大学物理 第四版 第五章

1 真空中的静电场 2 本章内容 第五章静电场 3 第一节 4 电荷 组成实物的某些基本粒子 电子 质子等 的固有属性之一 它描述了实物粒子的电性质 物质的电结构理论物质由原子组成 原子由原子核和核外电子组成 原子核又由中子和质子组成 中子不带电 质子带正电 电子带负电 质子数和中子数相等 原子呈电中性 原子核 电子 5 1电荷的量子化电荷守恒定律 种类 性质 正电荷 负电荷 库仑 C 同种相斥 异种相吸 量度 5 物体带电的本质 两种物体间发生了电子的转移 即一物体失去电子带正电 另一物体得到电子带负电 5 1电荷的量子化电荷守恒定律 6 第一节 1913年美国物理学家密立根 K A Millikan 油滴实验直接测定了基本单元电的量值 电量 带电体所带电荷的量值称之为电量 用Q或q表示 单位 SI 库仑 C 5 1电荷的量子化电荷守恒定律 7 近代测定 基本粒子的电量为 光子 中子 中微子不带电 近代物理理论 基本粒子由若干种夸克或反夸克组成 每一夸克或反夸克具有的电量为 至今尚未从实验中直接发现单独存在的夸克或反夸克仅在一些间接的实验中得到验证 5 1电荷的量子化电荷守恒定律 8 电荷守恒定律 该定律的要点 电荷守恒定律对宏观过程和微观过程均适用 5 1电荷的量子化电荷守恒定律 9 第一节 10 库仑 C A Coulomb1736 1806 法国物理学家 1785年通过扭秤实验创立库仑定律 使电磁学的研究从定性进入定量阶段 电荷的单位库仑以他的姓氏命名 5 2库仑定律 11 一 点电荷模型 点电荷 带有电荷的几何点 没有荷种的带电体 实际问题中 当带电体的线度d远比带电体间的距离小时 带电体可视为点电荷 点电荷是一个理想模型 当d r12 电荷q1和q2可视为点电荷 二 库仑定律 1785年 真空中 两个静止的点电荷之间的相互作用力 其大小与它们的电荷的乘积成正比 与它们之间距离的平方成反比 作用力的方向沿两点电荷的连线 同号电荷相斥 异号电荷相吸 19 5 2库仑定律 12 库仑定律的数学表达式 电荷q2受到电荷q1的作用力为 0称为真空电容率 在国际单位制 SI 中 0和k为 式中 19 5 2库仑定律 13 5 2库仑定律 注意 14 万有引力为 引力常数 两力之比为 1798年英国化学家卡文迪许测出G 可见 微观领域中 万有引力比库仑力小得多 可忽略不计 5 2库仑定律 15 第一节 16 第二节 一 静电场 根据场论观点 1 特殊媒介物质 电场 2 电场力 场论观点 没有物质 物体之间的相互作用是不可能发生的 5 3电场强度 3 电场是物质的一种特殊形态 不仅存在于带电体内 而且存在于带电体外 弥漫在整个空间 17 5 3电场强度 静电场的重要对外表现 1 引入静电场中的任何带电体都受到电场所施加的力的作用 库仑力实际上就是这种力 2 当引入静电场中的带电体都受力并在电场中移动时 电场力就对它作功 3 静电场中放入导体或介电质时 会分别出现静电感应现象和极化现象 18 二 电场强度 5 3电场强度 1 在场中不同点 受力的大小 方向均不同 实验结果 2 不同在场中确定点其受力的方向确定 大小与成正比 3 比值与无关 仅由电场本身的性质决定 19 定义 电场强度 场强 电场中某点的电场强度在量值上等于放在该点的单位正试验电荷所受的电场力 其方向与正试验电荷受力方向一致 5 3电场强度 20 根据库仑定律 有 5 3电场强度 三 点电荷电场强度 21 点电荷系场强 四 电场强度叠加原理 一 分立点电荷系的场强 5 3电场强度 22 5 3电场强度 一 分立点电荷系的场强 23 点电荷系在某点产生的场强 等于每一个点电荷单独存在时在该点分别产生的场强的矢量和 场强叠加原理 5 3电场强度 分量式 24 带电体的场强 利用场强叠加原理计算 把带电体携带的电荷看成是电荷元dq的集合 电荷元dq作点电荷处理 由场强叠加原理 所有电荷元在该点产生的合场强为 5 3电场强度 二 连续分布电荷的场强 25 分量式 5 3电场强度 二 连续分布电荷的场强 26 电荷连续分布的电场 电荷体密度 5 3电场强度 27 电荷面密度 电荷连续分布的电场 5 3电场强度 28 电荷线密度 电荷连续分布的电场 5 3电场强度 29 电偶极子场强 五电偶极子的场强 5 3电场强度 电偶极子的轴 由负电荷指向正电荷的矢量 由电荷相等 符号相反的两个点电荷组成的点电荷系 当考察点到电荷的距离R比r0大很多时 即R r0 两点电荷系称为电偶极子 2 电偶极子的电场 电偶极子产生的电场由两个点电荷的电场叠加而成 1 电偶极子 作为点电荷系的一个特例 分析电偶极子的电场分布 电偶极矩 电矩 30 电偶极子场强 5 3电场强度 在两个特殊方向上的电场强度分布具有重要的意义 1 电偶极子轴线延长线上任意一点的电场强度 2 电偶极子轴线的中垂线上任意一点的电场强度 31 5 3电场强度 32 5 3电场强度 33 2 轴线中垂线上一点的电场强度 34 5 3电场强度 35 带电圆环场强 36 续22 续22 带电圆环场强 均匀带电圆环轴上点的场强 5 3电场强度 37 续22 带电圆环场强 讨论 5 3电场强度 38 带电圆盘场强 均匀带电薄圆盘轴上点的场强 5 3电场强度 39 作业 5 3电场强度 40 带电直线场强 均匀带电直线的场强 设有长度为L 总电量为 Q的均匀带电细棒 试求棒的中垂线上一点P处的场强 设P点至棒的距离为a 以及带电细棒延长线上一点Q处的场强 Q点至棒的中点的距离亦为a 41 在直角坐标系中分解 得 由对称性可知 42 所以 讨论