庫(kù)侖定律 電場(chǎng)強(qiáng)度_第1頁(yè)
庫(kù)侖定律 電場(chǎng)強(qiáng)度_第2頁(yè)
庫(kù)侖定律 電場(chǎng)強(qiáng)度_第3頁(yè)
庫(kù)侖定律 電場(chǎng)強(qiáng)度_第4頁(yè)
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庫(kù)侖定律電場(chǎng)強(qiáng)度第1頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第十二章真空中的靜電場(chǎng)electrostaticfieldinvacuum第2頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容:靜電場(chǎng)的基本定律:庫(kù)侖定律、場(chǎng)強(qiáng)疊加原理靜電場(chǎng)的基本定理:高斯定理、環(huán)路定理描述靜電場(chǎng)的物理量:電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)

研究帶電體激發(fā)的靜電場(chǎng)在空間的分布規(guī)律及其基本特性:第3頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一、電荷(Electriccharge)(自學(xué))1.電荷的種類(lèi):12.1電荷、庫(kù)侖定律自然界只存在兩種電荷,同種電荷相排斥,異種電荷相吸引。美國(guó)物理學(xué)家富蘭克林首先將其稱(chēng)為正電荷和負(fù)電荷。第4頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

γ光子不帶電,而電子對(duì)的產(chǎn)生和湮滅并不破壞電荷守恒的假設(shè)。2.電荷守恒定律(lawofconservationofcharge)+-電子對(duì)產(chǎn)生電子對(duì)湮滅

-現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)+表述:在一個(gè)和外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)(即孤立系統(tǒng)中),正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過(guò)程中都保持不變。第5頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月電荷守恒定律適用于一切宏觀和微觀過(guò)程(例如核反應(yīng)和基本粒子過(guò)程),是物理學(xué)中普遍的基本定律之一。電荷只能從一物體轉(zhuǎn)移到另一物體,或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分,但電荷既不能被創(chuàng)造,也不能被消滅。第6頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月自從湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子后,研究者們就提出了各種各樣的方法測(cè)量電子的電量。3.電荷量子化(chargequantization)第7頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月密立根的實(shí)驗(yàn)從1906年持續(xù)到1917年美國(guó)芝加哥大學(xué)的R.A.Millikan

于1913年發(fā)表了一份報(bào)告,他用一個(gè)油滴在兩個(gè)水平帶電板間的升降實(shí)驗(yàn)精確地測(cè)量了電子的電量:e=1.60217733×10-19庫(kù)侖(C)第8頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

迄今所知,電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷,質(zhì)子是最小的正電荷。它們的帶電量都是基本電荷e。

他同時(shí)證明:任何帶電體的電量的變化是不連續(xù)的,只能是基本電荷e的整數(shù)倍,目前,電荷量子化已在相當(dāng)高的精度下得到了驗(yàn)證。即:任何帶電體或其它微觀粒子所帶的電量都是e的整數(shù)倍,即:,N=1,2,3,...電荷的這種只能取離散的、不連續(xù)的量值的性質(zhì),叫作電荷的量子化。電子的電荷e稱(chēng)為基元電荷,或電荷的量子。第9頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月電荷最基本的性質(zhì)是與其他電荷相互作用,所以電荷之間相互作用的規(guī)律是電現(xiàn)象最基本的規(guī)律。這方面的規(guī)律是由法國(guó)工程師庫(kù)侖(1736~1806)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的,叫做庫(kù)侖定律。庫(kù)侖定律直接給出的是點(diǎn)電荷之間相互作用的規(guī)律。點(diǎn)電荷:只考慮帶電體的電量,可以忽略形狀和大小的帶電體條件:帶電體本身的線(xiàn)度d<<到其它帶電體的距離r二、庫(kù)侖定律(Coulomb’sLaw)第10頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1773年提出的計(jì)算物體上應(yīng)力和應(yīng)變分布情況的方法,是結(jié)構(gòu)工程的理論基礎(chǔ)。1779年對(duì)摩擦力進(jìn)行分析,提出有關(guān)潤(rùn)滑劑的科學(xué)理論。

1785~1789年,用扭秤測(cè)量靜電力和磁力,導(dǎo)出著名的庫(kù)侖定律。他還通過(guò)對(duì)滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)研究,得出摩擦定律。庫(kù)侖法國(guó)物理學(xué)家第11頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月在真空中,兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力的大小,與它們的電量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比;作用力的方向沿著它們的連線(xiàn),同號(hào)電荷相斥,異號(hào)電荷相吸。庫(kù)侖定律的表述:表示單位矢量或:第12頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月比例系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定為:通常引入另一常數(shù)

0來(lái)代替k,使——真空介電常數(shù)或電容率

(Permittivityofvacuum)≈9.0×109N·m2·C-2將庫(kù)侖定律的表達(dá)式寫(xiě)作:第13頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2)庫(kù)侖力滿(mǎn)足牛頓第三定律說(shuō)明:1)庫(kù)侖定律是實(shí)驗(yàn)定律,只適用于真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷。3)靜電力的疊加原理第14頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月排斥力使帶電的頭發(fā)直立起來(lái)第15頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例題

在氫原子中,電子與質(zhì)子的距離為5.310-11m,試求靜電力及萬(wàn)有引力,并比較這兩個(gè)力的數(shù)量關(guān)系。可忽略解:第16頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月12.2電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度歷史上的兩種觀點(diǎn):超距的觀點(diǎn):電荷→電荷電場(chǎng)的觀點(diǎn):電荷→場(chǎng)→電荷19世紀(jì)30年代,英國(guó)科學(xué)家法拉第在研究電磁現(xiàn)象的實(shí)踐中,以不同凡響的想象力提出:帶電體和帶磁體發(fā)出一種類(lèi)似橡皮繩的力線(xiàn),通過(guò)這些力線(xiàn),帶電(磁)體間相互作用。庫(kù)侖定律給出了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間相互作用的定量關(guān)系,但是這個(gè)作用是通過(guò)什么機(jī)制來(lái)傳遞的呢?一、電場(chǎng)(electricfield)→→→第17頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月任何電荷的周?chē)?,都存在一種特殊的物質(zhì),稱(chēng)為“電場(chǎng)”。電荷1電荷2電場(chǎng)1電場(chǎng)2電荷與電荷之間通過(guò)它們的電場(chǎng)相互作用,這種相互作用的傳遞是需要經(jīng)歷一段時(shí)間的。+法拉第的思想如今已發(fā)展成為“場(chǎng)”的概念。按照?qǐng)稣摰挠^點(diǎn),第18頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2)當(dāng)帶電體在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)力作功,這表明電場(chǎng)具有能量。電場(chǎng)的物質(zhì)性:靜電場(chǎng):相對(duì)于觀察者靜止的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)電場(chǎng)具有質(zhì)量、動(dòng)量、能量,是物質(zhì)存在的一種形式。靜電場(chǎng)的基本性質(zhì):1)對(duì)處在電場(chǎng)中的帶電體施以力的作用——電場(chǎng)力;第19頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月場(chǎng)既是一種物質(zhì),就具有物質(zhì)的一般屬性粒子:動(dòng)量能量角動(dòng)量場(chǎng):動(dòng)量能量角動(dòng)量具有疊加性不具疊加性||能量的聚集狀態(tài)能量的彌散狀態(tài)將“場(chǎng)”這種特殊物質(zhì)與“粒子”進(jìn)行對(duì)比:第20頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、電場(chǎng)強(qiáng)度(electricfieldstrength)可利用一個(gè)試驗(yàn)電荷q0,來(lái)檢測(cè)該電場(chǎng)。置于電場(chǎng)中某點(diǎn)的試驗(yàn)電荷將受到場(chǎng)源電荷Q的電場(chǎng)力作用。1電場(chǎng)強(qiáng)度第21頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月試驗(yàn)電荷:實(shí)驗(yàn)證明:寫(xiě)成等式:1.這個(gè)電場(chǎng)力的大小與試驗(yàn)電荷的電量成正比2.比值E與試驗(yàn)電荷無(wú)關(guān),是一個(gè)僅由源電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)決定的物理量??梢苑从畴妶?chǎng)本身的性質(zhì),用這個(gè)物理量作為描寫(xiě)電場(chǎng)的場(chǎng)量,稱(chēng)為電場(chǎng)強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)強(qiáng))。物理意義:?jiǎn)挝辉囼?yàn)點(diǎn)電荷受到的電場(chǎng)力1)線(xiàn)度足夠小(點(diǎn)電荷)

2)電量足夠小第22頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月討論

由是否能說(shuō),與成正比,與成反比?

②一總電量為Q>0的金屬球,在它附近P點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為。將一點(diǎn)電荷q>0引入P點(diǎn),測(cè)得q實(shí)際受力與q之比是大于、小于、還是等于P點(diǎn)的?第23頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月若空間電場(chǎng)是由點(diǎn)電荷q激發(fā)的,由庫(kù)侖定律,試驗(yàn)點(diǎn)電荷q0受到的電場(chǎng)力為:則q激發(fā)的電場(chǎng)其強(qiáng)度:2.電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算(1)點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)第24頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)電荷的場(chǎng)呈球?qū)ΨQ(chēng)分布場(chǎng)強(qiáng)方向?yàn)檎姾墒芰Ψ较蛴懻?-

從場(chǎng)源電荷指向場(chǎng)點(diǎn)第25頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)場(chǎng)強(qiáng)疊加原理

點(diǎn)電荷系電場(chǎng)中空間某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為各個(gè)點(diǎn)電荷在該點(diǎn)單獨(dú)存在時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的矢量和。證明:試驗(yàn)電荷受力為:兩邊同除以q0第26頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月電偶極矩(電矩)例1.電偶極子的電場(chǎng)強(qiáng)度電偶極子的軸(1)電偶極子軸線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)上一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度第27頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

(2)電偶極子軸線(xiàn)的中垂線(xiàn)上一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度第29頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第30頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)電荷連續(xù)分布的帶電體的電場(chǎng)每個(gè)電荷元視為點(diǎn)電荷P可把帶電體分割成許多個(gè)電荷元組成然后利用場(chǎng)強(qiáng)疊加原理第31頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月電荷密度體電荷密度面電荷密度線(xiàn)電荷密度第32頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例題2求均勻帶電細(xì)棒外一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。設(shè)棒長(zhǎng)為l,帶電量q,電荷線(xiàn)密度為λ。解:①建坐標(biāo);②取電荷元dq;③確定的方向④確定的大?、輰⑼队暗阶鴺?biāo)軸上P第33頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑦統(tǒng)一變量(r、θ、y是變量)若選θ

作為積分變量⑥疊加第34頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月可求得:第35頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月討論中垂線(xiàn)上一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)由對(duì)稱(chēng)性,Ey=0則若x<<l(無(wú)限長(zhǎng)帶電線(xiàn)模型)第36頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月①建坐標(biāo);②取電荷元dq③確定的方向④確定的大?、輰⑼队暗阶鴺?biāo)軸上⑥統(tǒng)一變量對(duì)分量疊加求電場(chǎng)強(qiáng)度的步驟⑦合成第37頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例題3求均勻帶電圓環(huán)軸線(xiàn)上一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。設(shè)圓環(huán)帶電量為q,半徑為R解:①建坐標(biāo);②取電荷元dq,③確定的方向④確定的大?、輰⑼队暗阶鴺?biāo)軸上第38頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月討論:當(dāng)x遠(yuǎn)大于環(huán)的半徑時(shí),方向在x軸上,正負(fù)由q的正負(fù)決定。說(shuō)明遠(yuǎn)離環(huán)心的場(chǎng)強(qiáng)相當(dāng)于點(diǎn)電荷的場(chǎng)。由對(duì)稱(chēng)性可知,P點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)只有x分量P第39頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月場(chǎng)強(qiáng)大小沿軸的分布情況:第40頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解由例3例4求均勻帶電圓盤(pán)軸線(xiàn)上一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。圓盤(pán)面電荷密度為,半徑為R第41頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第42頁(yè),課件共45頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月相當(dāng)于均勻無(wú)限大帶電平面附近的電場(chǎng),場(chǎng)強(qiáng)垂直于板面,正負(fù)由電荷的符號(hào)決定。

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