场真空中的静电场45452023/1/242023/1/24【例题三例题三】如图所示，一均匀带电球面，总电量为如图所示，一均匀带电球面，总电量为Q。另有一。另有一均匀带电细棒，长为均匀带电细棒，长为L，电荷线密度为，电荷线密度为 ，棒的一端距球面距，棒的一端距球面距离为离为L。求：细棒在均匀带电球面产生的电场中的电势能。求：细棒在均匀带电球面产生的电场中的电势能。