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1、基 礎(chǔ) 物 理 學(xué) BII,教材: 基礎(chǔ)物理學(xué)下冊,(17-25 ),課程相關(guān)信息,平時成績: 點(diǎn)名(#); 作業(yè)(1次/周); 隨堂測驗(yàn)(#) 小論文:物理教學(xué)演示工具制作策劃書(#) 總評成績: 平時成績40%, 期末考試60%.,網(wǎng)上交流區(qū): , B-20120-JCWLBII-ZY: 基礎(chǔ)物理BII,教師信箱: ,答疑時間: 周二課前后, 本教室,內(nèi)容區(qū): 課程文檔-課件, 測驗(yàn): 成績中心 課程工具: 職員信息和討論板,著眼于場的分布,(一般), 電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容17-23: 靜電學(xué)(真空、介質(zhì)、導(dǎo)體); 穩(wěn)恒電流 靜磁學(xué)(真空, 介質(zhì)) 電磁感應(yīng) ; 電磁場與電磁波, 對象:,彌散
2、于空間的電磁場,,方法:, 觀點(diǎn):,電磁作用是“場”的作用,基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律,綜合的普遍規(guī)律,(特殊),(近距作用),電 磁 學(xué), 研究電磁現(xiàn)象,的基本概念和基本規(guī)律:, 源場; 電, 磁, E VS M, 效應(yīng)發(fā)光放熱,真空中靜電場的場強(qiáng),17.1 電荷守恒定律 庫侖定律 疊加原理,17.2 電場和電場強(qiáng)度 電場線和電通量,靜電場 相對觀測者靜止的電荷產(chǎn)生的電場,一. 電荷 電氣材料,電性力:同號相斥、異號相吸,電荷量:物體帶電的多少,電荷守恒定律 庫侖定律 疊加原理,電荷: 經(jīng)過摩擦的物質(zhì)上所出現(xiàn)的東西, 其呈現(xiàn)電荷 的狀態(tài)為帶電.,電氣材料: 起電物質(zhì) vs. 非起電物質(zhì).,兩種電荷:正電荷
3、 和負(fù)電荷,# 自然界的電現(xiàn)象: 質(zhì)子帶有的 與電子帶有的 引起的.,+,-,-,+,m, , n, p, f; vs. k, M, G, T, A.,電氣材料: 起電物質(zhì) vs. 非起電物質(zhì).,導(dǎo)體: 電荷能夠從產(chǎn)生的地方迅速轉(zhuǎn)移或傳導(dǎo)到其它 部分 的物體.,絕緣體: 電荷幾乎只能停留在產(chǎn)生的地方 的那種物體.,金屬、石墨、電解液(酸、堿、鹽類的水溶液) 、人體、地(球) 、電離了的氣體都是導(dǎo)體. 玻璃、絲綢、橡膠、琥珀、松香、硫磺、瓷器、油類、未電離的氣體等都是絕緣體.,半導(dǎo)體(#): 介于兩者之間,摩擦起電系列(+-): 毛皮, 橡膠; 玻璃, 絲綢; 塑料, 頭發(fā),二. 電荷守恒定律(
4、宏觀尺度和微觀尺度都成立),在沒有電荷進(jìn)出的一個封閉空間內(nèi), 正、負(fù)電荷的總量始終是相等的。,質(zhì)子和電子都是帶電荷的實(shí)體, 具有質(zhì)量,(pair annihilation),有電荷就有質(zhì)量, 靜質(zhì)量為零的粒子必為電中性.,宏觀帶電體的帶電量qe,準(zhǔn)連續(xù),e =1.60210-19庫侖,電子電量,那么, e是否是最基本的呢?,原子核結(jié)構(gòu): 在夸克模型中, 夸克帶分?jǐn)?shù)電荷,up quark down quark strange quark,見27, 28,# 帶電, 電荷量? 更小點(diǎn)?,沒能找到自由夸克, 但是超導(dǎo)鈮球上發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)電荷,密立根,三. 電荷量子化,1. 點(diǎn)電荷(理想模型),簡化為點(diǎn)電荷
5、的條件:,四. 庫侖定律,3.實(shí)驗(yàn)定出: k = 8.988010 9 Nm2/C2,SI: q 庫侖(C),F(xiàn)牛頓(N),r 米(m),2.庫侖定律,兩個點(diǎn)電荷之間:,9,庫侖定律適用的條件:, 點(diǎn)電荷理想模型 真空中 施力電荷對觀測者靜止(受力電荷可運(yùn)動),有理化:,引入常量 0,則:,真空介電常數(shù),4.庫侖定律的說明:,真空中的靜電場,庫侖,五.疊加原理,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):兩個以上的點(diǎn)電荷對一個點(diǎn)電荷的作用力等于各個點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時對該點(diǎn)電荷的作用力的矢量和.,#4 q1, q2, 有庫倫定律, 存在q3或 以至于無窮多個, 如何?,例1. 按量子理論,在氫原子中,核外電子快速地運(yùn)動著,并以一定
6、的概率出現(xiàn)在原子核(質(zhì)子)的周圍各處,在基態(tài)下,電子在半徑5.29nm的球面附近出現(xiàn)的概率最大. 計算基態(tài)下, 氫原子內(nèi)電子和質(zhì)子之間的靜電力和萬有引力, 并比較兩者的大小.引力常數(shù)為G=6.6710-11Nm2/kg2,解: 按庫侖定律計算,電子和質(zhì)子之間的靜電力為,應(yīng)用萬有引力定律, 電子和質(zhì)子之間的萬有引力為,由此得靜電力與萬有引力的比值為,原子中: 電子和質(zhì)子之間的靜電力萬有引力。由此,在處理電子和質(zhì)子之間的相互作用時,只需考慮靜電力,萬有引力可以略去不計. 在原子結(jié)合成分子,原子或分子組成液體或固體時,它們的結(jié)合力在本質(zhì)上也都屬于電性力.,例2 氦原子核中的兩個質(zhì)子相距4.010-1
7、5m, 求這兩個質(zhì)子之間的靜電力.,解:兩個質(zhì)子之間的靜電力是斥力,它的大小為,質(zhì)子之間能結(jié)合在一起構(gòu)成原子核, 是由于核內(nèi)除了有靜電斥力外, 還存在更強(qiáng)大的引力 核力的緣故。,在相同條件下: 強(qiáng)相互作用電磁相互作用萬有引力作用。,這兩個質(zhì)子之間的核力:,14N,例3. 三個點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別為q1= -86C, q2=50 C, q3=65 C。各電荷間的距離如圖所示。求作用在q3上合力的大小和方向。,解:選用如圖所示的直角坐標(biāo)系。,q2,q1,q3,0.6m,0.52m,0.3m,按庫侖定律分別計算q1和q2對電荷q3的作用力,#5. 基本思路?,y,例3. 三個點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別
8、為q1= -86C, q2=50 C, q3=65 C。各電荷間的距離如圖所示。求作用在q3上合力的大小和方向。,解:選用如圖所示的直角坐標(biāo)系。,q2,q1,q3,0.6m,0.52m,0.3m,按庫侖定律分別計算q1和q2對電荷q3的作用力,#5. 基本思路?,#6 天花板置正電極, 你持等量負(fù)電荷, 平地飛升的Q?,兩個各帶電荷量為1C 的帶電體,當(dāng)它們相距1m時, 作用力達(dá)9.0109 N.,六. 討論庫倫相互作用的大小,我們利用通常的起電方法不可能使一個有限大 (例如半徑為1m的球體)的物體的帶電量達(dá)到1C, 因?yàn)樵缭陔姾闪烤奂酱酥登?周圍的絕緣體已 被擊穿(#),物體上的電荷早已漏
9、掉。通常遇到的 靜電力還是很小的,只能吸引輕小物品.,通常在實(shí)驗(yàn)室里, 利用摩擦起電使物體能獲得的 電荷量10-7C數(shù)量級, 若相距1m, 靜電力為10-2 N 若相距0.1m, 靜電力僅為1N的數(shù)量級.,一. 電場,電相互作用兩種觀點(diǎn),超距作用,電場,電荷1,電荷2,電場1,電場2,靜電場:相對于觀察者靜止的電荷 在周圍空間激發(fā)的電場。,雷電,17.2 電場和電場強(qiáng)度 電場線和電通量,二. 電場強(qiáng)度,點(diǎn)電荷(尺寸小),q0足夠小,對待測電場影響小,定義電場強(qiáng)度,電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度等于單位正電荷在該點(diǎn)所受的電場力。,#7 郭晶晶起跳后( ), 其質(zhì)心運(yùn)動(位置變動)決定于#?,三.電場強(qiáng)度的
10、計算,.兩個異號點(diǎn)電荷:電偶極子 .多個點(diǎn)電荷分布,頭腦中想象: 一個質(zhì)量很小的帶電質(zhì)點(diǎn)(正或負(fù)電荷)處于沒有重力的空間中, 運(yùn)動(位置變動), ,在頭腦中建立”按照什么樣的力來運(yùn)動的呢?”這樣的想象, 如同打開電磁學(xué)的大門.,1. 點(diǎn)電荷的場強(qiáng),由庫侖定律和電場強(qiáng)度定義:,“源”點(diǎn)電荷,場點(diǎn),(相對觀測者靜止),#7 畫出場強(qiáng)分布來?,球面是場強(qiáng)等模面, 球?qū)ΨQ分布,球?qū)ΨQ分布= ?,qi,q2,q0,q1,2.電場強(qiáng)度疊加原理和點(diǎn)電荷系的場強(qiáng),電場強(qiáng)度疊加原理,場點(diǎn),電偶極子 軸線上場強(qiáng),電偶極子,一對靠得很近的等量異號的點(diǎn)電荷.,相對的概念,,物理模型(如有極分子),r l,P,稱為電偶
11、極矩,電偶極子中垂面上的電場,r,方向?,從-q指向+q,電偶極子在電場中所受的力矩,用矢量形式表示為:,#8 一般情況下, 電偶極子在空間某位置激發(fā)的電場強(qiáng)度?,若 r l,電偶極子中垂面上的電場,解: q1在P點(diǎn)所激發(fā)的場強(qiáng)為#1,q2在P點(diǎn)所激發(fā)的場強(qiáng)為#2,根據(jù)場強(qiáng)疊加原理,P點(diǎn)的總場強(qiáng)為#4,# 任給若干點(diǎn)電荷, 它們在周圍真空中激發(fā)的電場強(qiáng)度?,例3. 三個點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別為q1= -86C, q2=50 C, q3=65 C。各電荷間的距離如圖所示。求(1) 作用在q3上合力的大小和方向。(2) 求P點(diǎn)電場強(qiáng)度.,q2,q1,q3,0.6m,0.52m,0.3m,P ,r,
12、q3在P點(diǎn)所激發(fā)的場強(qiáng)為#3,3. 連續(xù)帶電體的場強(qiáng),面電荷 dq = dS,面電荷密度,線電荷 dq = dl,線電荷密度,將帶電體分割成無限多塊無限小的帶電體,體電荷 dq = dV,體電荷密度,# 有了疊加原理, 微元法,例4.直線AB均勻帶電, 電荷線密度為. P點(diǎn)到 AB的距離為a,AP和 BP與直線夾角1 和2 . 求P點(diǎn)場強(qiáng)?,解:建立Oxy系如圖,原點(diǎn)O為P到直線的垂足,取線元dx,帶電,A B,A B,極限情況,當(dāng)AB 長度,(1,2 )(0,),無限長均勻帶電直線的場強(qiáng),圓柱面為等模面,#9. 畫場強(qiáng)分布圖?,P,例5. 均勻帶電環(huán)面如圖已知 , R1, R 2 , 以過環(huán)
13、心O的法線為z軸, 求z處P點(diǎn)場強(qiáng),解:,(1) 劃分電荷元,(2) 分析 大小,方向,正負(fù)成對出現(xiàn), 所有的dE積累為零,(3)積分求 :,正負(fù)成對出現(xiàn), 所有的dE積累為零,(4) 分析結(jié)果的合理性和討論, 單位 ;, 令 z= 0,得 ,,合理;, 令 z R2 ,,合理。,則:,# z0, 反面的軸上P點(diǎn)場強(qiáng)?, E的分布:,zm =?, 自己計算。, , 此為均勻帶電圓盤情形:,# 且R2, ?, 此為均勻帶電無限大平面:,(a) z 軸上E =?,(b) z 電荷線度處, E與z關(guān)系如何?,(a),(b),1. 電場線 ( 線 ),線上某點(diǎn)的切向即為該點(diǎn) 的方向,規(guī)定 線的密度給出
14、 的大小。,在電場中任一點(diǎn)處,通過垂直于電場強(qiáng)度E單位面積的電場線數(shù)等于該點(diǎn)的電場強(qiáng)度的數(shù)值,四. 電場線和電通量,大小呢? 畫出多少根?,關(guān)于電場的直觀表現(xiàn)方式,幾種電荷的 線分布,球?qū)ΨQ,無限長則圓柱對稱,電場線的實(shí)驗(yàn)演示: 針狀晶體碎屑撒到水平延展絕緣油中使之懸浮. 或水平光滑玻璃表面撒細(xì)小石膏晶粒.,點(diǎn)電荷q0,電偶極子,均勻帶電的直線段,(原因下一章講),兩 個 同 號 的 點(diǎn) 電 極,幾種電荷的 線分布的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,一對異號不等量點(diǎn)電荷的電場線,電場線,單 個 帶 電 平 板 電 極,正 負(fù) 帶 電 平 行 平 板 電 極,五. 電通量e,1.定義:,面積分, 不是點(diǎn)函數(shù) 是代數(shù)量, 有正、負(fù)。,2. 的幾何意義:,對
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