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(大學(xué)物理)第十一章靜電場(chǎng)目錄靜電場(chǎng)基本概念與性質(zhì)靜電場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律靜電場(chǎng)能量與能量轉(zhuǎn)換靜電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn):測(cè)量導(dǎo)體表面電荷分布及電位差01靜電場(chǎng)基本概念與性質(zhì)指靜止?fàn)顟B(tài)下的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)現(xiàn)象,如摩擦起電、感應(yīng)起電等。靜電現(xiàn)象物質(zhì)內(nèi)部存在正負(fù)電荷,當(dāng)物質(zhì)處于不平衡狀態(tài)時(shí),電荷會(huì)分離并在物體表面積聚,形成靜電。產(chǎn)生原因靜電現(xiàn)象及產(chǎn)生原因在一個(gè)孤立系統(tǒng)中,無(wú)論發(fā)生何種變化,電荷的總量始終保持不變。真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們之間的距離的平方成反比。電荷守恒定律與庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律電荷守恒定律描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量,表示單位正電荷在該點(diǎn)所受的電場(chǎng)力。電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)中兩點(diǎn)間的電勢(shì)之差,等于將單位正電荷從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功。電勢(shì)差電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差導(dǎo)體指內(nèi)部存在自由電子的物體,能夠傳導(dǎo)電流。在靜電場(chǎng)中,導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零,電荷分布在導(dǎo)體表面。絕緣體指內(nèi)部幾乎沒(méi)有自由電子的物體,不能傳導(dǎo)電流。在靜電場(chǎng)中,絕緣體內(nèi)部和表面均可存在電荷,且電荷分布與導(dǎo)體不同。靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和絕緣體02靜電場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律勻速直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)帶電粒子在均勻電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力與其初速度方向共線時(shí),粒子將沿直線作勻速運(yùn)動(dòng)。勻變速直線運(yùn)動(dòng)若帶電粒子在均勻電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力與其初速度方向不共線,則粒子將沿直線作勻變速運(yùn)動(dòng),其加速度大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,方向與電場(chǎng)力方向相同。帶電粒子在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)帶電粒子在非均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)當(dāng)帶電粒子在非均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),由于電場(chǎng)強(qiáng)度隨空間位置變化,粒子所受的電場(chǎng)力也將隨之變化,導(dǎo)致粒子作曲線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡帶電粒子在非均勻電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡一般不是直線,而是根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況和粒子的初速度、電荷量等因素確定的曲線。洛倫茲力當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)受到一個(gè)與磁場(chǎng)方向和粒子運(yùn)動(dòng)方向都垂直的力,這個(gè)力被稱為洛倫茲力。洛倫茲力的大小與粒子的電荷量、速度和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比?;魻栃?yīng)當(dāng)帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)的導(dǎo)體板中運(yùn)動(dòng)時(shí),由于洛倫茲力的作用,會(huì)使得粒子在導(dǎo)體板兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累,從而形成橫向電勢(shì)差。這個(gè)現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng),是研究物質(zhì)中載流子類型和濃度的重要手段。洛倫茲力與霍爾效應(yīng)03靜電場(chǎng)能量與能量轉(zhuǎn)換電勢(shì)能電荷在電場(chǎng)中具有的勢(shì)能,與電荷量及所在位置的電勢(shì)有關(guān)。電勢(shì)描述電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)能的性質(zhì),是標(biāo)量,具有相對(duì)性。等勢(shì)面電勢(shì)相等的點(diǎn)構(gòu)成的面,與電場(chǎng)線垂直,且等勢(shì)面上移動(dòng)電荷電場(chǎng)力不做功。電勢(shì)能、電勢(shì)及等勢(shì)面電荷在電場(chǎng)力作用下移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)力對(duì)電荷所做的功。電場(chǎng)力做功電場(chǎng)力做功與電荷移動(dòng)的路徑無(wú)關(guān),只與電荷的初末位置有關(guān)。路徑無(wú)關(guān)性電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)性靜電場(chǎng)本身所具有的能量,與電場(chǎng)中電荷的分布情況有關(guān)。靜電場(chǎng)能量能量轉(zhuǎn)換能量?jī)?chǔ)存在靜電場(chǎng)中,電荷的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)換,如電勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能等。靜電場(chǎng)中的能量可以儲(chǔ)存在電場(chǎng)中,當(dāng)電荷移動(dòng)時(shí),這些能量可以被釋放出來(lái)。030201靜電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存04靜電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析平行板電容器充放電過(guò)程分析當(dāng)平行板電容器與電源連接時(shí),電源將正電荷輸送到一個(gè)極板,同時(shí)將負(fù)電荷輸送到另一個(gè)極板。這個(gè)過(guò)程中,電容器極板上的電荷量逐漸增加,電容器內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。充電過(guò)程當(dāng)平行板電容器與電源斷開(kāi)后,電容器開(kāi)始放電。此時(shí),電容器極板上的電荷通過(guò)外部電路逐漸中和,電容器內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。放電過(guò)程中,電容器儲(chǔ)存的能量逐漸釋放。放電過(guò)程VS范德華力是分子間的一種相互作用力,它是由于分子間的電偶極矩相互作用而產(chǎn)生的。范德華力的大小與分子的極性、大小和形狀有關(guān)。在靜電場(chǎng)中,范德華力可以影響分子的排列和取向。分子間相互作用力除了范德華力外,分子間還存在其他相互作用力,如氫鍵、離子鍵等。這些相互作用力可以影響物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì),如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等。在靜電場(chǎng)中,這些相互作用力也可以受到影響。范德華力范德華力與分子間相互作用力靜電噴涂是一種利用靜電場(chǎng)將涂料均勻地噴涂到物體表面的技術(shù)。在靜電噴涂過(guò)程中,涂料顆粒帶負(fù)電荷,而物體表面帶正電荷。當(dāng)涂料顆粒接近物體表面時(shí),它們被靜電場(chǎng)吸引并均勻地分布在物體表面上,形成一層均勻的涂層。靜電除塵是一種利用靜電場(chǎng)將空氣中的塵埃顆粒去除的技術(shù)。在靜電除塵過(guò)程中,空氣中的塵埃顆粒帶負(fù)電荷,而除塵器的集塵板帶正電荷。當(dāng)塵埃顆粒經(jīng)過(guò)除塵器時(shí),它們被靜電場(chǎng)吸引并附著在集塵板上,從而達(dá)到去除塵埃的目的。靜電噴涂靜電除塵靜電噴涂、靜電除塵技術(shù)應(yīng)用05靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介有限差分法求解泊松方程差分方程建立利用差分格式將泊松方程離散化,得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的差分方程。網(wǎng)格劃分將求解區(qū)域劃分為規(guī)則的網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的電勢(shì)作為待求未知量。差分格式選擇根據(jù)靜電場(chǎng)問(wèn)題的具體性質(zhì)和計(jì)算精度要求,選擇合適的差分格式,如一階向前、向后或中心差分格式。邊界條件處理根據(jù)靜電場(chǎng)問(wèn)題的邊界條件,對(duì)差分方程進(jìn)行修正,以確保邊界上的電勢(shì)滿足給定條件。求解方法采用迭代法或直接法求解差分方程組,得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的電勢(shì)值。求解方法采用迭代法或直接法求解有限元方程組,得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電勢(shì)值。邊界條件處理在有限元方程中引入邊界條件,以確保邊界上的電勢(shì)滿足給定條件。有限元方程建立根據(jù)形函數(shù)的性質(zhì)和變分原理,建立有限元方程,即求解電勢(shì)分布的線性方程組。有限元模型建立將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)小的單元,每個(gè)單元內(nèi)的電勢(shì)分布用形函數(shù)近似表示。變分原理應(yīng)用利用變分原理將拉普拉斯方程轉(zhuǎn)化為等效的變分問(wèn)題,即求電勢(shì)分布的極小值問(wèn)題。有限元法求解拉普拉斯方程根據(jù)靜電場(chǎng)的邊界條件,建立邊界積分方程,將靜電場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等效的邊界問(wèn)題。邊界積分方程建立將求解區(qū)域的邊界劃分為有限個(gè)小的邊界元,每個(gè)邊界元上的電荷分布作為待求未知量。邊界元?jiǎng)澐植捎眠m當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法,如配點(diǎn)法、最小二乘法等,求解邊界積分方程,得到每個(gè)邊界元上的電荷分布。數(shù)值計(jì)算方法根據(jù)電荷分布計(jì)算靜電場(chǎng)中的電勢(shì)和電場(chǎng)分布,以滿足靜電場(chǎng)問(wèn)題的求解需求。電勢(shì)和電場(chǎng)計(jì)算邊界元法在靜電場(chǎng)中應(yīng)用06實(shí)驗(yàn):測(cè)量導(dǎo)體表面電荷分布及電位差實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)測(cè)量導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差,驗(yàn)證靜電場(chǎng)的基本理論和規(guī)律,加深對(duì)靜電場(chǎng)性質(zhì)的理解。原理介紹在靜電場(chǎng)中,導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差與導(dǎo)體的形狀、大小、電荷量以及周圍環(huán)境的電性質(zhì)有關(guān)。通過(guò)測(cè)量導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差,可以研究靜電場(chǎng)的分布規(guī)律和導(dǎo)體的電性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮斫榻B實(shí)驗(yàn)步驟1.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材,包括導(dǎo)體樣品、電荷計(jì)、電位計(jì)、絕緣支架等。2.將導(dǎo)體樣品放置在絕緣支架上,并用地線連接導(dǎo)體和電荷計(jì),使導(dǎo)體帶電。實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄3.用電荷計(jì)測(cè)量導(dǎo)體表面的電荷量,并記錄數(shù)據(jù)。5.改變導(dǎo)體的形狀、大小或電荷量,重復(fù)以上步驟進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)記錄:記錄不同形狀、大小或電荷量的導(dǎo)體表面的電荷量和電位差數(shù)據(jù),以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的其他相關(guān)信息。4.用電位計(jì)測(cè)量導(dǎo)體表面不同位置之間的電位差,并記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄結(jié)果分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析導(dǎo)體表面電荷分布和電位差與導(dǎo)體形狀、大小、電荷量以及周圍環(huán)境的電性質(zhì)之間的關(guān)系。通過(guò)比較不同條件下的實(shí)驗(yàn)

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