10-1 电荷和库仑定律.ppt

1、1,10-1 电荷和库仑定律,一、电荷 (charge),摩擦起电和雷电：对电的最早认识,1、电荷,用丝稠摩擦过的玻璃棒所带的电荷，规定为正电荷； 用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷，规定为负电荷；,电荷的种类：正电荷和负电荷,一般地说：使物体带电就是使它获得多余的电子或从它取出一些电子,2,电荷的作用：同性相斥和异性相吸,3,原子是电中性的，原子核中的中子不带电、质子带正电、核外电子带负电，并且所带电量的绝对值相等。 自然界中有两种电荷：正电荷、负电荷。,原子的电性是由它所包含的质子数和电子数决定的，原子的质量是由它所包含的质子数和中子数决定的。,4,密立根（R.A.millikan )用液滴

2、法测定了电子电荷，电子是自然界中存在的最小负电荷, 2002年的推荐值为： e =1.602 176 5310-19 C, 电荷守恒定律：在一个和外界没有电荷交换的孤立系统，无论发生什么变化 ，整个系统的电荷总量（正负电荷的代数和）必定保持不变。 电荷守恒定律是物理学中普遍的基本定律,实验证明微小粒子带电量的变化是不连续的，它只能是元电荷 e 的整数倍 , 即粒子的电荷是量子化的： Q = n e ; n = 1, 2 , 3,电荷量子化是个实验规律。,5,在近代物理中发现强子(如质子、中子、介子等)是由夸克(quark)构成的，夸克所带电量为e的1/3或2/3。但是到目前为止还没有发现以自由

3、状态存在的夸克。电量的最小单元不排除会有新的结论，但是电量量子化的基本规律是不会变的。,在相对论中物质的质量会随其运动速率而变化，但是实验证明一切带电体的电量不因其运动而改变，电荷是相对论性不变量。,6,二、库仑定律(Coulomb law),库仑(1736-1806) 法国工程师、物理学家,1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在。 1777年开始研究静电和磁力问题，发明扭秤。 1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。 1785-1789年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。,扭秤,7,真空中两个静止的点电荷之间的作用力（

4、静电力），与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，作用力沿着这两个点电荷的连线，同号相斥，异号相吸。,自身线度与带电体之间距离相比很小的带电体,“质点”,8,是国际单位制中的比例系数,（ 为真空电容率）,注意：只适用两个相对于观察者为静止点电荷之间，并满足牛顿第三定律。,9,自然界存在四种力：强力、弱力、电磁力和万有引力, 把10-15m的尺度上两个质子间的强力的强度规定为1, 其它各力的强度是：电磁力为10-2，弱力为10-9，万有引力为10-39。在原子、分子的构成以及固体和液体的凝聚等方面，库仑力都起着主要的作用。,10,例1 按量子理论，在氢原子中，核外电子快速地运动

5、着，并以一定的概率出现在原子核（质子的周围各处，在基态下，电子在半径0.52910-10的球面附近出现的概率最大.试计算在基态下,氢原子内电子和质子之间的静电力和万有引力,并比较两者的大小.引力常数为G=6.6710-11Nm2/kg2,解: 按库仑定律计算,电子和质子之间的静电力为,11,应用万有引力定律, 电子和质子之间的万有引力为,由此得静电力与万有引力的比值为,12,可见在原子中,电子和质子之间的静电力远比万有引力大,由此,在处理电子和质子之间的相互作用时,只需考虑静电力,万有引力可以略去不计. 而在原子结合成分子,原子或分子组成液体或固体时,它们的结合力在本质上也都属于电性力.,（微

6、观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）,13,例2 设原子核中的两个质子相距4.010-15m，求此两个质子之间的静电力.,可见,在原子核内质子间的斥力是很大的。 质子之所以能结合在一起组成原子核,是由于核内除了有这种斥力外还存在着远比斥力为强的引力_核力的缘故。上述两个例题,说明了原子核的结合力远大于原子的结合力, 原子的结合力又远大于相同条件下的万有引力。,解:两个质子之间的静电力是斥力,它的大小按库仑定律计算为,14,三、静电力的叠加原理,数学表达式,离散状态,两点电荷间相互作用力不因其它电荷的存在而改变。 点电荷系对某点电荷的作用等于系内各点电荷单独存在时对该电荷作用的矢量和

7、。,15,例3：三个点电荷q1=q2=2.010-6C , Q=4.010-6C ， 求q1 和 q2 对Q 的作用力。,解： q1 和 q2对Q 的作用力的 方向虽然不同，但大小相等：,由对称性可以看出两个力在 y 方向的分力大小相等，方向相反而相互抵消，Q 仅受沿x方向的作用力：,16,连续分布,17,如图所示，电荷线密度为 + 的均匀带电线 AB 长为 l ，在其轴线上有一点电荷 +q ，距 A 端为 a,解 三,解 二,解 一,若带电体的线度带电体间的距离， 则带电体可看成点电荷,点电荷和电线的作用力,例4.,求,18,已知两杆电荷线密度为 ，长度为 L，相距 L,解,例5.,两带电直杆间的电场力。,求,19,1、在真空中有两点电荷，若保持电荷间的距离不变，一个电荷的