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1、大學(xué)物理大學(xué)物理B B電磁學(xué)電磁學(xué) 波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 量子初步量子初步電磁學(xué)為基礎(chǔ)電磁學(xué)為基礎(chǔ) 1936年，考古學(xué)家在巴格達(dá)附近挖出了一些銅罐，罐中鋪了瀝青，瀝青上插著鐵條。在大約同一地點(diǎn)，還發(fā)掘出了一些鍍金物品。公元前200年以前電磁學(xué)的發(fā)展電磁學(xué)的發(fā)展伊拉克博物館的藏品：巴格達(dá)電池電池剖面公元前6世紀(jì)古希臘人發(fā)現(xiàn)了琥珀、毛皮等摩擦可以生電，至今英文Electricity的字根，尚是希臘文的琥珀“elektron” 。中國(guó)人很早就知道天然磁石會(huì)吸鐵，帶電物會(huì)吸小物中國(guó)人很早就知道天然磁石會(huì)吸鐵，帶電物會(huì)吸小物體。西漢末年（公元前體。西漢末年（公元前200200年左右）的年左右）的春秋緯春秋緯

2、考異郵考異郵中就有中就有“（玳）瑁吸偌（細(xì)小物體）（玳）瑁吸偌（細(xì)小物體）”的記載。王充的的記載。王充的論衡論衡亂龍篇亂龍篇中有進(jìn)一步的記載：中有進(jìn)一步的記載：“頓牟（即玳瑁）頓牟（即玳瑁）掇芥，磁石引針。掇芥，磁石引針?！?意思是說(shuō)，經(jīng)過(guò)摩擦了的玳瑁（琥意思是說(shuō)，經(jīng)過(guò)摩擦了的玳瑁（琥珀）能吸引芥籽，磁石能吸引鋼針。珀）能吸引芥籽，磁石能吸引鋼針。1734年，法國(guó)人杜菲他發(fā)覺(jué)不管是用什么東西摩出來(lái)的，電只有兩種。他命名之為玻璃電與樹(shù)脂電。 玻璃電：用絲綢摩擦過(guò)的玻璃樹(shù)脂電：用羊皮摩擦過(guò)的琥珀17521752年，年，富蘭克林富蘭克林在大雷雨中放風(fēng)箏，把天上的電，在大雷雨中放風(fēng)箏，把天上的電，收到

3、萊頓瓶中。發(fā)明了避雷針?biāo)⒁獾搅藘煞N電有相互收到萊頓瓶中。發(fā)明了避雷針?biāo)⒁獾搅藘煞N電有相互扺消的現(xiàn)象，所以他建議把玻璃電與樹(shù)脂電改扺消的現(xiàn)象，所以他建議把玻璃電與樹(shù)脂電改名為正電與負(fù)電名為正電與負(fù)電萊頓瓶：荷蘭萊頓大學(xué)教授布洛克1745 1785年庫(kù)倫研究了電荷之間的相互作用：在1785-91年間，他用庫(kù)倫扭稱(chēng)，反復(fù)測(cè)量，終于發(fā)現(xiàn)了庫(kù)倫定律。之后，泊松、高斯等人研究形成了靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)的理論，認(rèn)為電荷間，電流間是一種超距作用。1819年，丹麥哥本哈根大學(xué)教授奧斯特(H. C. Oersted, 1777-1851) 在演講時(shí)表演電流生熱，發(fā)現(xiàn)一根導(dǎo)線(xiàn)中的電流，會(huì)使附近的磁針偏向垂直方向，也就

4、是電流可以產(chǎn)生磁力。 1820年安培發(fā)現(xiàn)了磁鐵對(duì)電流的作用，人們開(kāi)始意識(shí)到電和磁之間有關(guān)系麥克斯韋在前人工作的基礎(chǔ)上，于1856年建立了系統(tǒng)的電磁理論，并指出光是一種電磁波。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，使人們對(duì)電和磁的認(rèn)識(shí)更加深刻。1905年愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，使電磁理論向高速領(lǐng)域發(fā)展。說(shuō)明了電磁場(chǎng)是一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體。當(dāng)然，當(dāng)我們的研究進(jìn)入到量子尺度，就要考慮粒子的量子效應(yīng)，電磁理論也要得到修正，這就是量子電磁物理學(xué)。 電電 磁磁 學(xué)學(xué) （Electromagnetism） 電磁學(xué)研究的是電磁學(xué)研究的是電磁現(xiàn)象電磁現(xiàn)象 電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互聯(lián)系；電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互聯(lián)系； 電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的

5、作用；電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的作用； 電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)。 的的基本概念基本概念和和基本規(guī)律：基本規(guī)律： 電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)和電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的規(guī)律；磁場(chǎng)的規(guī)律； 處理電磁學(xué)問(wèn)題的基本觀點(diǎn)和方法處理電磁學(xué)問(wèn)題的基本觀點(diǎn)和方法著眼于場(chǎng)的分布著眼于場(chǎng)的分布（一般）（一般）歸納歸納假設(shè)假設(shè) 電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容: 靜電學(xué)（真空、介質(zhì)、導(dǎo)體）靜電學(xué)（真空、介質(zhì)、導(dǎo)體） 穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流 穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng) （真空、介質(zhì)）（真空、介質(zhì)） 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波* 對(duì)象：對(duì)象： 彌散于空間的電磁場(chǎng)，彌散于空間的電磁場(chǎng)，方法：方法：

6、 觀點(diǎn)：觀點(diǎn)： 電磁作用是電磁作用是“場(chǎng)場(chǎng)”的作用的作用基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律綜合的普遍規(guī)律綜合的普遍規(guī)律（特殊）（特殊）（近距作用）（近距作用）8-1 電荷電荷 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律1. 電荷電荷摩擦起電和雷電：對(duì)電的最早認(rèn)識(shí)摩擦起電和雷電：對(duì)電的最早認(rèn)識(shí)兩種電荷：正電荷和負(fù)電荷兩種電荷：正電荷和負(fù)電荷電性力：同號(hào)相斥、異號(hào)相吸電性力：同號(hào)相斥、異號(hào)相吸電荷量：物體帶電的多少電荷量：物體帶電的多少 國(guó)際單位：庫(kù)侖國(guó)際單位：庫(kù)侖 Q，q2. 電荷守恒定律電荷守恒定律 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，如果沒(méi)有凈電荷出入其對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，如果沒(méi)有凈電荷出入其邊界，則系統(tǒng)正負(fù)電荷的代數(shù)和保持不邊界，則系統(tǒng)正負(fù)電荷的代數(shù)和

7、保持不變。變。如：如：HeThU422349023892ee電荷守恒定律電荷守恒定律起電機(jī)起電機(jī) e=1.602 10-19庫(kù)侖，為庫(kù)侖，為一個(gè)一個(gè)電子電量電子電量, 3, 2, 1nneq3. 3. 電荷量子化電荷量子化電荷量子化電荷量子化密立根密立根密立根油滴實(shí)驗(yàn)密立根油滴實(shí)驗(yàn)基本電荷測(cè)定基本電荷測(cè)定 宏觀帶電體的帶電量宏觀帶電體的帶電量qe，準(zhǔn)連續(xù)，準(zhǔn)連續(xù) 夸克模型夸克模型-1964-1964年美國(guó)蓋爾曼和茲維格年美國(guó)蓋爾曼和茲維格質(zhì)子中子可再分為夸克，質(zhì)子中子可再分為夸克，但實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)自由夸克（但實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)自由夸克（夸克囚禁夸克囚禁）點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷 沒(méi)有形狀和大小的理想帶電模型沒(méi)有形狀和

8、大小的理想帶電模型可以簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷的條件可以簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷的條件: :Q1rddr觀察點(diǎn)P4. 4. 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律1.庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律：在在真空真空中，兩個(gè)中，兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷靜止點(diǎn)電荷之間相互作用力與這兩個(gè)點(diǎn)電荷的電荷之間相互作用力與這兩個(gè)點(diǎn)電荷的電荷量量q1和和q2的乘積成正比，而與這兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的的乘積成正比，而與這兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的距離距離r12（或（或r21）的平方成反比，作用力的方向沿）的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線(xiàn)，同號(hào)相斥，異號(hào)相吸。著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線(xiàn)，同號(hào)相斥，異號(hào)相吸。4. 4. 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律121212321rrqqkF 1785年

9、，法國(guó)庫(kù)侖（年，法國(guó)庫(kù)侖（C.A.Coulomb)庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律庫(kù)侖庫(kù)侖 表示表示 對(duì)對(duì) 的作用力的作用力 是由點(diǎn)電荷是由點(diǎn)電荷 指向點(diǎn)電荷指向點(diǎn)電荷 的矢量的矢量1q2q12Fr12rr2q1q庫(kù)侖定律說(shuō)明：庫(kù)侖定律說(shuō)明：2.2.單位制有理化單位制有理化 0=8.85 10-12C2m-2 N-14.4.距離平方反比關(guān)系的證明距離平方反比關(guān)系的證明3.3.與萬(wàn)有引力的比較與啟示與萬(wàn)有引力的比較與啟示041k庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律012030iiiiq qFFF.krr rrrr5.5.疊加性疊加性1.1.適用于靜止點(diǎn)電荷適用于靜止點(diǎn)電荷131212012142q qFrr 真空電容率（真空介電常

10、量） 例例8-1 按量子理論，在氫原子中，核外電子快速地運(yùn)按量子理論，在氫原子中，核外電子快速地運(yùn)動(dòng)著，并以一定的概率出現(xiàn)在原子核（質(zhì)子的周?chē)鷦?dòng)著，并以一定的概率出現(xiàn)在原子核（質(zhì)子的周?chē)魈?，在基態(tài)下，電子在半徑各處，在基態(tài)下，電子在半徑0.52910-10的球的球面附近出現(xiàn)的概率最大面附近出現(xiàn)的概率最大.試計(jì)算在基態(tài)下試計(jì)算在基態(tài)下,氫原子內(nèi)電子氫原子內(nèi)電子和質(zhì)子之間的靜電力和萬(wàn)有引力和質(zhì)子之間的靜電力和萬(wàn)有引力,并比較兩者的大小并比較兩者的大小.引引力常數(shù)為力常數(shù)為G=6.6710-11Nm2/kg2 解解: : 按庫(kù)侖定律計(jì)算按庫(kù)侖定律計(jì)算, ,電子和質(zhì)子之間的靜電力為電子和質(zhì)子之間的靜

11、電力為22041reF N210219910529. 01060. 11089. 8N81022. 8庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律應(yīng)用萬(wàn)有引力定律應(yīng)用萬(wàn)有引力定律, , 電子和質(zhì)子之間的萬(wàn)有引力為電子和質(zhì)子之間的萬(wàn)有引力為 NNrmmGF472102731112211063.310529.01067.11011.91067.6 由此得靜電力與萬(wàn)有引力的比值為由此得靜電力與萬(wàn)有引力的比值為391026. 2 gFeF庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律 可見(jiàn)在原子中可見(jiàn)在原子中, ,電子和質(zhì)子之間的靜電力遠(yuǎn)電子和質(zhì)子之間的靜電力遠(yuǎn)比萬(wàn)有引力大比萬(wàn)有引力大, ,由此由此, ,在處理電子和質(zhì)子之間的相在處理電子和質(zhì)子之間的相互作用

12、時(shí)互作用時(shí), ,只需考慮靜電力只需考慮靜電力, ,萬(wàn)有引力可以略去不萬(wàn)有引力可以略去不計(jì)計(jì). . 而在原子結(jié)合成分子而在原子結(jié)合成分子, ,原子或分子組成液體原子或分子組成液體或固體時(shí)或固體時(shí), ,它們的結(jié)合力在本質(zhì)上也都屬于電性它們的結(jié)合力在本質(zhì)上也都屬于電性力力. .庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律例例8-2 設(shè)原子核中的兩個(gè)質(zhì)子相距設(shè)原子核中的兩個(gè)質(zhì)子相距4.010-15m,求此求此兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電力兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電力. NrqqFe14100 . 4106 . 1100 . 94121521992210 可見(jiàn)可見(jiàn), ,在原子核內(nèi)質(zhì)子間的斥力是很大的。在原子核內(nèi)質(zhì)子間的斥力是很大的。 質(zhì)子質(zhì)子之所以

13、能結(jié)合在一起組成原子核之所以能結(jié)合在一起組成原子核, ,是由于核內(nèi)除了有這是由于核內(nèi)除了有這種斥力外還存在著遠(yuǎn)比斥力為強(qiáng)的引力種斥力外還存在著遠(yuǎn)比斥力為強(qiáng)的引力_核力的緣故。核力的緣故。上述兩個(gè)例題上述兩個(gè)例題, ,說(shuō)明了說(shuō)明了原子核的結(jié)合力遠(yuǎn)大于原子的結(jié)原子核的結(jié)合力遠(yuǎn)大于原子的結(jié)合力合力, , 原子的結(jié)合力又遠(yuǎn)大于相同條件下的萬(wàn)有引力原子的結(jié)合力又遠(yuǎn)大于相同條件下的萬(wàn)有引力。解解: :兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電力是斥力兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電力是斥力, ,它的大小按庫(kù)它的大小按庫(kù)侖定律計(jì)算為侖定律計(jì)算為庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律例例8-3 在圖中在圖中, 三個(gè)點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別為三個(gè)點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別為q

14、1=-86 C,q2=50 C,q3=65 C。各電荷間的距離如。各電荷間的距離如圖所示。求作用在圖所示。求作用在q3上合力的大小和方向。上合力的大小和方向。解解: :選用如圖所示的直角坐標(biāo)系。選用如圖所示的直角坐標(biāo)系。q2q1q3 F31F32F30.4m0.52m0.3mijx庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律 313070yFF sinN 電荷電荷q2作用于電荷作用于電荷q3上的力上的力 的大小為的大小為32F NNF1406 .0106 .8105 .6100 .9255931 3130120 xFF cosN 力力 沿沿x軸和軸和y軸的分量分別為軸的分量分別為31F31F按庫(kù)侖定律可算得按庫(kù)侖定律可算

15、得q q1 1作用于電荷作用于電荷q q3 3上的上的 的大小為的大小為庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律jFFiFFFFFyyxx 32313 NNF3253 . 0100 . 5105 . 6100 . 9255932力力 沿沿x x軸和軸和y y軸的分量分別為軸的分量分別為32F0 xFNFy325 根據(jù)靜電力的疊加原理根據(jù)靜電力的疊加原理, ,作用于電荷作用于電荷q q3 3上的合力為上的合力為合力合力 的大小為的大小為3FNNFFFyx8 .28125512022223Nji)255120(庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律08 .64arctan xyFF 合力合力 與與x軸的夾角為軸的夾角為3F 可見(jiàn)可見(jiàn), ,由庫(kù)

16、侖定律算出的作用力是不小的由庫(kù)侖定律算出的作用力是不小的, ,在距離在距離一定時(shí)一定時(shí), ,它與帶電體所帶電荷量相關(guān)。例如兩個(gè)各帶電它與帶電體所帶電荷量相關(guān)。例如兩個(gè)各帶電荷量為荷量為1 1C C的帶電體的帶電體, ,當(dāng)它們相距當(dāng)它們相距1m1m時(shí)時(shí), ,根據(jù)庫(kù)侖定律算根據(jù)庫(kù)侖定律算出其作用力達(dá)出其作用力達(dá)9.09.010109 9 N N, ,然而然而, ,通常在實(shí)驗(yàn)室里通常在實(shí)驗(yàn)室里, ,利用利用摩擦起電使物體能獲得的電荷量的數(shù)量級(jí)只是摩擦起電使物體能獲得的電荷量的數(shù)量級(jí)只是1010-6-6C,C,此時(shí)相距此時(shí)相距1m1m時(shí)的靜電力僅為時(shí)的靜電力僅為1010-2-2 N N的數(shù)量級(jí)的數(shù)量級(jí), ,這就是說(shuō)