【正文】 1 基礎(chǔ)物理學(xué) 授課教師 鄭榮升 2022 — 2022 第一學(xué)期 Email: 2 衛(wèi)星通信 ? 電磁學(xué)的應(yīng)用 無線充電 3 上海同步輻射光源 人造小太陽（強(qiáng)磁場約束核聚變） 4 第五章 靜電場 5 本章目錄 51 電荷量子化 電荷守恒定律 52 庫侖定律 53 電場強(qiáng)度 54 電場強(qiáng)度通量 高斯定理 *55 密立根測定電子電荷的實驗 物理學(xué) 第五版 58 電場強(qiáng)度與電勢梯度 56 靜電場的環(huán)路定理 電勢能 57 電勢 第五章 靜電場 物理學(xué) 第五版 6 50 教學(xué)基本要求 一 掌握 描述靜電場的兩個基本物理量 ——電場強(qiáng)度和電勢的概念，理解電場強(qiáng)度 是矢量點函數(shù)，而電勢 V 則是標(biāo)量點函數(shù) . 二 理解 靜電場的兩條基本定理 ——高斯定理和環(huán)路定理，明確認(rèn)識靜電場是有源 場和 保守 場 . E?第五章 靜電場 物理學(xué) 第五版 7 三 掌握 用點電荷的電場強(qiáng)度和疊加原理以及高斯定理求解帶電系統(tǒng)電場強(qiáng)度的方法；能用電場強(qiáng)度與電勢梯度的關(guān)系求解較簡單帶電系統(tǒng)的電場強(qiáng)度 . 四 了解 電偶極子概念，能計算電偶極子在均勻電場中的受力和運動 . 50 教學(xué)基本要求 8 167。51 電荷量子化 電荷守恒定律 15441603，吉爾伯特為了把這種相互作用與磁場作用加以區(qū)別，創(chuàng)造除了“ electricity（電）”，源自于希臘文“琥珀”音譯“ electron”。 近代物理實驗揭示了電荷的物理本質(zhì)。 電荷是基本粒子（電子、中子、質(zhì)子等）的一種屬性 ，離開基本粒子電荷便不能獨立存在。 （探索本質(zhì)） 一、電荷是電學(xué)中最基本的概念 早期，人們是通過物質(zhì)的力效應(yīng)來定義它的。他們發(fā)現(xiàn)許多物質(zhì)，如琥珀、玻璃棒、橡膠棒等經(jīng)過毛皮摩擦后，能夠吸引小物質(zhì)，便說這些物質(zhì)帶了電荷。 （生活現(xiàn)象） 9 1897年，英國物理學(xué)家湯姆遜測出了陰極帶電粒子的荷質(zhì)比，這種帶負(fù)電的粒子后來稱為電子。 19091917 年，密立根用油滴實驗，測定電荷最小單位是 *10（ 19） C，并因此在 1923年獲得了諾貝爾獎。 湯姆遜 密立根 10 物理實驗表明：同號電荷相互排斥，異號電荷相互吸引。根據(jù)這一特性我們可以測出物質(zhì)的電荷屬性。揭示了電荷的物理本質(zhì)。 二、電荷的基本性質(zhì) 自然界存在兩種電荷，分別稱為正電荷（ +）和負(fù)電荷（ ）。 1747年，美國科學(xué)家富蘭克林，把在室溫下絲綢摩擦過的玻璃板所帶的電荷稱為正電荷，毛皮摩擦過的橡膠棒多帶的電荷稱為負(fù)電荷。 富蘭克林 11 電荷是量子化的。 在自然界中，物質(zhì)所帶的電荷量不可能連續(xù)的變化，而只能一份一份地增加或減少。如前所述，這最小的一份是電子或正電子所帶的電量絕對值。 ?2,1, ???? nneQCe 19106 0 ???電荷基本單元近似為 12 近代物理實驗證實基本粒子都是由夸克組成的，每一個夸克和飯夸克可能帶有 177。 1/3或 177。 2/3的電量。然而，至今單獨存在的夸克尚未在實驗重磅發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)了也改變不了電荷的量子化性質(zhì)。 13 電荷是守恒的。 富蘭克林，對毛皮和橡膠棒反復(fù)摩擦、接觸實驗，發(fā)現(xiàn)對于這樣一個孤立系統(tǒng)，電荷總量是守恒的。即對于一個系統(tǒng)，如果沒有凈電荷出入其邊界，則該系統(tǒng)的正、負(fù)電荷的電量的代數(shù)和將保持不變。 電荷的大小具有相對論不變性。 電荷與質(zhì)量一樣是物質(zhì)的基本屬性，但是電荷大小與帶電體的運動速率無關(guān)。物體質(zhì)量大小與運動速率相關(guān)。 14 167。52 庫侖定律 一、庫侖定律建立的基礎(chǔ) 人們認(rèn)識了同種電荷相斥，異種電荷相吸。那么 ，電荷之間相互作用力的大小和方向？ 1755年，富蘭克林，圓筒實驗。 1767年德國的普厲斯特的猜想： “難道我們就不可以認(rèn)為電的吸引力遵從與萬有引力相同的規(guī)律，即與距離平放反比有關(guān)的規(guī)律嗎？” 17711773年間，英國卡文迪許靜電實驗得到上述結(jié)論， 100年后麥克斯韋整理出版。 15 庫侖（ 1736－ 1806） 1785年 ,法國物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤做實驗總結(jié)出了 點電荷 之間相互作用的基本定律 ,即庫侖定律 。 扭轉(zhuǎn)時扭力矩和針轉(zhuǎn)過的角度成比例關(guān)系 ? 二 、 庫侖與扭秤實驗 16 ? 點電荷 （ 試驗 引入模型 總結(jié)規(guī)律 ） 帶電體本身的線度比涉及的距離小得多 ,其形狀和大小可忽略，視為只帶有電量的點。 1q2qdr dr ??17 12Fq1 + q2 + 12re12r21F? 真空中的庫侖定律 （ 靜止點電荷 靜電力 ） 212212121 rerqqkF ?? ?21re三、 庫侖定律 ? SI單位制比例常數(shù) k ： 9 2 29 1 0 /k N m C? ? ?? 真空介電常量 ? ?22120 / 1 mNCk ???? ???2122102121 4 rerqqF ????? 在真空中，兩個 靜止 點電荷之間相互作用力與這兩個點電荷的電荷量 q1和 q2的乘積成正比，而與這兩個點電荷之間的距離 r12（或r21）的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線，同號相斥，異號相吸。 18 與 反向 ， 即為吸引力 12F 12re12F12req1 q2 + 12Fq1 12re q2 12r? q q2同號 與 同向 ， 即為排斥力 。 12re12F? q q2異號 213210212122102121 44 rrqqerqqFr?????????19 微觀領(lǐng)域 ， 萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力 ， 可忽略 。 ? 萬有引力與庫侖力 39478 ??????＝萬FF e氫原子內(nèi) ， 電子與質(zhì)子之間 28e 201 10 N4 πeFr??? ? ?ep 4 7g 2 3 .6 1 0 NmmFGr? ? ?31e 9 . 1 1 0 k gm ???27p 1 . 6 7 1 0 k gm ???1 1 2 26 . 6 7 1 0 N m k gG ??? ? ? ?191 .6 1 0 Ce ??? 115 . 3 1 0 mr ???20 電荷間的相互作用是如何產(chǎn)生的 ？ (1) 超距作用 （被證明錯誤） 相互作用 (2) 場 : 認(rèn)為電荷間的相互作用通過場來進(jìn)行 q field Q 167。53 電場強(qiáng)度 21 ? 電場 —— 客觀存在 ， 具有動量 、 能量等屬性 靜止的電荷在其周圍空間產(chǎn)生的電場，為 靜電場 。 電 場 電 荷 電 荷 相互作用 (庫侖力 ) ? 電場的性質(zhì) ? 對放于其中的電荷有力的作用 ? 電場力移動電荷做功 22 ? 檢驗電荷 電荷所帶電量 q0充分小 ， 不影響原電場的分布； 可視為點電荷 ， 可確定空間各點的電場性質(zhì) 。 Q?場源電荷 F?檢驗電荷 0q?? 試驗規(guī)律 ? 同一點電荷 ,在不同場點 ， 受力大小和方向可能不同 ? 同一場點 ， 不同電量的同種檢驗電荷 ， 受力方向相同 ， 且 定值?0qF23 ? 電場強(qiáng)度 （ 場強(qiáng) ） ? 定義式 0qFE???單位 N/C 或 V/m Q?場源電荷 F?檢驗電荷 0q?? 定義 : 單