物理學上卷10-1課件

教學大綱（Syllabus）電荷和靜電場電流和恒磁場

電磁感應電路和磁路光學:李玉香電話：(883)64329—8217E-mail:yxli@電磁學：光的干涉光的衍射

光的偏振態(tài)1教學大綱（Syllabus）出勤：10%

作業(yè)：10%

PopQuiz：10%

期末考試：70%成績組成：2電磁學Electromagnetics3緒

論（exordium）

電磁學的研究對象：

電磁學是經(jīng)典物理學的一部分。它主要研究電荷、電流產(chǎn)生電場、磁場的規(guī)律；電場和磁場的相互聯(lián)系；電磁場對電荷、電流的作用；以及電磁場對物質(zhì)的各種效應等。主要內(nèi)容：1.從“場”的方面論述有關(guān)靜電場、穩(wěn)恒電流的磁場、似穩(wěn)場和訊變場等場的概念和基本規(guī)律。4人類對電磁現(xiàn)象的認識可追溯到公元前600年

公元前585年，希臘哲學家泰勒斯（Tahales）知道摩擦過的琥珀能吸引小物體以及磁石相互吸引。2.從“路”的方面論述穩(wěn)恒電流的電路和交流電流的電路的基本規(guī)律以及解決這些電路問題的基本方法。3.論述電磁場與物質(zhì)之間的相互作用：包括電介質(zhì)的極化與磁介質(zhì)的磁化，電、磁介質(zhì)對電、磁場的影響以及金屬導電現(xiàn)象。

電磁學的發(fā)展簡史：51269年發(fā)現(xiàn)磁石有兩極：仿照地理學，把球形磁石上的兩極分別叫N和S極；1600年，英國吉爾伯特：《論磁、磁飽和地球作為一個巨大的磁體》；1785年庫侖（C.A.Coulomb）定律；1820年畢奧—薩伐爾定律：電流產(chǎn)生磁場的基本規(guī)律；1820年丹麥的奧斯特（Oersted）發(fā)現(xiàn)電流的磁效應—把電和磁聯(lián)系起來；1750年米切爾提出磁極之間作用力服從平方反比率；進入定量研究階段61831年法拉第（M.Faraday）發(fā)現(xiàn)電磁感應規(guī)律；1834年楞次（H.F.E.Lenz）定律；1839年高斯(K.F.Gauss)定律；1840年焦耳（J.P.Joule）定律；1843年電荷守恒定律；1864年麥克斯韋（J.C.Maxwell）方程組、預言電磁波的存在、把光現(xiàn)象和電現(xiàn)象統(tǒng)一起來。1826年歐姆（G.S.Ohm）定律；1821年安培（A.M.Ampere）分子電流假說；7+-電荷和靜電場第十章8§10-3高斯定理§10-1電荷和庫侖定律第十章電荷和靜電場§10-2電場和電場強度§10-4電勢及其與電場強度的關(guān)系§10-5靜電場中的金屬導體§10-6電容和電容器§10-7靜電場中的電介質(zhì)§10-8靜電場的能量9§10-1電荷和庫侖定律一、電荷(charge)1.兩種電荷：即正(+)電荷和負(

)電荷

1747年，富蘭克林提出：

用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷為正電荷；用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷為負電荷。

質(zhì)子所帶電荷來規(guī)定正電荷，用電子所帶電荷來規(guī)定負電荷

性質(zhì):同性相斥，異性相吸摩擦起電102.電荷守恒定律在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，任一時刻存在于系統(tǒng)中的正、負電荷的代數(shù)和始終保持不變。該定律的要點：

電荷的代數(shù)和不變性:孤立系統(tǒng)中正、負電荷各自的量可能發(fā)生變化，但其代數(shù)和恒保持不變。例如，正、負電子相遇轉(zhuǎn)化為兩個光子。高能光子經(jīng)過另一粒子附近時可能轉(zhuǎn)換為正、負電子對。

電荷的相對論不變性:孤立系統(tǒng)的電量，與其運動狀態(tài)無關(guān)。在不同參考系內(nèi)進行觀察，系統(tǒng)總電量保持不變。電荷守恒定律對宏觀過程和微觀過程均適用。111986年e的推薦值為：e

=1.60217733

10-19CQ=ne;n=±1,±2,±3,…

3.電量的量子化1906～1917年，密立根（R.A.Millikan)用油滴法測定了電子電荷，證明微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的，它只能是基本電荷e的整數(shù)倍，即粒子的電荷是量子化的。自然界中的微觀粒子有幾百種,其中帶電粒子所具有的電荷數(shù)均為+e或-e的整數(shù)倍。因此電荷量子化是普遍的量子化規(guī)律。注意：如果是宏觀帶電體，電量可以按連續(xù)量處理。（物體所帶剩余電荷的總量）12在近代物理中提出強子(如質(zhì)子、中子、介子等)是由夸克(quark)構(gòu)成的，夸克所帶電量為e的

1/3或

2/3。但是到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)以自由狀態(tài)存在的夸克。電量的最小單元不排除會有新的結(jié)論，但是電量量子化的基本規(guī)律是不會變的。在相對論中物質(zhì)的質(zhì)量會隨其運動速率而變化，但是實驗證明一切帶電體的電量不因其運動而改變，電荷是相對論性不變量。電荷量子化是個實驗規(guī)律，現(xiàn)有的實驗結(jié)果表明：質(zhì)子和電子的帶電量差異：

電荷量子化已在相當高的精度下得到了檢驗。上夸克

2/3e，下夸克-1/3e，奇夸克-1/3e，粲夸克

2/3e，底夸克-1/3e，頂夸克

2/3e。13二、庫侖定律(Coulomblaw)

電荷最基本的性質(zhì)是電荷之間的相互作用，庫侖定律是1785年，庫侖從扭稱實驗總結(jié)出的點電荷之間相互作用所遵從的基本規(guī)律。1.扭稱實驗（1785年）金屬球A金屬球B平衡球A142.點電荷模型a)帶電體可看作為點電荷是有條件的

即：當r12>>d時，帶電體可以視為點電荷b)點電荷的實驗基礎(chǔ)：（1）質(zhì)子的散射實驗表明質(zhì)子線度<10-13m（2）CERN的電子對撞實驗表明電子線度<10-17m

說明：對于有限分布帶電體，可以看作無限多點電荷的集合

15在真空中兩個相對于觀察者靜止的點電荷之間的相互作用力的大小與它們所帶電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，方向沿兩電荷的連線，同號相斥，異號相吸。設(shè)q2

受到q1

的作用力為

則：3.庫侖定律庫侖力滿足牛頓第三定律16是國際單位制中的比例系數(shù)稱為真空電容率或真空介電常量。當q2

與q1

異號時,與方向相反說明：（1）庫侖定律是表示在真空中兩個靜止的點電荷之間相互作用的規(guī)律，大家應特別注意“真空中”、“靜止”和“點電荷”三條。這三條是庫侖定律的適用條件。17（4）電荷之間的相互作用是通過電場傳遞的。點電荷q1對點電荷q2的作用力是通過q1在自己周圍空間激發(fā)的電場來傳遞的；而點電荷q2對點電荷q1的作用力則是通過q2在自己周圍空間激發(fā)的電場來傳遞的。（3）該定律是在真空中測量出來的，但在空氣、導體、電介質(zhì)中仍然成立；（2）實驗證明：只要施力電荷靜止，即使受力電荷運動，庫侖定律也是適用的；（5）庫侖力和萬有引力具有相似的表達形式：遵守平方反比律18（6）關(guān)于庫侖定律的有效作用范圍的問題，長期以來人們不斷對此進行研究，得到的結(jié)論是，在10

15

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