第九章真空中的静电场精选PPT.ppt
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1、第九章真空中的静电场第1页,本讲稿共124页早期,磁学与电学是两门独立、平行的学科。早期,磁学与电学是两门独立、平行的学科。两个重要的实验:两个重要的实验:电流的磁效应电流的磁效应(1820,(1820,奥斯特奥斯特)和变化和变化的的磁场的电效应磁场的电效应(电磁感应电磁感应18311831,法拉第,法拉第)。电磁学发展成为物理学中一个完整的分支学科。电磁学发展成为物理学中一个完整的分支学科。发展历史发展历史 人类对电磁现象及其规律和本质的认识与探索经历了漫长的历史过程。麦克斯韦麦克斯韦引入感生电场和位移电流的概念,建立了引入感生电场和位移电流的概念,建立了Maxswell方程组方程组经典经典
2、电磁学的基本方程电磁学的基本方程(1865)(1865)。2第2页,本讲稿共124页1600年,吉尔伯特 VersoriumA 输出端子铝球或钢球B 上电刷一段细金属导线C 上滚轴D 传送带E 电机F 下电刷G 下滚轴范德格拉夫起电机范德格拉夫起电机3第3页,本讲稿共124页内部导体内部导体外部导体外部导体玻璃玻璃莱顿瓶莱顿瓶(1746)(1746)静电感应现象4第4页,本讲稿共124页一一.静电场及基本性质静电场及基本性质二二.恒定电流与稳恒磁场的基本性质及规律恒定电流与稳恒磁场的基本性质及规律 三三.电磁感应现象及规律电磁感应现象及规律内容:介绍宏观电磁场的基本规律和客观物内容:介绍宏观电
3、磁场的基本规律和客观物质的电磁性质。质的电磁性质。真空中的静电场导体和电介质5第5页,本讲稿共124页第五章6第6页,本讲稿共124页主要内容主要内容11库仑定律库仑定律22静电场静电场 电场强度电场强度33高斯定律高斯定律44电势电势7第7页,本讲稿共124页教学基本要求教学基本要求 五五 理解理解电势梯度与场强之间的关系,掌握由电势求电势梯度与场强之间的关系,掌握由电势求场强的方法场强的方法.一一 了解了解电荷及性质;电荷及性质;掌握掌握库仑定律库仑定律.二二 理解理解电场的概念;明确电场的矢量性和可叠电场的概念;明确电场的矢量性和可叠加性;会利用电场叠加原理求解简单带电体的电场分加性;会
4、利用电场叠加原理求解简单带电体的电场分布布.三三 理解理解高斯定理的物理意义;能够利用高斯定理高斯定理的物理意义;能够利用高斯定理求解特殊场分布求解特殊场分布.四四 掌握掌握求解电势的两种方法:电势的积分定义式求解电势的两种方法:电势的积分定义式法和电势叠加法法和电势叠加法.8第8页,本讲稿共124页9第9页,本讲稿共124页9.1.1 电荷电荷一、电荷的种类一、电荷的种类二、电荷的量子化二、电荷的量子化在自然界中,电荷Q总是以一确定基本单元e的整数倍出现。10第10页,本讲稿共124页近代物理从理论上预言基本粒子由若干种夸克或反夸克组成,每一个夸克或反夸克可能带有 e或 e的电量,然而至今单
5、独存在的夸克尚未在实验中发现。美国物理学家盖尔曼盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929-)于1964年提出的夸克模型夸克模型底底 奇奇 下下顶顶 魅魅 上上质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克。11第11页,本讲稿共124页三、电荷守恒定律三、电荷守恒定律在在孤立孤立系统中系统中,正、负电荷的代数和保持不变正、负电荷的代数和保持不变.(自然界的基本守恒定律之一)(自然界的基本守恒定律之一)正、负电子对的湮灭与产生正、负电子对的湮灭与产生四、电荷量的相对论不变性四、电荷量的相对论不变性五、电荷的对称性五、电荷
6、的对称性对于每种带电的基本粒子,必然存在与之对应的、带等量对于每种带电的基本粒子,必然存在与之对应的、带等量异号电荷的另一种基本粒子异号电荷的另一种基本粒子反粒子反粒子。12第12页,本讲稿共124页9.1.2 库仑定律库仑定律一、真空中的库仑定律一、真空中的库仑定律 SI制制 点电荷模型点电荷模型相对于要研究的问题,其大小和形状可以忽略的带电体。13第13页,本讲稿共124页(为真空电容率)令14第14页,本讲稿共124页(2)库仑定律指出两静止电荷间的作用力是库仑定律指出两静止电荷间的作用力是有心力有心力讨论讨论(1)库仑定律成立的条件是库仑定律成立的条件是真空真空和和静止静止静止:静止:
7、两个电荷相对静止相对静止,且相对于观察者静止且相对于观察者静止;可放宽为静止的源电荷对运动电荷的作用力。但不能推广至运动电荷对静止电荷的作用力。力的大小与两电荷间的距离服从平方反比律平方反比律。(3)库仑定律是一条库仑定律是一条实验定律实验定律(4)库仑定律给出的平方反比律中,库仑定律给出的平方反比律中,r 值的范围相当大值的范围相当大近代物理实验表明,r 的数量级可在1017 107m范围。(5)库仑定律适用于库仑定律适用于点电荷,故点电荷,故 r 永不趋于零永不趋于零15第15页,本讲稿共124页当存在两个以上电荷时,只存在当存在两个以上电荷时,只存在两两之间两两之间的作用的作用,即,即某
8、一点电荷所受总的作用力等于其它各个点电荷单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和库仑力的叠加原理库仑力的叠加原理F1F2二、库仑力的叠加原理二、库仑力的叠加原理16第16页,本讲稿共124页对于电荷连续分布的有限大小的带电体,可将其视为由许多对于电荷连续分布的有限大小的带电体,可将其视为由许多电荷元所组成的电荷系统电荷元所组成的电荷系统。电荷元电荷元dq 对对q0的作用力的作用力dF为为根据电力叠加原理:根据电力叠加原理:(矢量积分)(矢量积分)基本特征:基本特征:17第17页,本讲稿共124页18解 例例 在氢原子内在氢原子内,电子和质子的间距为电子和质子的间距为 .求它们之间电相互作用和万有引
9、力求它们之间电相互作用和万有引力,并比较它们的大小并比较它们的大小.(微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.)第18页,本讲稿共124页已知两杆电荷线密度为,长度为L,相距L 解例两带电直杆间的库仑力。求L3L2LxOdq 对dq 的力为:dq所受的力为:第19页,本讲稿共124页20第20页,本讲稿共124页历史上存在着两种作用的争论:超距作用:不需要任何媒介,也不需要时间的超距作用:不需要任何媒介,也不需要时间的传递。传递。即相互作用力以即相互作用力以无限大速度无限大速度在两物体间直接传递。在两物体间直接传递。电荷电荷电荷电荷 近距作用:通过接触或媒介,作用需要时间。近距作用:通
10、过接触或媒介,作用需要时间。最初认为媒介是“以太以太”。1887年A.A.Michelson与E.W.Morley合作实验得到“零零”结果结果,否定了“以太”的存在。1907年诺贝尔奖1.相互作用的传递相互作用的传递9.2.1 电场电场 电场强度电场强度21第21页,本讲稿共124页2.场的提出,法拉第的力线思想场的提出,法拉第的力线思想Faraday近距作用观点的场场论思想多用力线力线表达,也称为力线思想。W.Thomson指出:“在Faraday的许多贡献中,最伟大的一个就是力线概念了。我想,借助于它就可以把电场和磁场的许多性质,最简单而又极富启发性地表示出来。”3.电场电场以太并不存在,
11、电力(磁力)通过电场(磁场)传递。凡以太并不存在,电力(磁力)通过电场(磁场)传递。凡是有电荷的地方,周围就存在电场。是有电荷的地方,周围就存在电场。电场对处在场内的其他电荷有力作用。电荷受到电场的作用力仅电场对处在场内的其他电荷有力作用。电荷受到电场的作用力仅由该电荷由该电荷所在处的电场决定所在处的电场决定,与其他地方的电场无关,这就是场的观点。,与其他地方的电场无关,这就是场的观点。电荷电荷电场电场电荷电荷即开尔文勋爵22第22页,本讲稿共124页电荷会在其周围激发电场,该电场对处在其中的任何电荷都有作用力4.静电场静电场静电场对其他电荷的作用力就是静电力。或23第23页,本讲稿共124页
12、二、电场强度的定义二、电场强度的定义电场中某点处的电场强度 等于位于该点处的单位试验电荷所受的力,其方向为正电荷受力方向.电荷 在电场中受力 试验电荷:电荷量足够小,线度足够小。故对原电场几乎无影响,且可反映空间点的情况。:场源电荷:试验电荷单位 或或24第24页,本讲稿共124页检验电荷在电场中不同位置的受力情况检验电荷在电场中不同位置的受力情况(场源电荷与检验电荷均为正)(场源电荷与检验电荷均为正)P2q0P6塑料支柱塑料支柱qP1P4P3q0P525第25页,本讲稿共124页请选择你认为是对的答案请选择你认为是对的答案(1)E E 与与 q q0 0 成反比,因为成反比,因为公式中公式中
13、 q q0 0 出现在分母上。出现在分母上。电场强度电场强度的物理意义表明的物理意义表明(2)E E 与与 q q0 0 无关,因为分子无关,因为分子 F F 中含有中含有 q q0 0 因子。因子。26第26页,本讲稿共124页9.2.2 电场强度的叠加原理电场强度的叠加原理合库仑力合库仑力合场强合场强29第29页,本讲稿共124页9.2.3 电场强度的计算电场强度的计算一、点电荷的电场一、点电荷的电场30第30页,本讲稿共124页讨论讨论若若 q 0,沿沿 方向;方向;若若 q 0)或其反或其反方向方向(q 0)。2.的大小只与距离的大小只与距离 r 有关。有关。与与 r2 成反比,成反比
14、,思考:思考:31第31页,本讲稿共124页二、点电荷系的电场二、点电荷系的电场三、连续带电体的电场三、连续带电体的电场32第32页,本讲稿共124页 电荷密度电荷密度体电荷密度:体电荷密度:面电荷密度:面电荷密度:线电荷密度:线电荷密度:33第33页,本讲稿共124页四、几种典型带电系统的电场四、几种典型带电系统的电场电偶极矩(电矩)1.电偶极子的电场强度电偶极子的电场强度(1)电偶极子轴线延长线上一点的电场强度34第34页,本讲稿共124页35第35页,本讲稿共124页(2)电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度36第36页,本讲稿共124页37第37页,本讲稿共124页(3)空间任意一点的
15、电场强度其中:38第38页,本讲稿共124页yxL均匀带电直线中垂线上的场强dEdExdEyxPdlldEdl例例1-4-1 求一均匀带电直线中垂线上的场强。今设一均匀带电直线,长为L,线电荷密度为 ,求直线中垂线上一点的场强。r39第39页,本讲稿共124页解:解:在棒上任取长度 的线元 dl,其电量为 由对称性分析可知,P 点的总场强 E 方向应沿 x 轴方向,即而由于40第40页,本讲稿共124页将代入,得:方向垂直于带电直线而指向远离直线的一方41第41页,本讲稿共124页(1)当 x L 时,时,说明:说明:离带电直线很远处该带电直线的电场相当于一个点离带电直线很远处该带电直线的电场
16、相当于一个点电荷电荷 q 的电场。的电场。43第43页,本讲稿共124页由对称性有解:解:例例2 在垂直于均匀带电圆环的轴上的场强。一均匀带电细圆环,半径为 R,总电量为 q,求圆环轴线上任一点的场强。44第44页,本讲稿共124页45第45页,本讲稿共124页(1)(点电荷电场强度)(2)(3)讨论:讨论:46第46页,本讲稿共124页有一半径为 ,电荷均匀分布的薄圆盘,其电荷面密度为 。求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点处的电场强度。解:解:由上例例例3 在垂直于均匀带电圆盘的轴上的场强。47第47页,本讲稿共124页48第48页,本讲稿共124页(点电荷电场强度)无限大均匀带电平面的电
17、场强度讨论:讨论:49第49页,本讲稿共124页结论:结论:在一无限大均匀带电平面附近,电场是一个均匀场,各点场强的方向都垂直于平面而相互平行。“无限大”均匀带电平面的电场讨论讨论50第50页,本讲稿共124页思考:思考:已知两个均匀的、分别带上等量正、负电荷的平行平面(即面电荷密度大小相同),求这一带电系统的电场分布。结论:电场全部集中于两平面之间,而且是均匀电场。利用电场叠加原理利用电场叠加原理局限于上述区域内的电场,称为无限大均匀带电平行平面的电场。51第51页,本讲稿共124页5.2.4 匀强电场对电偶极子的作用匀强电场对电偶极子的作用若在非匀强电场中若在非匀强电场中稳定平衡非稳定平衡
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