J物理學(xué)與人類文明J

1、2020/10/27,DUT 余 虹,1,從宇宙到夸克,作者 余 虹,2020/10/27,DUT 余 虹,2,矢量運(yùn)算簡介,矢量的表達(dá)形式 矢量表達(dá)形式中的要素 矢量的坐標(biāo)分解 矢量的加法交換率 矢量的平行四邊形運(yùn)算證明 矢量加法運(yùn)算的三角形表達(dá) 矢量的坐標(biāo)分解運(yùn)算 矢量加法的坐標(biāo)分解運(yùn)算,2020/10/27,DUT 余 虹,3,矢量有大小又有方向的量。,A,1.矢量加（減）法,2020/10/27,DUT 余 虹,4,2.矢量的正交分解,mg,2020/10/27,DUT 余 虹,5,3.矢量的標(biāo)積（點(diǎn)積）,2020/10/27,DUT 余 虹,6,4.矢量的矢積（叉積）,方向,大小,2

2、020/10/27,DUT 余 虹,7,第3章 探索光與電的秘密,2020/10/27,DUT 余 虹,8,自然界中的閃電 宇宙中大規(guī)模的電荷遷移 身體上的靜電 摩擦起電 神經(jīng)活動電現(xiàn)象 電流傳導(dǎo),探索電現(xiàn)象-生活中的電現(xiàn)象,2020/10/27,DUT 余 虹,9,歷史電現(xiàn)象-發(fā)展中的認(rèn)識,西漢論衡中也有“頓牟掇芥”-摩擦起電 王充在論衡雷虛篇中寫道：“云雨至則雷電擊”，明確地提出云與雷電之間的關(guān)系。 早在3000多年前的殷商時期，甲骨文中就有了“雷”及“電”的形聲字。西周初期，在青銅器上就已經(jīng)出現(xiàn)加雨字偏旁的“電”字。 從天上取電-本杰明.富蘭克林 1752年7月的一天，雷電交加，富蘭克林

3、帶著兒子，拿著風(fēng)箏到野地，靠一要金屬根把閃電引到銅鑰匙上，他冒著生命危險把手指接近銅鑰匙，二者之間立刻閃出了火花，他高興地大喊起來：“我受到電擊了！我終于證明了：閃電就是電！”之后，他又發(fā)明了避雷針,2020/10/27,DUT 余 虹,10,探索電現(xiàn)象原子結(jié)構(gòu)和靜電,原子是由原子核電子構(gòu)成 不同種類原子作用力不同 問:是否所有的不同種類的原子之間半徑相同 問:是否各種原子的核外電子數(shù)相同 問:是否各種原子核都有同樣的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù),2020/10/27,DUT 余 虹,11,靜電的危害和應(yīng)用,避免雷擊 擊穿電子元件 碰門把手受到驚嚇 引起火災(zāi) 靜電復(fù)印機(jī) 靜電植絨 靜電除塵,2020/10/

4、27,DUT 余 虹,12,靜電現(xiàn)象的理論研究,單位正電荷 靜電力庫侖力 勢能參考無窮遠(yuǎn)處勢能為零 考慮 描述電流最少需要那些因素,2020/10/27,DUT 余 虹,13,宏觀帶電體電量 是e 的整數(shù)倍。,夸克 ,1. 電荷的量子性,電子電量,一、 電荷與 電現(xiàn)象,3.1 電與磁,3.1.1 “統(tǒng)治”現(xiàn)代世界的電,質(zhì)子電量,同號電荷相排斥；異號電荷相吸引。,電場,通過場相互作用,2020/10/27,DUT 余 虹,14,2. 電荷守恒定律,電絕緣系統(tǒng)中，電荷 的代數(shù)和保持常量。,電子對湮滅,電子對產(chǎn)生,3. 電荷相對論不變性,電荷為Q,電荷為Q, ,2020/10/27,DUT 余 虹,

5、15,電荷1 受電荷2 的力,有理化,真空中的介電常數(shù),兩個點(diǎn)電荷之間的作用力，不會因為第三個電荷的存在而改變,疊加原理,二、電場強(qiáng)度,庫侖定律,1.電相互作用,2020/10/27,DUT 余 虹,16,Q0 ,線度足夠地小場點(diǎn)確定。,1. 要求試驗電荷,大小：單位電荷受力,方向：正電荷受力,單位：N/C或V /m,空間一點(diǎn)的電場強(qiáng)度單位正電荷所受的力。,定義,2. Q0只是使場顯露出來，即使無Q0 電場也存在。,電量充分地小不至于使源電荷重新分布。,說明,實驗電荷,2.電場強(qiáng)度,2020/10/27,DUT 余 虹,17,氫原子原子中庫侖力和萬有引力的比較,2020/10/27,DUT 余

6、 虹,18,3. 點(diǎn)電荷的電場特點(diǎn),電力線：起于正電荷至于負(fù)電荷,說 明,2.在電場中釋放電荷，正電荷沿著電力線運(yùn)動，負(fù)正電荷逆著電力線運(yùn)動。,點(diǎn)電荷場的電力線射線,1.電力線切線方向是場強(qiáng)的方向，疏密程度表征場強(qiáng)的大小。任何兩條電場線不會在無電荷處相交。,2020/10/27,DUT 余 虹,19,電場線的分布,2020/10/27,DUT 余 虹,20,方向,試驗電荷受力,場強(qiáng)疊加原理,由定義,4.電場疊加原理,2020/10/27,DUT 余 虹,21,例題,已知電荷Q12C，位置（0，0，0）；Q23C，位置（0，-2，0）；求電場強(qiáng)度:（1）Pa點(diǎn)（0，1，0）（2）Pb點(diǎn)（0，0，

7、2）,Pb,Q2 Q1, ,Pa,Pa:,Pb:,2020/10/27,DUT 余 虹,22,例題,求：電偶極子中垂面上任意點(diǎn)的場強(qiáng)。,解,定義：偶極矩,r l,r+= r- r, ,2020/10/27,DUT 余 虹,23,例題,求：電荷線密度 為的無限長均勻帶電細(xì)棒，離棒垂直距離為a處電場強(qiáng)度。,由對稱性知道電場強(qiáng)度只能沿垂直棒的方向。,2020/10/27,DUT 余 虹,24,已知：總電量Q ；半徑R 。 求： 均勻帶電圓環(huán)軸線上的場強(qiáng)。,（2）R x,（1）,討論：,R,例題,2020/10/27,DUT 余 虹,25,已知：總電量Q ；半徑R 。 求： 均勻帶電圓盤軸線上的場強(qiáng)。

8、,當(dāng)R x,無 限 大 帶電平面場強(qiáng),例題,2020/10/27,DUT 余 虹,26,2帶正電荷的質(zhì)點(diǎn)，在電場力作用下運(yùn)動軌跡如圖所示，已知速率是遞增，定性畫出場強(qiáng)方向,例題,1.電量Q 相同， M、N處的粒子哪個受力大？,Q,2020/10/27,DUT 余 虹,27,二、電勢,H2,2.電勢能與電勢,H1,M,重力做功,重力勢能,電場力做功,電勢能,電勢,1.重力勢能,把單位正電荷在電場中某處時，系統(tǒng)具有的電勢能,1 Q,2 ,2020/10/27,DUT 余 虹,28,U 1 U 2,Q 0 A 0,Q 0 A 0,在靜電場中釋放正電荷向電勢低處運(yùn)動。,在靜電場中釋放正電荷沿電力線運(yùn)動

9、。,結(jié)論 電力線指向電勢減弱的方向。,3. 電勢差與電場力的功,電勢差單位正電荷從1到2，電場力做的功。,4. 電勢疊加原理,點(diǎn)電荷電場的電勢,N個點(diǎn)電荷電場的電勢,2020/10/27,DUT 余 虹,29,3.1.2 雷電的形成與大氣電場,電離層,一、大氣電場,大氣電場,二、雷電, , ,2020/10/27,DUT 余 虹,30,地南極 地北極,17世紀(jì)以前，人們普遍認(rèn)為：電與磁無關(guān)！,1731年 英國商人,雷電后，刀叉帶磁性！,1751年富蘭克林,萊頓瓶放電后，縫衣針磁化了！,一、磁力與磁現(xiàn)象,3.1.3 無處不在的磁,N S,S N,11,2020/10/27,DUT 余 虹,31,

10、1820年4月奧斯忒在哥本哈根大學(xué)講學(xué),電與磁,奧斯忒,接通電源時，放在邊上的磁針,I,1820年7月21日，以拉丁文報導(dǎo)了60次實驗的結(jié)果。,二、電流產(chǎn)生磁場,2020/10/27,DUT 余 虹,32,I,畢奧-薩伐爾定律,真空磁導(dǎo)率,疊加原理,P,P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度=？,（1）一小段電流元的磁感應(yīng)強(qiáng)度,（2）整根電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,（3）多根電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,2020/10/27,DUT 余 虹,33,求：無限長直線電流的磁場分布。,I,方向 ,O,方向： 右手定則,P,例題,2020/10/27,DUT 余 虹,34,求：圓電流軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,例題,2020/10/27,DU

11、T 余 虹,35,I,a,b,I dl,求：一段圓弧電流在其曲率中心處的磁場。,R,方向 ,解：, o,例題,想一想,2020/10/27,DUT 余 虹,36,由上題結(jié)果,I,例題,求：半徑為R,電流強(qiáng)度為I的圓電流中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,R,解：判斷方向,定義磁矩,S N,吸引,排斥,同向電流相吸引,異向電流相排斥,2020/10/27,DUT 余 虹,37, ,1.在 均勻磁場,勻速直線運(yùn)動,磁力提供向心力。,周期,勻速率圓周運(yùn)動,軌跡？,三、磁場對帶電粒子的作用,與速度無關(guān)。,返回2,洛倫茲力對帶電粒子不做功,2020/10/27,DUT 余 虹,38, ,例題,利用帶電粒子在磁場中的軌

12、跡，判斷粒子的狀況。,判斷粒子帶電的正負(fù)性,若m1=m2，判斷粒子帶電 量的大小,1 2,q10， q20,若q1q2，判斷粒子質(zhì)量的大小,R1q2, R1 R2 ， m1m2,2020/10/27,DUT 余 虹,39,螺旋運(yùn)動,粒子束發(fā)散角不大、速度相近， v/ 幾乎相等時,勻速率圓周運(yùn)動+勻速直線運(yùn)動,半徑,周期,磁聚焦,螺距,2020/10/27,DUT 余 虹,40,（3）地磁場內(nèi)的范艾侖輻射帶,2.非均勻磁場,（1）磁鏡,（2）磁瓶,60000km,800 km,4000km,用于高溫等離子磁約束,（也是螺旋運(yùn)動，R 、h 都在變化）,2020/10/27,DUT 余 虹,41,3.極光,2020/10/27,DUT 余 虹,42,用質(zhì)譜儀測帶電粒子的荷質(zhì)比(q/m),實驗：加速電壓U，均勻磁場B，粒子垂直入射，進(jìn)口到膠片記錄位置間距為x，計算粒子的q/m值。,解：粒子進(jìn)質(zhì)譜儀時動能,進(jìn)磁場后做勻速率圓周運(yùn)動，,U,返回2,例題,S,2020/10/27,DUT 余 虹,43,1.電子的軌道運(yùn)動小電流圈。,四、磁鐵的磁性與電流,2.分子分子電流圈。,3.非鐵磁質(zhì)分子排