電荷的庫(kù)侖定理

1、1中科院高能物中科院高能物理研究所的北理研究所的北京質(zhì)子直線加京質(zhì)子直線加速器的注入器速器的注入器高壓倍壓加高壓倍壓加速器速器2電與磁：物理學(xué)的第二次大綜合電與磁：物理學(xué)的第二次大綜合18311831法拉第法拉第的電磁感應(yīng)定律：的電磁感應(yīng)定律： 電磁一體電磁一體. .18651865麥克斯韋麥克斯韋電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論（電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論（19世紀(jì)中葉）世紀(jì)中葉）18881888赫茲赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)電磁波的存在，光是電在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)電磁波的存在，光是電磁波磁波. . 重要意義：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、無(wú)線電技術(shù)等重要意義：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、無(wú)線電技術(shù)等. .17851785庫(kù)侖庫(kù)侖定律：定律： 電荷與電荷間的相互作

2、用電荷與電荷間的相互作用. . 1820 1820奧斯特奧斯特的發(fā)現(xiàn)：的發(fā)現(xiàn)： 電流的磁效應(yīng)電流的磁效應(yīng). .1821-18251821-1825安培安培發(fā)現(xiàn)電流與電流發(fā)現(xiàn)電流與電流 間的相互作用規(guī)律間的相互作用規(guī)律. . 345物質(zhì)的結(jié)構(gòu)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)6 原子是電中性的，原子核中的中子不帶原子是電中性的，原子核中的中子不帶電，質(zhì)子帶正電，核外電子帶負(fù)電，并且所電，質(zhì)子帶正電，核外電子帶負(fù)電，并且所帶電量的絕對(duì)值相等。自然界中有兩種電荷帶電量的絕對(duì)值相等。自然界中有兩種電荷: 正電荷、負(fù)電荷。正電荷、負(fù)電荷。一、電荷量子化一、電荷量子化 密立根用液滴法測(cè)定了電子電荷。電子密立根用液滴法測(cè)定了電子電

3、荷。電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷。是自然界中存在的最小負(fù)電荷。 e =1.6021773310-19庫(kù)侖庫(kù)侖(C) 1986年推薦值為年推薦值為 7 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明, 微小粒子帶電量的變化是不微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的連續(xù)的, 它只能是元電荷它只能是元電荷 e 的整數(shù)倍的整數(shù)倍 。 帶電粒子的電荷是量子化的。帶電粒子的電荷是量子化的。 Q = n e ; n = 1, 2 , 3 點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷（1）帶電體的大小、形狀可以忽略。）帶電體的大小、形狀可以忽略。（2）把帶電體視為一個(gè)帶電的幾何點(diǎn)。）把帶電體視為一個(gè)帶電的幾何點(diǎn)。8 19071913年間做了一連串實(shí)年間做了一連串實(shí)驗(yàn)，用帶電油

4、滴準(zhǔn)確地測(cè)定電子驗(yàn)，用帶電油滴準(zhǔn)確地測(cè)定電子的電荷值，還驗(yàn)證了的電荷值，還驗(yàn)證了A.愛因斯坦愛因斯坦的的光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程，取得了，取得了普朗克普朗克常數(shù)常數(shù)的精密數(shù)值。因在的精密數(shù)值。因在基本電荷基本電荷和光電效應(yīng)方面的研究而獲得和光電效應(yīng)方面的研究而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根（美國(guó)物理學(xué)家）密立根（美國(guó)物理學(xué)家）9 電荷守恒定律適用于一切宏觀和微觀電荷守恒定律適用于一切宏觀和微觀過(guò)程過(guò)程(例如核反應(yīng)和基本粒子過(guò)程例如核反應(yīng)和基本粒子過(guò)程)。二、二、電荷守恒定律電荷守恒定律 一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi), 正、負(fù)正、負(fù)電荷的代

5、數(shù)和在任何物理過(guò)程中保持不變。電荷的代數(shù)和在任何物理過(guò)程中保持不變。 電荷守恒定律是自然界中普遍存在的基電荷守恒定律是自然界中普遍存在的基本定律之一。本定律之一。 三三、電荷的相對(duì)論不變性電荷的相對(duì)論不變性電荷的產(chǎn)生和湮滅電荷的產(chǎn)生和湮滅10庫(kù)侖庫(kù)侖 (C.A.Coulomb 1736 1806） 法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)物理學(xué)家，17851785年通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立庫(kù)年通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立庫(kù)侖定律侖定律, , 使電磁學(xué)的研使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段究從定性進(jìn)入定量階段. . 電荷的單位庫(kù)侖以他的電荷的單位庫(kù)侖以他的姓氏命名。姓氏命名。11在細(xì)銀絲下懸掛一根絕在細(xì)銀絲下懸掛一根絕緣棒，棒的一端是一個(gè)

6、緣棒，棒的一端是一個(gè)帶電的小球帶電的小球A，另一端是，另一端是一個(gè)不帶電的球一個(gè)不帶電的球B，B與與A所受的重力平衡。為了所受的重力平衡。為了研究研究帶電體帶電體之間的作用之間的作用力，把另一個(gè)帶電的金力，把另一個(gè)帶電的金屬球?qū)偾駽插入容器并使它靠插入容器并使它靠近球近球A12r 在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的靜電在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的靜電作用力與這兩個(gè)點(diǎn)電荷所帶電量的乘積成作用力與這兩個(gè)點(diǎn)電荷所帶電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，作正比，與它們之間距離的平方成反比，作用力的方向沿著兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線。用力的方向沿著兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線。1q2q210r02122121rrqqkF電

7、荷電荷q1 對(duì)對(duì)q2 的作用力的作用力F2121F三、庫(kù)侖定律三、庫(kù)侖定律13電荷電荷q2對(duì)對(duì)q1的作用力的作用力F12 01222112rrqqkF1q2qr120r12F041k真空中電容率。真空中電容率。 F/m1085418782. 8120140221041rrqqF(1) 庫(kù)侖定律適用于真空中的點(diǎn)電荷。庫(kù)侖定律適用于真空中的點(diǎn)電荷。(2) 庫(kù)侖力滿足牛頓第三定律庫(kù)侖力滿足牛頓第三定律 (3) 電荷之間距離小于電荷之間距離小于 時(shí)時(shí),庫(kù)侖定庫(kù)侖定律仍保持有效。至于大距離方面律仍保持有效。至于大距離方面, 雖然未作過(guò)雖然未作過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 但也并沒(méi)有特殊的理由預(yù)料在大距但也并沒(méi)有

8、特殊的理由預(yù)料在大距離情況下庫(kù)侖定律將失效。離情況下庫(kù)侖定律將失效。m10101221FF討論討論 1516例例 氫原子中電子和質(zhì)子的距離為氫原子中電子和質(zhì)子的距離為 。 解解N101 . 8)103 . 5 ()106 . 1 (100 . 94182112199220reFe求求 此兩粒子間的電力和萬(wàn)有引力。此兩粒子間的電力和萬(wàn)有引力。m103 . 511兩粒子間的靜電力大小為兩粒子間的靜電力大小為兩粒子間的萬(wàn)有引力兩粒子間的萬(wàn)有引力大小大小為為2112731112)103 . 5(107 . 1101 . 9107 . 6rmmGFpegN107 . 347萬(wàn)電FF 17解解220)2

9、(41reFe兩粒子間的靜電力大小為兩粒子間的靜電力大小為例例 假設(shè)兩個(gè)假設(shè)兩個(gè)粒子相距粒子相距10-13m，試計(jì)算它們之，試計(jì)算它們之間的靜電引力大小，并和它們之間的萬(wàn)有引力間的靜電引力大小，并和它們之間的萬(wàn)有引力大小比較。已知大小比較。已知粒子帶電量為粒子帶電量為2e，質(zhì)量為，質(zhì)量為6.6810-27kg。 萬(wàn)有引力常數(shù)萬(wàn)有引力常數(shù)G = 6.6710-11m3kg-1s-2。N1022. 9)10()106 . 12(100 . 92213219918兩粒子間的萬(wàn)有引力為兩粒子間的萬(wàn)有引力為221rmmGF N1098. 237萬(wàn)電FF 21322711)10()1068. 6(107 . 619解解N104 . 34132caca0carqqF由庫(kù)侖定律由庫(kù)侖定律例例 已知帶電粒子已知帶電粒子 a、b、c， 所帶電量分別為所帶電量分別為qa=3.0C， qb=-6.0C， qc=-2.0C。試求帶電。試求帶電粒子粒子 a 和和 b 對(duì)對(duì) c 的作用力。的作用力