电磁学静电场.pptx
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1、1二、物理学思维特点 物理教学,重要的是要启发学生的思维,加强科学方法论的教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式,将终生受益。物理学思维特点主要表现在:1.敢于想像。要认识敢想才有物理学,不敢想就没有物理学。爱因斯坦说:“想像力比知识更重要。”例如,麦克斯韦的位移电流假说,爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。一 2.善于归纳。物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些定律都是从实验(或观察)中归纳出来的。但这种所用的科学方法,只能是“不完全”归纳法,而不是数学的完全归纳法。例如“势”概念的应用。第1页/共74页2学好物理学,关键是勤于思考,悟物穷理。3.创设模型。物理学并不讳言自身
2、只研究模型。模型并不全同于真实,但物理学的成功正在于创造出许多成功的模型。模型是“理想化”的,但不是“伪劣”的,它突出了许多表面上看是千差万别的物体最本质的特征,例如法拉第的“力线”模型的建立。三、悟物穷理“细推物理须行乐,何用浮名绊此身”唐朝 杜甫(中文的“物理”一词源出此)“求学问,需学问;只学答,非学问”李政道(1957年与杨振宁同获诺贝尔 物理学奖)第2页/共74页3考核方式学期总成绩中作业成绩占10%、实验成绩10%、自主学习与合作交流占20%、期末考试卷面成绩占60%。第3页/共74页4 第一章第一章 静电场的基本规律静电场的基本规律1.电荷2.库仑定律3.静电场4.高斯定理5.电
3、场线6.电势目 录第4页/共74页5第一节第一节 电荷电荷一、对电荷的基本认识3.电荷量子化.密立跟实验(19061917年)Q=Ne,e=1.6021892(46)1019C 理论研究认为,夸克带分数电荷。迄今为止尚未在实验中找到自由夸克。今后即使真的发现了自由夸克,仍不会改变电荷量子化的结论。4.电荷守恒.在一个和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.具有相对论不变性。如:摩擦生电荷;感应带电荷;电子对的产生和湮灭等。1.电荷是带电基本粒子的一种属性。2.自然界只存在两种电荷(电荷对称性)。第5页/共74页6第二节 库仑定律(1785年)受牛顿力学的深刻影响
4、,寻找电力遵循的规律成为引人瞩目的研究课题,它的发现迎来了电学历史上第一个重要突破。真空中,两个静止的点电荷之间相互作用力的大小,与它们的电量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,作用力的方向沿着它们的联线.同号电荷相斥,异号电荷相吸.数学表述:q1q2r点电荷是一种理想模型。当带电体的几何尺寸远小于带电体之间的距离时,可以不考虑带电体的大小,不考虑电荷在带电体上的分布,把带电体看成一个几何点。第6页/共74页7真空介电常数 0=8.854 187 8171012 C2/m2N在SI制和有理化方程系中第7页/共74页8说明 1.1.库仑定律是直接由实验总结出来的规律。是整个静电学的基础,具
5、有丰富的物理内涵。2 2厍仑力与电量的乘积成正比,这是电量(电荷)的定义。即引入定量描述两点电荷带电多少的物理量电量。规定库仑力大小与两点电荷电量乘积成正比,既表明库仑力是电力,又能 通过q q1 1、q q2 2的大小、正负区分电力的大小以及吸引还是排斥。第8页/共74页9 3.库仑定律成立的条件是静止。即两点电荷相对静止,且 相对于观察者静止。两个静止电荷之间的作用力符合牛 顿第三定律.运动电荷之间的相互作用力问题既涉及到电场问题(不是静电场),也涉及到磁场问题,表现也比较复杂,将在电动力学中解决。第9页/共74页104.关注库仑力平方反比律的精确程度和适用范围。库仑力平方反比律的精度不仅
6、直接影响电磁场理论的精度,而且与光子静止质量是否为零密切相关,涉及物理学一系列根本问题,关系重大。(2)适用范围:5氢原子的电子、质子间的库仑力与万有引力相比1971年实验值:(1)精确程度:第10页/共74页11静电力叠加原理qiqriq1q2qn 试验指出,两个以上的点电荷对一个点电荷的作用力,等于各个电荷单独存在时对该电荷作用力的矢量和.连续带电体对点电荷的作用力则为(1)体电荷分布的带电体第11页/共74页12其中体电荷密度(2)面电荷分布的带电体面密度(3)线电荷分布的带电体线密度第12页/共74页13例题1-1-1 电荷量q均匀分布在半径为R的金属圆环上,在环的轴线上有一条均匀带电
7、的直线,单位长度的电荷量为 ,直线的一端在环心,另一端趋向无穷远。试求它们之间的相互作用力。0 x【解】如图,环上电荷元 作用在直线上p处电荷元 上的库仑力为q第13页/共74页14根据对称性,整个圆环的电荷作用在 上的力为故力的方向沿轴线向外(当 时)或向内(当 时)第14页/共74页15第三节第三节 电场电场 电场强度电场强度一、电场静电场:相对于观察者是静止的电荷周围存在的电场.是电磁场的一种特殊形式。2.电场 近代研究表明,任何电荷都在自已周围的空间激发电场,电荷与电荷之间是通过电场发生相互作用的。电 场电荷电荷1.电力如何传递的?历史上两种观点(1)超距作用电荷 电荷;(2)近距作用
8、“电磁以太”。第15页/共74页16二、电场强度 电场中某点的电场强度等于单位电荷在该点所受的电场力.1.试验电荷电量要充分地小,线度足够小.描述电场中各点电场强弱的物理量.2.电场强度定义式q0q0q0q0ABC第16页/共74页173.电场强度的性质是矢量场,位置的函数.(2)(3)电场强度的可叠加性(4)电场强度与电场力的关系(1)由库仑定律知,电场强度的大小和方向仅由场源电荷的分布决定,与试验电荷的引入和大小无关.第17页/共74页18三、电场强度的计算(1)点电荷Q所产生电场的电场强度 是由源电荷Q 指向场点.场强方向是正电荷受力方向.电荷q 在电场中受力(2)点电荷系所产生的电场的
9、电场强度第18页/共74页193.电荷连续分布的带电体所产生的电场强度 电荷连续分布,在带电体上取微元电荷 dq,由点电荷的场强公式写出场强,根据场强叠加原理求矢量和(即求积分)其中体电荷面电荷线电荷直角坐标系下分量形式:第19页/共74页20(电偶极子:一对靠得很近的等量异号的点电荷组成的系统.电偶极矩:,其中 由q 指向+q)例题1 求电偶极子产生的电场强度.+qqo(1)电偶极子轴线延长线上任一点P 的场强【解】P第20页/共74页21(2)电偶极子轴线的中垂线上任一点的场强P+qqo第21页/共74页223.空间任一点PP+qqo如图第22页/共74页23当P 点在连线上正电荷右侧当P
10、 点在连线的中垂线上第23页/共74页24例题2 求均匀带电直线外任一点的场强x0apyL2L1dq【解】1)建立坐标系2)选积分元元电荷的电场强度则为3)分量式第24页/共74页25同理:4)统一积分变量,分别积分第25页/共74页26讨论:1)在导线的中垂线上a0 xdlPx例题1-2-3 求均匀带电圆环轴线上任一点的场强2)3)【解】如图,取则第26页/共74页27由于对称性可知:,故电场沿x 方向1)2)3)讨论:第27页/共74页28例题3 求半径为R,面电荷密度为 的均匀带电圆盘轴线上任一点的场强0 xPdrrxR【解】由对称性可知电场只沿x 轴方向1)成为无限大带电平板成为点电荷
11、的电场2)第28页/共74页29第四、五节第四、五节 电场线电场线 高斯定理高斯定理 1.规定:曲线上每一点的切线方向为电场强度方向。大小为 在垂直于场强方向上单位面积上的电力线数目。2.电力线性质1)静电场电力线始于正电荷(或无穷远)终止于负电荷,不会在没有电荷处中断;2)两条电力线不会相交;3)静电场的电力线不会形成闭合曲线.一、电场线用一簇空间曲线形象地描述场强的分布 为了定量、具体地描述电场中场强空间的分布,法拉第天才地提出了场是由力线或力管组成的思想。几十年后J。J汤姆孙评论说:“在法拉第的许多伟大贡献中,最伟大的一个就是力线概念了“。第29页/共74页303.典型的电力线图形 利用
12、“源”和“旋”的概念,可以把纷繁各异的力场从总体上加以区分和比较。第30页/共74页31二、电通量 受流速场中引入流量的启迪,研究矢量场需要引入一个通量物理量。对电场而言,电通量即为面元 处的电场强度E与该面元矢量 的标积。S通过整个曲面通量则为单位:N.m2.C1根据场强叠加原理,电通量同样满足叠加原理第31页/共74页32通过封闭曲面的通量S约定:面元矢量dS的方向约定为面元dS的法线指向曲面凸 侧一方的方向。电力线穿出,如 处电力线穿入,如 处第32页/共74页33三、静电场的高斯定理 在真空中的静电场中,任一闭合曲面的电通量等于这闭合曲面所包围的电量的代数和除以0。离散场源连续场源q1
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