電場基本概念理解詳細(xì)手稿

關(guān)于電荷的理解學(xué)而樂高中物理組 岑威峰自然界有一種東西叫做電荷，電荷與物質(zhì)不同，衡量物質(zhì)的多少的量叫質(zhì)量，萬有引力告訴我們物質(zhì)之間會產(chǎn)生引力，引力大小與兩物體的質(zhì)量和距離有關(guān):GMm尸萬~2r而電荷卻是另一種事物，它暫時還不被我們所熟悉，但不代表它不存在.衡量電荷的多少的量叫電荷（量）電荷比較有意思（對有些同學(xué)來說可能是糾結(jié)），它有兩種，庫侖力告訴我們電荷之間也會產(chǎn)生力，但是有兩種情況，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引.庫侖定律告訴我們點電荷之間的力的大小與兩電荷的電荷量和距離有關(guān),F庫侖=F庫侖=kQq不管是物質(zhì)間還是電荷間，產(chǎn)生力的作用并不是超距作用，而是他們周圍會產(chǎn)生一種我們?nèi)庋劭床坏蕉腋静皇煜さ奈镔|(zhì)，我們給了它們一個名字，叫做“場”“場”只是一個名字而已，重要的是你要對它的存在性有所認(rèn)識。物質(zhì)產(chǎn)生的場叫做引力場，或者說是萬有引力場，其特點是對放入其中的物質(zhì)產(chǎn)生引力的作用，當(dāng)然也只有引力的作用.于是我們可以說，物質(zhì)的引力場的，性質(zhì)就是對放入其中的物質(zhì)會產(chǎn)生引力的作用.電荷也會產(chǎn)生一種場，叫做電場，電場也有個特點（性質(zhì)），就是會對放入其中的電荷產(chǎn)生力的作用，比如電場對質(zhì)子對電子有力的作用，因為質(zhì)子電子帶身上帶有電荷，而對中子是沒有力的作用的，因為中子身上不帶電荷，所以說電場對放入其中的電荷有力的作用是電場的性質(zhì).場是一種特殊的物質(zhì)，我們看不到它但不代表它不存在！而事實上場的概念的提出，是科學(xué)界偉大的想象力的突破，它的各種性質(zhì)我們現(xiàn)在還不了解，讓我們慢慢來了解！電場強(qiáng)度由于電場的一個重大性質(zhì)是對放入電場中的電荷具有力的作用，于是我們想到在研究電場的性質(zhì)時，可以從力的角度入手.先闡明三個小小的概念，但是也很重要.點電荷：電荷由一種物質(zhì)攜帶，物體總是有大小的，再小也不可能是點，點是數(shù)學(xué)里面抽象出來的一個概念。假如物質(zhì)的大小形狀相對于所研究的問題可以忽略不計，那么物體可以看作質(zhì)點，同理，若電荷的分布相對于所研究的問題可以忽略不計，那么就把電荷等效于集中于某一點，于是得到點電荷的概念.場源電荷，簡稱源電荷，源就是來源、源頭的意思，任何電荷都可以作為源電荷，源電荷不一定是點電荷，書本中一開始研究場強(qiáng)時引入的是點電荷，那是因為我們可以利用庫侖定律的公式得出點電荷產(chǎn)生的電場的場強(qiáng)公式.試探電荷（檢驗電荷）：用來檢驗電場是否存在及其強(qiáng)弱分布情況的電荷.我們發(fā)現(xiàn)以下兩個現(xiàn)象：①在同一電場的同一點，放入等量異種電荷，其受力大小相等，方向相反；一 F②在同一電場的同一點，電荷的受力大小與電荷量成正比，即~是個定值我們給它一個名字，叫做電場強(qiáng)度，簡稱場強(qiáng)又給了它一個符號：E.E是比例常量，與試探電荷q無關(guān)，單位是伏（特）每米，符號是V/m.E是矢量，有大小有方向，它的大小與方向與試探電荷電荷無關(guān)！對比G=mg和F=qEm與q對應(yīng)， g 與E對應(yīng)，（質(zhì)量） （電荷量） （重力加速度） （電場強(qiáng)度）g反映重力場中力的性質(zhì)E反映電場中力的性質(zhì)——亮點希望同學(xué)們用心體會，對后面將大有益處！物理學(xué)中，規(guī)定正電荷所受靜電力的方向為場強(qiáng)方向！由于重力場中，地球?qū)ξ矬w只有引力，方向豎直向下，所以直接規(guī)定了g的方向豎直向下；但是電場中有兩種電荷其受力方向剛好相反，于是得規(guī)定一個統(tǒng)一的方向，而且要讓我們方便理解，方便掌握，方便研究！這是電場第一個最糾結(jié)的概念（事實上它一點都不糾結(jié)），其實規(guī)定哪個方向為場強(qiáng)方向不影響場強(qiáng)的本質(zhì)屬性，只是規(guī)定正電荷所受靜電力方向為場強(qiáng)方向可能稍微帶來更多的方便而已，人們畢竟更多的時候習(xí)慣的是正而不是負(fù).規(guī)定了場強(qiáng)方向，我們又得到電場線的概念，于是自然界的兩種異性電荷，其在電場中的受力方向我們直接可以根據(jù)電場線方向去判斷，而且在同一電場中進(jìn)行同樣的移動時，電場力做功情況我們也能根據(jù)電場線直接的作出判斷！總之電場力也好，電場力做功也好，（后面我們知道包括能量也好），我們都可以直接根據(jù)電場線的方向直觀的看出來并作出判斷！——亮點場強(qiáng)疊加原理、電場線、勻強(qiáng)電場概念見書本.要強(qiáng)調(diào)的是，等量異種點電荷的電場線和等量同種點電荷的電場線分布情況的兩個圖值得我們多觀賞一番，盡量留在心目中.電勢能的理解重力做功涉及一個量：重力勢能于是電場力做功也會涉及到一個量：電勢能他們的本質(zhì)都是為了描述一種儲存起來的能量，該能量的轉(zhuǎn)移靠相應(yīng)的力做功來實現(xiàn)重力做正功，動能增加，重力勢能減少重力做負(fù)功，動能減少，重力勢能增加若只有重力做功，則動能和重力勢能之間在完全的相互轉(zhuǎn)化同理，在電場中電場力做正功，動能增加，電勢能減少電場力做負(fù)功，動能減少，電勢能增加若只有電場力做功，則動能和電勢能之間在完全的相互轉(zhuǎn)化那么關(guān)鍵在于電場力做功與電勢能的變化量之間的關(guān)系的表達(dá)式是怎么樣的呢？很簡單嘛，聯(lián)系下重力做功：一物體從高度為h1的地方下落到高度為h2的地方，重力做功WG=mg（h]-力2）=mghi-mgh2，即Wg=Ep]-Ep2同理，從A點移動到B點電場力做功與電勢能變化關(guān)系式如下：WAB=EPA―EPBGotit?謹(jǐn)記，很重要的哦電場力做的功只能決定電勢能的變化量，而不能決定電荷在電場中某點的電勢能的數(shù)值。要確定電荷在電場中某一點的電勢能，必須先規(guī)定零勢能位置。例如規(guī)定B點的電勢能為零，則A點的電勢能就是電荷從A移動到B（零勢能位置）過程中電場力所做的功Wab。于是得出一個幫助我們理解后面知識的非常重要的一個結(jié)論:電荷在電場中某一點具有的電勢能EP等于將該點電荷從該點移到零勢能位置時電場力所做的功！?。。。。?！若電場力做正功，則電勢能就為正；若電場力做負(fù)功，則電勢能就為負(fù).這句話的熟練程度直接影響學(xué)習(xí)后面的知識的好壞!如果只是這些知識那就太簡單了，但是電場的難點就是從這里逐漸開始了,其最基本的概念就是前面場強(qiáng)、電場線的知識（再回想一下），以及本節(jié)的關(guān)于電場力做功與電勢能的變化、電勢能概念，這是電場后面所有知識的最基礎(chǔ)所在!第一個難點：通常把電荷在離場源電荷在無限遠(yuǎn)處的電勢能規(guī)定為零，或把電荷在大地表面上的電勢能規(guī)定為零。于是對于正點電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)和負(fù)點電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)，會有一些差別：對于正點電荷，其電場線呈輻射狀（天羅地網(wǎng)）那么正的試探電荷在其中某一點時，把它從該點移動到無限遠(yuǎn)，顯然電場力做正功，于是它的電勢能就是正的；如果換成負(fù)的試探電荷，顯然電場力做負(fù)功，于是它的電勢能就是負(fù)的.對于負(fù)點電荷，其電場線呈聚攏狀（萬箭穿心，眾矢之的）那么負(fù)的試探電荷在其中某一點時，把它從該點移動到無限遠(yuǎn)，顯然電場力做正功，于是它的電勢能就是正的；如果換成正的試探電荷，顯然電場力做負(fù)功，于是它的電勢能就是負(fù)的.在正電荷產(chǎn)生的電場中正電荷在任意一點具有的電勢能都為正，負(fù)電荷在任—點具有的電勢能都為負(fù)。在負(fù)電荷產(chǎn)生的電場中負(fù)電荷在任意一點具有的電勢能都為負(fù)，正電荷在任意一點具有的電勢能都為正。同時我們還能得到一個更加重要的結(jié)論，就是：在電場的同一點，等量異種電荷往往具同），其根本原因是正負(fù)電荷的受力方向相反，那么進(jìn)行相同的移動時（都是從該點移動到零勢能位置）電場力做功當(dāng)然剛好是相反的，于是電勢能就相反了。這個結(jié)論很重要哦！關(guān)于電勢的理解其實一直到前面的知識，本章還不難，因為多數(shù)概念和思維都是能和以前緊緊相聯(lián)系的。這個時候一個真正新的概念出現(xiàn)了，那就是電勢e.關(guān)于反映電場力的性質(zhì)的量E，前面已經(jīng)詳述，但是還需要一個反映電場能的性質(zhì)的量，那是什么呢，它又和我們以前學(xué)過的重力場里面的知識有什么關(guān)系呢？在電場的同一點，等量異種電荷往往具有相反的電勢能（當(dāng)然前提是零勢能位置相同），其根本原因是正負(fù)電荷的受力方向相反，那么進(jìn)行相同的移動時（都是從該點移動到零勢能位置）電場力做功當(dāng)然剛好是相反的，于是電勢能就相反了。EP那么也就是說，電荷在某一點的電勢能與其電荷量的比值卻是個定值,大家可以將負(fù)電荷帶入討論一下，結(jié)論是一樣的.ePA比值二的大小與試探電荷的正負(fù)及電量q均無關(guān)，只與電場中該點在電場中的位置有關(guān)，故其可衡量電場的性質(zhì)，。

概念的理解說實話的確有些難，而且里面的正負(fù)問題，要想徹底想通是有些困難的，但是不用擔(dān)心，我們只要記住一個公式就可以了，那就是:EP你只要注意：Ep你只要注意：Epq、 在這里都是標(biāo)量，你只需要帶入數(shù)值就可以了!電勢9相當(dāng)于重力場中的高度h，其實我們在定義高度時，也是先定某一個高度為0不然高度就沒有一個參照標(biāo)準(zhǔn)了！所以要確定某一點的電勢，也要先確定電場中某處的電勢為零。理解這一點對理解后面的電勢差以及用電勢差求電場力做功很有幫助。顯然，電勢為零的地方，電荷的電勢能就為零。電場線指指向電勢降低的方向!最后熟練以下這段話，很給力的:正電荷順著電場線移動，電場力做正功，電勢能減少,在減小,正電荷逆著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在增大,負(fù)電荷順著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在減少,負(fù)電荷逆著電場線移動，電場力做正功，電勢能減少,-Ep正電荷順著電場線移動，電場力做正功，電勢能減少,在減小,正電荷逆著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在增大,負(fù)電荷順著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在減少,負(fù)電荷逆著電場線移動，電場力做正功，電勢能減少,-Ep9— q在增加。以上過程初學(xué)者要反復(fù)去思考，思考過程中要緊緊抓住一下幾點：（1） 電場線方向與正負(fù)電荷受力方向（2） 沿著電場線和逆著電場線方向運動時，電場力對正負(fù)電荷做功情況（3） 電場力做功與電勢能變化之間的關(guān)系（4） 電勢能概念（5） 最后就是本節(jié)電勢的概念，并仔細(xì)體會，這一節(jié)的概念是最難理解的,但是處理問題時其實是很簡單的，判斷電勢高低的辦法很簡單，一般都用以下兩個方法：①由電場線方向去看，電場線指向電勢降低的方向?、谥苯佑啥x式去算： q正電荷在電勢越篙的地方電勢能越大，負(fù)電荷在電勢越高的地方電勢能反而越??！這句結(jié)論的作用在于:①你會發(fā)現(xiàn)從定義式q就可以得出這句結(jié)論,①你會發(fā)現(xiàn)從定義式q就可以得出這句結(jié)論,從而讓你在適用該定義式判斷電勢高低時心里是很放心的去用的.②它是對下面這個過程的一句提煉性的結(jié)論!正電荷順著電場線移動，電場力做正功,電勢能減少,在減小,正電荷逆著電場線移動，電場力做負(fù)功,電勢能增加,在增大,負(fù)電荷順著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在減少,負(fù)電荷逆著電場線移動，電場力做正功,電勢能減少,Ep正電荷順著電場線移動，電場力做正功,電勢能減少,在減小,正電荷逆著電場線移動，電場力做負(fù)功,電勢能增加,在增大,負(fù)電荷順著電場線移動，電場力做負(fù)功，電勢能增加,在減少,負(fù)電荷逆著電場線移動，電場力做正功,電勢能減少,Epq在增加。等勢人教版：電場中電勢相同的各點構(gòu)成的面叫做等勢面。與電場線相似，等勢面也是用來形象的描繪電勢的。還是那句話，所謂形象的描繪，就是讓我們來看的。在同一個等勢面上，任何兩點間的電勢都相等，所以對同一電荷，電勢能就是相等的，就是說電荷在上面移動的時候電場力不做功，那么等勢面一定是跟電場線垂直的。因為如果不垂直的話，電場強(qiáng)度就會有一個沿著等勢面的分量，那么電荷在等勢面上移動時電場力一定就會做功，做功的話電勢能就會變化，那么也就不是等勢面了。又由前面所說的：沿著電場線的方向，電勢越來越低。所以總起來就可以說：由于電場線跟等勢面垂直，并且由電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面。一般的等勢面圖中，相鄰兩個等勢面間的電勢之差相等。而且：電場線越密的地方等勢面也越密，因為電場線越密的地方場強(qiáng)越大，于是要使相鄰等勢面的電勢差相等，那么場強(qiáng)越大的地方移動的距離肯定越少。電場線是形象的描述電場力的性質(zhì)的；等勢面是形象的描述電場能的性質(zhì)的。實際測量電勢比測量電場強(qiáng)度容易，等勢面的具體作用看書本。關(guān)于電勢差的理解回顧下前面關(guān)于場強(qiáng)的知識：對比G=mg和F=qEm與q對應(yīng)， g 與E對應(yīng)，（質(zhì)量） （電荷量） （重力加速度） （電場強(qiáng)度）g反映重力場中力的性質(zhì)E反映電場中力的性質(zhì)在電場中定義了一個能夠反映電場能的性質(zhì)的量：電勢那么如果也要在重力場中定義一個類似的量，會是什么呢？Ep申— 從電勢的定義式q來看，若要在重力場中定義一個類似的量，應(yīng)該mgh是〒—gh，果然，gh的確能夠反映重力場能的性質(zhì)，自己體會！關(guān)鍵的東西來了，這里參考人教版里的引導(dǎo)語：在重力場中，若規(guī)定不同的位置為零高度，那么同一地方的高度就不同了，但兩個高度的差值卻是不變的。如果我們只想研究重力做功的情況，那么規(guī)定哪里為零高度就不重要了，重要的是那個高度差。同理，在電場中，如果我們只想研究電場力做功的情況，那么規(guī)定哪兒是零電勢位置就不重要了，重要的是電勢差。而且事實上是，在物理學(xué)中，電勢的差值的確往往比電勢更加重要。我們來看：電場中兩點間的電勢的差值叫做電勢差，也叫電壓。設(shè)A點電勢為申A,B點電勢為申B，則A,B兩點的電勢差為:U勢差為:U—9 -9ABABW—E-EW—E-EAB PAPBW即WAB—qUABU或AB