物理知识建构表(4)

物理知识建构表 4 真空静电场知识建构 真空静电场 物理概念或物理量 物理概念或物理量 名称 符号过程量 状态量 定义刻画 或表达 什么相关的物理量与相关物理量的关系 电荷q状态量带正负电的基本粒子 称为电 荷 刻画了物体的带电性质 电荷量q状态量用于度量电荷多少的物理量 刻画电荷多少的物理量 库仑力 1 2 2 净电荷q状态量金属导体中的自由电子 刻画了导体的导电能力 真空介电常数 真空 电容率 0 状态量 0 1 4 刻画了真空作为电介质传导 电场的能力 库仑力 1 2 4 0 2 静电常数k状态量 2 1 2 静电常数 k 是在计算电场力 大小时一个已被测定的额定 常数 库仑力 1 2 2 点电荷q状态量点电荷是体积足够小可以忽略 不计的电荷 是刻画电荷性质的理想模型 试验电荷q状态量试验电荷是体积足够小 所带 电荷量远小于场源电荷 自身 产生电场对场源电荷产生的电 用于探测电场某一点性质的 理想模型 场强 电场力 场影响可以忽略的电荷 场源电荷Q状态量产生电场的电荷称为场源电荷 场强 2 元电荷e状态量在各种带电微粒中 电子电荷 量的大小是最小的 人们把最 小电荷叫做元电荷 刻画了带电粒子所带的最小 电荷 正电荷 q状态量用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的 电荷叫做正电荷 电偶极矩 电荷线密度 状态量每单位长度的电荷密度假设电荷分布于一条曲线或 一根直棒子 则其线电荷密 度是每单位长度的电荷密度 电荷量 长度 电荷面密度 状态量分布在物体表面时 单位面积 上的电量称为面电荷密度 假设电荷分布于一个平面或 一个物体的表面 则其面电 荷密度是每单位面积的电荷 密 度 电荷量 面积 电荷体密度 状态量电荷分布在物体内部时 单位 体积内的电量称为体电荷密 假设电荷分布于一个三维空 间的某区域或物体内部 则 其体电荷密度是每单位体积 的电荷密度 电荷量 体积 电场电场是电荷及变化磁场周围空 间里存在的一种特殊物质 电场这种物质与通常的实物 不同 它不是由分子原子所 组成 但它是客观存在的 电场具有通常物质所具有的 力和能量等客观属性 场强 电势 电场线状态量电场线是为了直观形象地描述 电场分布 在电场中引入的一 曲线上每一点的切线方向和 该点电场强度的方向一致 电场 些假想的曲线曲线密集的地方场强强 稀 疏的地方场强弱 库仑力 F 状态量静止带电体之间的相互作用力两个静止带电体之间的库仑 力就是构成它们的那些点电 荷之间相互作用力的矢量和 静电力是以电场为媒介传递 的 即带电体在其周围产生 电场 电场对置于其中的另 一带电体施以作用力 电荷量 静电 力常量 距离 F k 1 2 3 电场力 F 状态量电场力是当电荷置于电场中所 受到的作用力 电场的基本性质是它对放入 其中的电荷有力的作用 这种 力就叫做电场力 场强 电荷量 F 静电场观察者与电荷相对静止时所观 察到的电场 静止的电荷对其周围电荷的 作用 感应电场状态量变化的磁场在周围空间激发的 电场 磁场产生的电场半径 rr cmv eh h 是磁场强度 c 是光速 电场强度 场强 状态量存在于电荷周围能传递电荷与 电荷之间相互作用的物理场 电场对电荷发生作用力的能 力 电荷 q 3 匀强电场 状态量大小相等 方向相同的电场电势 1 2 电偶极子两个等量异号点电荷组成的系 统 两个等量异号点电荷周围的 电场 电偶极矩电偶极矩就是电偶极子在 单位外电场下可能受到的 最大力矩 故简称电矩 电偶极矩 状态量电偶极子在单位外电场下可能 受到的最大力矩 电偶极子在单位外电场下受 到的力矩 距离 电势差 电压 状态量电荷 q 在电场中从 A 点移动 到 B 点 电场力所做的功 与电荷量 q 的比值 单位电荷在静电场中由于电 势不同所产生的能量差 功 高斯 曲 面真空中的任何静电场中中的任 一闭合曲面的电通量 它给出了静电场中 穿过任 一闭合曲线 S 的电通量与该 闭合曲面内包围的电量之间 在数值上的关系 有向曲面 取定了法线方向的平面称为有 向平面 将面积定义为矢量来讨论电 场强度通量 S en 闭合曲面 闭合的空间曲面 通量 状态量通过量之意描述了某一物质通过某一平 面或其它的多少 电场强度通量 状态量把电场中通过某一有向曲面的 电场线的条数叫做该曲面上的 电场强度通量 描述了穿过一个曲面的电场线 的数目 电场线将电场用一种假象的几何曲线 来表示 这就是电场线 电场线是电场中人为地做出 的有向曲线 环流流动系统中 设法让全部或部 分流体沿一定方向 一定路径 循环流动 称为环流 电场强度的环流 过程量矢量场 F 场中的一条闭合路径 C 的曲线积分 静电场电场强度环路积分为 零 可以说明带电物体在电 场中运动途径回到原点后 整个过程中电场力做功为零 电势能 状态量静电力是保守力 与之相对应 的势能叫做电视能 刻画了静电力的势能 0 0 电势 状态量电势能和其电荷量的比值叫做 电势 电势从功和能的角度描写电 场 0 0 等势线在电场中电势相等的点所组成 的曲线 刻画了电场中电场强度的分 布 电场线 等势 线上 Va Vb Wa Wb 电场线与等势线正交 Uab Va Vb 0 Wa Wb 等势体在电场中电势相等的点所组成 的体面 刻画了电场中电场强度的分 布 电场线 等势 体上 Va Vb Wa Wb 电场线与等势体正交 Uab Va Vb 0 Wa Wb 等势面在电场中电势相等的点所组成 的曲面 它刻画了电场强度的分布电场线 等势 面上 Va Vb Wa Wb 电场线与等势面正交 Uab Va Vb 0 Wa Wb 电势梯度gradV状态量电势在空间的变化率刻画了电势场在空间的变化 率 电势在 x 轴的 分布 在 y 轴的分布 在 z 轴的分布 电势的方向导数 过程量电势沿 方向单位长度上的变 r 化 刻画了 方向的空间变化率 r 电势 球对称电场E 电荷分布呈球 点 对称的电 场 电场强度 4 0 2 0 面对称电场 E电荷分布呈面 对称的电场面密度 真空电容率E 2 0 轴对称电场 E电荷分布呈轴 柱 对称的电 场 线密度 2 0 真空静电场 基本规律知识建构 定律 定理 原理的 名称 中文表述关联物理量关联物理量之间的数学表 达式 内涵与外延常用于求解哪些物 理问题 适用条件 电荷守恒定律电荷既不能被创造 也 不能被消灭 只能从一 个物体转移到另一个物 体 或者从物体的一部 分转移到另一部分 在 转移的过程中 电荷的 总量保持不变 当一个 系统与外界没有电荷交 换时 系统电荷的代数 和总是保持不变的 电荷量对于一个孤立系统 不 论发生什么变化 其 中所有电荷的代数和永 远保持不变 电荷守恒 定律表明 如果某一区 域中的电荷增加或减少 了 那么必定有等量的 电荷进入或离开该区域 如果在一个物理过程中 产生或消失了某种电荷 电荷量一个孤立系 统 那么必定有等量的异号 电荷同时产生或消失 库伦定律在真空中 两个静止的 点电荷之间的作用力与 这两个电荷所带电量的 乘积成正比 和它们距 离的平方成反比 作用 力的方向沿着两点电荷 的连续并且同号电荷相 斥 异号电荷相互吸引 电荷量 作 用力 距离 电荷之间的作用力随着 电荷量的增大而增大 随着距离的增大而减小 库伦力满足牛顿第三定 律 库伦力是一种长程 力 电荷量 作用力 距离 真空中 静止 点电荷 高斯定理通过任意闭合曲面的电 通量等于该闭合曲面所 包围的所有电荷量的代 数和与电常数之比 电通量 闭 合曲面 电 荷量 任何一条进入一个闭合 曲面的磁力线必定会从 曲面内部出来 否则这 条磁力线就不会闭合起 来了 如果对于一个闭 合曲面 定义向外为正 法线的指向 则进入曲 面的磁通量为负 出来 的磁通量为正 那么就 可以得到通过一个闭合 曲面的总磁通量为 0 给出了任意闭合 E 通量 与闭合曲线内部所包围 的电荷的关系 电通量 电荷量闭合曲面 场强叠加原理点电荷系统中任意一点 的场强等于各个点电荷 场强 点电 荷 矢量和 利用电场的叠加原理 理 论上可计算任意带电体 场强 点电荷 场 强矢量和 点电荷系统 单独存在时在该点产生 的场强的矢量和 在任意点的场强 场强 的可叠加性 不仅对点 电荷系成立 对任意带 点系统所产生的电场也 是正确的 电势叠加原理任意一个电荷体系的电 场中任意一点的电势等 于带电体系各部分电荷 单独存在时在该点产生 的电势的代数和 电场 点电 荷 电势 E E1 E2 En 1 任意一个静电场都可以 看成是多个或无限多个 点电荷电场的叠加 电势总电势 静电场环路定理在静电场中 场强沿任 意路径的线积分 0 在静电场中沿任意闭合 路径 电场强度的环流 都恒为零 表述静电场的环流 性 用于描写各 种矢量场的 特点 真空静电场 常见电场的场强和电势 电场名称场强公式电场分布特点电势公式公式适用范围公式来源和计算方法 点电荷电场 E 球对称 V 4 全空间实验测得 比值定义 匀强电场 均匀 V 0 该电场内叠加原理 矢量和 均匀带电直线段的电场 E 4 1 1 沿轴线对称 V 4 ln 该电场内叠加原理积分 均匀带电无限长直线外 电场 2 0 沿中线柱对称 2 0ln C 为与电势零点有关 的常量 无限长直线外叠加原理积分 高斯定 理 均匀带电无限长面外电 场 2 0 相当于匀强电场 2 0 平面外有限距离内叠加原理积分 高斯定 理 电偶极子中垂线上的电 场 4 0 3 点偶极子中垂线上0电偶极子的中垂线根据电势分布的特点 均匀带电球体外的电场 4 0 2 类似于点电荷分布 4 0 3 带电导体球外叠加原理积分 高斯定 理 均匀带电球体内的电场 4 0 3 电场强度与人 r 成正比 4 0 带电导体球内叠加原理积分 高斯定 理 均