大学物理静电场教学PPT

大学物理第十三章真空中的静电场章节简介电场强度电场电势U电势梯度电场强度的“功”点电荷库仑定律高斯定理环路定理定义本章引入电场的概念，定义并计算其两个重要物理量：电场强度和电势。（课时数：共3讲，6学时）E大学物理第一讲电场强度及其积分叠加主要内容：库仑定律，点电荷的场强（定义），场强叠加原理重点要求：用叠加原理求电场强度难点理解：化整为零，积零成整数学方法：矢量积分与求和典型示例：电偶极子，带电直线，带电圆盘课外练习：思考题13.1，习题13.1，13.2，13.4，13.5大学物理主要内容一、实验规律：库仑定律1.点电荷：大小和形状可以忽略的带电体。2.点电荷间的相互作用：矢量表达的库仑定律。212212121rrqqkF0221041rrqqFq212F21rq121F1r2r大学物理动画演示：点电荷的相互作用思维空间：a.找出作用力与反作用力。b.总结实验规律－库仑定律。c.研究各种位置和电荷组合的作用力之大小和方向。操作说明：电荷可拖动；电量可改变：（正、负、零）。大学物理3.力的叠加原理：一个点电荷对象所受力的矢量和。41120001niiiiniirrqqFFd41d200rrqqFFq0q1q302Fq203F01FF1F思维空间：a.找出所研究的受力对象。b.积分求和的物理意义。c.矢量积分如何计算。力F——牛顿[N]电量q——库仑[C]大学物理二、性质抽象：电场及其电场强度1.检验电荷：带电量很少的点电荷。2.空间性质：电场。3.（点电荷的）电场强度定义：rrQqF20041rrQqFE200410qFEEqF04.电场强度的物理意义：电场电荷电荷场强E——[N/C],或者[V/m]大学物理三、电场强度叠加原理依据力的叠加原理，各电荷产生的电场之叠加。niiFF1niiniiqFqFqFE10010niiEE14112001niiiiniirrqQFFniiiiniirrQEE120141rrqEEd41d20重点要求大学物理动画演示：点电荷的电场及其电力线思维空间：a.正负电荷的电场。b.双电荷叠加电场的大小和方向。c.电场强度为零的点。d.电力线的疏密与场强大小的关系。操作说明：构架：单电荷双电荷；电量可改变：（正、负、零）；点击场空间查看场强大小。大学物理四、电场强度的计算1.电偶极子及其电场l+q–qEEErPrrEEEniiiiniirrQEE120141lqp441220lrqEE||||coscosEEE44123220lrql典型示例大学物理思维空间：a.矢量求和：坐标分量分别求和。b.远离电偶极子的场强。c.电偶极子延长线上的场强分布。d.电偶极子产生的电力线。2.均匀带电直线及其电场典型示例0aLxyPydExdEEdrydy21rrqEEd41d20dq=dy20d41dryE大学物理22220d41dLLyayEE常见错误(2)矢量积分求和：坐标分量的标量和。(1)直接标量积分求和难点理解sind)sin(ddEEExcosd)cos(ddEEEy大学物理ctg)(ctgaay222cscardcscd2aydcos4d0aEydsin4d0aEx(3)坐标变换大学物理(4)合成场强)cos(cos4dsin4d210021aaEELxx)sin(sin4dcos4d120021aaEELyyjiyxEEE思维空间：a.直线延长线上和垂直平分线上的场强分布。b.半无限长和无限长的情况。大学物理3.均匀带电圆盘及其轴线上的电场Poxxds'drdsdaaEdEdrdq=ds=rddr20204dd4ddarraqEds=rddr|d||d|EEcos4ddcosdd20arrEEx00dEE而典型示例大学物理axcos222rxa23220)(4dddrxrxrExRxrxrrEE02322200)(dd422012xRx思维空间：a.靠近圆盘盘面的情况。b.远离圆盘的情况。c.带电圆环的情况。d.带电扇面的情况e.矩形平面的情况。大学物理第二讲高斯定理及其应用主要内容：电通量，高斯定理重点要求：用高斯原理求电场强度难点理解：高斯面的选取数学方法：通量不积分典型示例：长直圆柱，无限平面，带电球体课外练习：思考题13.8，习题13.6，13.7，13.8，13.10大学物理主要内容1.电力线：SEeddEe–––通过面元dS的电力线的条数.方向：电力线切向大小：电力线密度Enˆ（2）电力线的性质：①电力线不会中断。②电力线不会相交。（单值）③电力线不会形成闭合曲线，它起始于正电荷终止于负电荷。（1）电力线的定义：一、电力线与电通量大学物理动画演示：点电荷的电场及其电力线思维空间：a.电力线的起止情况。b.电力线上的电场强度方向。c.零电场强度点的电力线。d.电力线的疏密与场强大小的关系。动画说明：构架：单电荷双电荷；电量可改变：（正、负、零）；点击场空间查看场强大小。大学物理2.电通量：ndSESdSEnSd电通量：通过某一曲面的电力线条数。通过面元dS和dS电力线条数相等,通过dS的电力线条数或电通量为SESESEedcosdddSeSEd0,20edΦ0,2edΦ主要内容大学物理1.点电荷q的电场(1)曲面包围点电荷qqs通过球面的电通量0220202044d4d4dqrrqsrqsrqsEssseE与r无关,只与q有关。二、高斯定理大学物理qs1显然,通过包围点电荷q的任意闭合面S的电通量都等于q/0.E0dqsEses2由于φe与r无关,故通过球面S1与S2的电通量均为q/εos(2)曲面不包围点电荷qSq通过曲面S的电通量0dSeSE大学物理S2.点电荷系的电场q1,q2,,qn在曲面S之内，qn+1,,qk在曲面S之外。q1,,qn,,qk构成一点电荷系。q1q2qnqn+1qk空间任意一点的电场kiiEE1通过曲面S的电通量ioSkSnSnSSeqSESESESESE内1ddddd11(S内ei=qi/0,S外ei=0)大学物理iseqsE内01d通过封闭曲面S的电通量为∑q内：闭曲面内电量的代数和高斯定理:在真空中的静电场内,通过任意封闭曲面的电通量等于该封闭曲面所包围的电荷的电量代数和的1/0倍。说明:强。有电荷共同产生的合场内外所它是由曲面是曲面上的场强定律中的,)1(E(2)等式右端的q内仅仅包含曲面内的电荷。主要内容大学物理思维空间：1.静电场中任一闭合曲面S,,0dSSE若有?0内无电荷或是否意味着SE2.若闭合曲面S上各点场强为零,S面内一定不包围电荷吗？大学物理当电荷分布具有某种对称性时,可用高斯定理求场强。步骤:由电荷分布对称性分析电场的对称性应用高斯定理计算场强.关键:选取高斯面.三、高斯定理的应用isqsE内01d①E为常数,②E与dS夹角θ恒定,③闭曲面面积易求。重点要求大学物理均匀带电球面解:电荷分布球对称性电场分布球对称性。RPEorE以o为中心,r为半径作同心球面S为高斯面。24drESESe则=0q(rR)0(rR)1roRqrrqˆ4120(rR)方向沿径向0(rR)ESEdEd典型示例大学物理均匀带电球体(rR)rRqrˆ4130(rR)rRoRroEP2rrqˆ4120EqRrrR)(qqi33333434解:rR时,高斯面内所包围电荷为典型示例大学物理无限长均匀带电圆柱面线密度解:取高为l,过场点的同轴圆柱面为高斯面lE下底上底侧sEsEsEsEsedddd内侧qrlEsE012d=)(10l(rR)0(rR)3rrˆ20(rR)0(rR)E无限长带电圆柱体结果如何?r典型示例大学物理无限大均匀带电平面侧两底sEsEsEseddd)(1020ssE02E方向与平面垂直。4面密度解:取柱面为高斯面两无限大带电平面的电场–+(I)(II)(III)EEEEEEE,0ⅢⅠEE0ⅡEEE典型示例大学物理一个内外半径分别为a和b的球壳,壳内电荷体密度=A/r,A为常数,r为球壳内任一点到球心的距离.球壳中心有一个点电荷Q.求A为多大时,才能使arb区域中的场强大小恒定?PrQS内qSES01d例：b解:设P为壳内距球心o为r的任意一点,过P点作同心球面S为高斯面,则同产生的电场共和壳上电荷为点电荷QQEQQEEEoa大学物理内qSES01dPrQSboa解:QQEEE)(214d4d222arAQrrrAQvQqrav内)(2422002arAQrE20202042424rAaArQE若E=const,则20220424rAarQ22aQA大学物理用高斯定理求场强小结：③计算电通量,用高斯定理求场强注意：不管电荷分布是否对称,高斯定理是普遍成立的。①对称性分析场强分布对称(面、球、轴对称)。②选高斯面场强与各面垂直或平行,每个面上场强大小不变,以便提出积分号外。球对称：点电荷、均匀带电球面(体、壳)等——选球面轴对称：无限长均匀带电直线、圆柱面(体)、同轴圆柱面等——选圆柱面面对称：无限大均匀带电平面、平行平面等——选柱面大学物理第三讲电势及其梯度主要内容：电场力，环路定理，电势及其叠加，等势面及其梯度重点要求：电势的计算难点理解：电势和场强的积分、微分关系数学方法：积分，求导典型示例：长直导线，圆盘，点偶极子课外练习：思考题13.10，习题13.12，13.14，13.17，13.18大学物理例1：电偶极子在均匀电场中所受的作用。解:EqFF电偶极子在均匀外电场中所受的合外力FFl–q+q0F故有力矩的作用。不在同一直线上由于,,FFElqFlMEPM已知外电场中某点的场强,则该点处一点电荷q所受的静电力为:EqFE一、带电粒子在外电场中所受的作用大学物理1.点电荷的电场abqq0drldrrbra把q0从a点移到b点,电场力所作的功)()(0)()(ddbabaablEqlFAFrrqEˆ420rElElEddcosdbarrabrrrqqrrqqAba114d4200200作功与路径无关,只与始末位置有关。二、静电场环路定理大学物理2.任意带电体系的电场kiiEE1niabiabablEqlE