1、2020/8/10,1,靜電場(chǎng) 相對(duì)觀測(cè)者靜止的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng),2020/8/10,2,第一章 真空中的靜電場(chǎng),11 電荷 庫(kù)侖定律,12 電場(chǎng) 電場(chǎng)強(qiáng)度,13 高斯定理,14 靜電場(chǎng)的環(huán)路定理 電位,15 等勢(shì)面 電場(chǎng)強(qiáng)度與電位梯度的關(guān)系,*16 帶電粒子在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),2020/8/10,3,教學(xué)要求：,1. 掌握?qǐng)鰪?qiáng)和電位概念及疊加原理，掌握?qǐng)鰪?qiáng)和電位的積分關(guān)系，了解其微分關(guān)系，能計(jì)算簡(jiǎn)單問題的場(chǎng)強(qiáng)和電位； 2. 理解靜電場(chǎng)高斯定理和環(huán)路定理，掌握用高斯定理計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)的條件 和方法。,2020/8/10,4,11 電荷 庫(kù)侖定律,一、對(duì)電荷的基本認(rèn)識(shí),兩種電荷：實(shí)驗(yàn)1-用毛皮或絲綢摩擦過(guò)

2、的橡膠棒 或玻璃棒可吸引輕小物體（羽毛，頭發(fā)）。 實(shí)驗(yàn)2-相互吸引，相互排斥 2. 導(dǎo)體：可傳導(dǎo)電荷的物體（金屬，電解液） 絕緣體（電解質(zhì)）：不能傳導(dǎo)電荷的物體（橡膠，干燥的玻璃棒） 半導(dǎo)體：傳導(dǎo)電荷的能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，而且電性質(zhì)非常特殊的材料，對(duì)溫度、光照、壓力等外界條件極為敏感。,2020/8/10,5,7. 電荷量子化：密立跟實(shí)驗(yàn)（19061917年）,Q=Ne, e=1.6010-19C,在一個(gè)和外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過(guò)程中保持不變。,6. 電荷守恒定律-物理學(xué)中普遍的基本定律,5.起電方式：摩擦起電和靜電感應(yīng),2020/8/10,6,190

3、9年密立根通過(guò)直接測(cè)量油滴的電荷，直接證實(shí)了電荷的量子性。,帶電油滴滴入勻強(qiáng)電場(chǎng),使油滴帶不同電量，重復(fù)測(cè)量得油滴所帶電量總是一個(gè)最小電量e的整數(shù)倍 直接證實(shí)了電荷的量子性 1986年e的推薦值為,2020/8/10,7,8. 基本粒子：,夸克帶分?jǐn)?shù)電荷，,夸克摸型，理論成立，但至今在實(shí)驗(yàn)中未找到自由的夸克。,相互作用有四種：強(qiáng)相互作用，電磁作用，弱相互作用，萬(wàn)有引力。,2020/8/10,8,夸克和反夸克，以色和味來(lái)標(biāo)記，它們是組成質(zhì)子、中子和所有強(qiáng)子的基本單元，已發(fā)現(xiàn)30種。 輕子族：只參加弱相互作用，它們是電子，電子型中微子等以及這些粒子的反粒子，共12種。 媒介自：它們是傳遞相互作用的

4、粒子。 相互作用有四種：萬(wàn)有引力，電磁作用，弱相互作用，強(qiáng)相互作用。,組成宇宙萬(wàn)物的基本粒子分三類：,2020/8/10,9,二、 庫(kù)侖定律（Coulombs law）,生平： 1736年6月庫(kù)侖生于法國(guó)的安古萊姆，先后就讀馬扎蘭學(xué)院和法蘭西學(xué)院。1760年（24歲）又考入梅齊埃爾工兵學(xué)校，在此認(rèn)識(shí)了地磁學(xué)家波爾達(dá)(j.c.borda),在1764年1781年（2845歲）他一直以工程師的身份在軍隊(duì)服役。1781年才在巴黎定居組織了家庭。在1781年1801年（4565歲）共宣讀了二十五篇論文，其中1785年發(fā)表的第一篇“論電和磁”是關(guān)于扭力秤的論文，給出了測(cè)量靜電力的扭力秤的結(jié)構(gòu)。另外還有七

5、篇電學(xué)和磁學(xué)的論文，其余是關(guān)于土木工程、機(jī)械力學(xué)和 摩擦研究的論文，這些論文均被法蘭西物理學(xué)會(huì)收集在物理學(xué)論文集中。1801年（65歲）他被當(dāng)選為法蘭西研究院名譽(yù)主席。 點(diǎn)電荷模型：可抽象為一個(gè)幾何點(diǎn)的帶電體，它本身的幾何線度與它到其它帶電體的距離相比小得多,2020/8/10,10,1. 庫(kù)侖定律,以庫(kù)侖定律為例說(shuō)明： 一個(gè)物理定律建立本身就是物理學(xué)取得很大進(jìn)展的標(biāo)志 物理定律具有豐富、深刻的內(nèi)涵和外延 對(duì)于基本定律，我們究竟從那些方面考察？,2020/8/10,11,物理定律建立的一般過(guò)程,觀察現(xiàn)象； 提出問題； 猜測(cè)答案； 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量； 歸納尋找關(guān)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律； 形成定理、定律（常常需

6、要引進(jìn)新的物理量或模型，找出新的內(nèi)容，正確表述）； 考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現(xiàn)代含義等 。,2020/8/10,12,一.庫(kù)侖定律的建立,Franklin 首先發(fā)現(xiàn)金屬小杯內(nèi)的軟木小球完全不受杯上電荷的影響; 在Franklin的建議下，Priestel做了實(shí)驗(yàn) 提出問題,2020/8/10,13,猜測(cè)答案,現(xiàn)象與萬(wàn)有引力有相同規(guī)律 由牛頓力學(xué)可知：球殼對(duì)放置在殼外的物體有引力，而放置在球殼內(nèi)任何位置的物體受力為零。 類比：電力與距離平方成反比（1766年做的實(shí)驗(yàn)，未被重視）,2020/8/10,14,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),1769年Robison首先用直接測(cè)量方法確定電力定律，得到兩個(gè)同

7、號(hào)電荷的斥力,兩個(gè)異號(hào)電荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究結(jié)果直到1801年發(fā)表才為世人所知）,2020/8/10,15,Cavendish實(shí)驗(yàn),1772年Cavendish遵循Priestel的思想設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電力平方反比律，如果實(shí)驗(yàn)測(cè)定帶電的空腔導(dǎo)體的內(nèi)表面確實(shí)沒有電荷，就可以確定電力定律是遵從平方反比律的即,他測(cè)出不大于 0.02（未發(fā)表，100年以 后Maxwell整理他的大量手稿，才將此結(jié)果公諸于世。,2020/8/10,16,1785年Coulomb測(cè)出結(jié)果,精度與十三年前Cavendish的實(shí)驗(yàn)精度相當(dāng) 庫(kù)侖是扭稱專家; 電斥力扭稱實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)只有幾個(gè)，且不準(zhǔn)確（由于漏電）不

8、是大量精確的實(shí)驗(yàn)； 電引力單擺實(shí)驗(yàn)得 電引力單擺周期正比于距離 與萬(wàn)有引力單擺周期類比，得,2020/8/10,17,4.真空中，兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間相互作用力的大小，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。靜電作用力大小相等而方向相反，并且沿著它們的聯(lián)線；同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸。,（1）結(jié)構(gòu)； （2）測(cè)量方法（同性電荷，異性電荷，類比法）,3. 扭力秤的設(shè)計(jì)思想：,2020/8/10,18,數(shù)學(xué)表述：,2020/8/10,19,實(shí)驗(yàn)定出： k = 8.988010 9 Nm2/C2,國(guó)際單位制（SI）中：,q 庫(kù)侖（C），,F牛頓（N） ，,r 米（m）,2020/8/10

9、,20,6.庫(kù)侖定律和萬(wàn)有引力定律的比較 相似性：形式相同 不同：(1)萬(wàn)有引力 , 庫(kù)侖吸引力和排斥力 （2）在大質(zhì)量物體之間 ，在很小的帶電體之間,2020/8/10,21,適用范圍和精度,原子核尺度地球物理尺度 天體物理、空間物理 大概無(wú)問題,基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律。宏觀、微觀均適用；,精度：Coulomb時(shí)代 1971年,2020/8/10,22,理論地位和現(xiàn)代含義,庫(kù)侖定律是靜電學(xué)的基礎(chǔ)，說(shuō)明了 帶電體的相互作用問題 原子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，固體、液體的結(jié)構(gòu) 化學(xué)作用的微觀本質(zhì) 都與電磁力有關(guān)，其中主要部分是庫(kù)侖力 靜電場(chǎng)的性質(zhì),2020/8/10,23, 庫(kù)侖定律適用的條件：, 真空中點(diǎn)電荷間的

10、相互作用 施力電荷對(duì)觀測(cè)者靜止（受力電荷可運(yùn)動(dòng)）, 0 真空介電常量 （dielectric constant, 有理化：,引入常量 0，,有：,有理化后的庫(kù)侖定律：,令,of vacuum ）,2020/8/10,24,電量單位 MKSA制,1庫(kù)侖：當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)1安培穩(wěn)恒電流時(shí)，一秒鐘內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線某一給定截面的電量為 1C=1As 若F=1N, q1=q2=1C, r=1m 則 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2,2020/8/10,25,CGSE制單位制,電量作為基本單位由C-定律定義 令：k=1, q1=q2, r=1cm ,F=1dyn, 則電量q的單位為 1

11、CGSE電量， 1C=3109CGSE電量,2020/8/10,26,迭加原理,作用在每一個(gè)點(diǎn)電荷上的總靜電力等于其他各點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)作用于該點(diǎn)電荷靜電力的矢量和，這就是靜電力的疊加原理，也叫獨(dú)立作用原理。,庫(kù)侖定律與疊加原理相配合，原則上可以解決靜電力中的全部問題。,矢量疊加,2020/8/10,27,例題1 按量子理論，在氫原子中，核外電子快速地運(yùn)動(dòng)著，并以一定的概率出現(xiàn)在原子核（質(zhì)子的周圍各處，在基態(tài)下，電子在以質(zhì)子為中心，半徑0.52910-10的球面附近出現(xiàn)的概率最大.試計(jì)算在基態(tài)下,氫原子內(nèi)電子和質(zhì)子之間的靜電力和萬(wàn)有引力,并比較兩者的大小.引力常數(shù)為G=6.6710-11Nm2

12、/kg2,解 按庫(kù)侖定律計(jì)算,電子和質(zhì)子之間的靜電力為,2020/8/10,28,應(yīng)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算, 電子和質(zhì)子之間的萬(wàn)有引力為,由此得靜電力與萬(wàn)有引力的比值為,2020/8/10,29,可見在原子中,電子和質(zhì)子之間的靜電力遠(yuǎn)比萬(wàn)有引力大,由此,在處理電子和質(zhì)子之間的相互作用時(shí),只需考慮靜電力,萬(wàn)有引力可以略去不計(jì). 而在原子結(jié)合成分子,原子或分子組成液體或固體時(shí),它們的結(jié)合力在本質(zhì)上也都屬于電性力.,2020/8/10,30,例2 設(shè)原子核中的兩個(gè)質(zhì)子相距4.010-15m,求此兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電力.,2020/8/10,31,例3 在圖中, 三個(gè)點(diǎn)電荷所帶的電荷量分別為q1=-86 C

13、,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, 并i和j分別為沿x,y軸方向的單位矢量.,2020/8/10,32,電荷q2作用于電荷q3上的力 的大小為,力 沿x軸和y軸的分量分別為,按庫(kù)侖定律可算得q1作用于電荷q3上的 的大小為,2020/8/10,33,力 沿x軸和y軸的分量分別為,根據(jù)靜電力的疊加原理,作用于電荷q3上的合力為,合力 的大小為,2020/8/10,34,合力 與x軸的夾角為,從上面的例子可以看出,由庫(kù)侖定律算出的作用力是不小的,在距離一定時(shí),它與帶電體所帶電荷量相關(guān).例如兩個(gè)各帶電荷量為1C的帶電體,當(dāng)它們相距1m時(shí),根