大学物理D-05静电场

大学物理15.1电场电场强度5.2静电场中的高斯定理5.3静电场的环路定理电势5.4静电场中的介质5.5静电场中的能量大学物理2电荷相互作用库仑定律静电场电场强度电通量高斯定理环路定理电势静电场的基本性质与带电粒子的相互作用导体的静电平衡电位移矢量介质中高斯定理电介质极化电场能静电力叠加原理电容力功大学物理3一掌握描述静电场的两个物理量——电场强度和电势的概念，理解电场强度是矢量点函数，而电势V则是标量点函数.二理解高斯定理及静电场的环路定理是静电场的两个重要定理，它们表明静电场是有源场和保守场.三掌握用点电荷电场强度和叠加原理以及高斯定理求解带电系统电场强度的方法；并能用电场强度与电势梯度的关系求解较简单带电系统的电场强度.四掌握用点电荷和叠加原理以及电势的定义式求解带电系统电势的方法.五了解电偶极子概念，E教学基本要求大学物理4七了解静电场是电场能量的携带者，了解电场能量密度的概念，能用能量密度计算电场能量.六了解电介质的极化及其微观机理，了解电位移矢量的概念，以及在各向同性介质中，和电场强度的关系.了解电介质中的高斯定理，并会用它来计算对称电场的电场强度.DDE大学物理5◆熟练掌握电场强度的计算（主要是点电荷系电场强度的计算和叠加原理计算场强，不要求计算连续带电体场强和用高斯定理计算电场强度）◆掌握高斯定理及应用（理解电通量的概念，能用高斯定理求解特殊面的电通量，能记住高斯定理分析几种特殊带电体的场强结果，不要求掌握求解过程）◆理解电势能、电势、电势差的概念，掌握静电场的环路定理，熟练掌握点电荷系电势的计算，能理解电场力作功与电势差的关系。教学重点大学物理6物理学的第二次大综合法拉第的电磁感应定律：电磁一体麦克斯韦电磁场统一理论（19世纪中叶）赫兹在实验中证实电磁波的存在，光是电磁波.技术上的重要意义：发电机、电动机、无线电技术等.库仑定律：电荷与电荷间的相互作用（磁极与磁极间的相互作用）奥斯特的发现：电流的磁效应，安培发现电流与电流间的相互作用规律.大学物理75.1电场电场强度1、电荷对电的最早认识：摩擦起电和雷电两种电荷：正电荷和负电荷电性力：同号相斥、异号相吸电荷量：物体带电的多少5.1.1电荷库伦定律大学物理8电荷守恒定律物质由原子组成，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。质子数和电子数相等，原子呈电中性。由大量原子构成的物体也就处于电中性状态，对外不显示电性。物质的电结构理论大学物理9起电的实质所谓起电，实际上是通过某种作用，使物体内电子不足或者过多而呈现带电状态。通过摩擦可是两个物体接触面温度升高，促使一定量的电子获得足够的动能从一个物体迁移到另一个物体，从而使获得更多电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。大学物理10在没有净电荷出入边界的系统中,电荷的代数和保持不变.-e+e-e+e2）电荷可以成对产生或湮灭，但代数和不变1）自然界的基本守恒定律之一cQi电荷守恒定律大学物理11强子的夸克模型具有分数电荷（或电子电荷）但实验上尚未直接证明.3132基本性质C10602.119e1电荷有正负之分；2电荷量子化；电子电荷3同性相斥，异性相吸.),3,2,1(nneq1906-1917年，密立根用液滴法首先从实验上证明了，微小粒子带电量的变化不连续。电荷的吸引与排斥c.exe电荷的量子化大学物理12点电荷模型）（12rd1）概念：当带电体的大小和形状可以忽略时,可把电荷看成是一个带电的点，称为点电荷12r21F12F1q2q1q12rd21F12F2q2.库仑定律12e12e大学物理13库仑定律(CoulombLaw)1785年，库仑通过扭称实验得到。文字表述：在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用力大小，与它们的电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比；作用力的方向沿着它们的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。21122122112FerqqkF12r21F12F1q2q1q12rd21F12F2qk=9×109N·m2/C2大学物理14211221221012π41FerqqF（为真空电容率）0212120mNC108542.8π41k112mF108542.80π41k1）单位制有理化令说明2）库仑定律遵守牛顿第三定律3）是基本实验定律，宏观微观皆适用4）应用时注意点电荷模型大学物理15QuickQuiz5.112r21F12F1q2q已知：求q1=+2μC，q2=+6μC，下列哪个表述是正确的？1221()3aFF1221()bFF1221()3cFF大学物理16解N101.8π416220ereFN107.347-2pegrmmGF例在氢原子内,电子和质子的间距为.求它们之间电相互作用和万有引力,并比较它们的大小.m103.511kg101.931emkg1067.127pm2211kgmN1067.6GC106.119e39ge1027.2FF（微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）例题5-15-1电力、引力大学物理175.1.2电场1.静电场(electricfield)两种观点{超距作用作用电场电荷1电荷2电场1电场2电荷1电荷2静电场：相对于观察者静止的电荷在周围空间激发的电场。电场力：电场对处于其中的其他电荷的作用力，电荷间的相互作用力本质上是各自的电场作用于对方的电场力。大学物理18实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力但其相互作用是怎样实现的？电荷电场电荷1.概念：电荷周围空间具有特殊形态和物理性质的物质称为电场，对观察者相对静止的电荷所产生的电场，称为静电场。2.特点:处于电场中的任何电荷都将受到电场力的作用;当电荷相对于观测者运动时，电场是变化的;电场能使引入电场中的导体或电介质分别产生静电感应现象或极化现象。大学物理193.背景问题实验证实两静止电荷间存在相互作用力，但其相互作用是怎样实现的？方案电荷电荷电荷电场电荷超距作用:场作用错对4.说明：实物物质场电场的物质性体现在：(1)给电场中的带电体施以力的作用；(2)当带电体在电场中移动时，电场力作功，这表明电场具有能量；(3)变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有动量。电场具有动量、质量、能量，体现了它的物质性.大学物理20？PE线度足够地小——场点确定；电量充分地小——不至于使场源电荷重新分布。FP1、试探电荷0q0qF大小：单位正电荷受力单位：N/C、V/m2、q0只是使场显露出来，即使无q0，也存在。E此式为电场强度的定义式说明5.1.3电场强度(electricfieldstrength)大学物理21QuickQuiz5.2P将电荷量为+3μC的实验点电荷至于P点时，P点处的电场强度为5×106N/C，则将将电荷量为+3μC的实验点电荷至于P点时，场强将：（a）数值不变，方向相反；（b）数值变小，方向相反；（C）数值变大，方向相反；（d）数值不变，方向不变；（e）数值变小，方向不变；（f）数值变大，方向不变；大学物理22根据库仑定律和场强的定义rerqqF20040qFErerqE2042.电场强度的计算①点电荷的场强（5-4）q0qrErq0qErere大学物理23思考由点电荷场强公式,如上图所示,是否有EQQE?0Er大学物理24Q点电荷0q试验电荷r02004rrQQF204rqE大小方向rEq0rEq01r1q2F3FF1F204rqE2q3q试验电荷受力321FFFF0qFE030201qFqFqF321EEEiiEEiiriireq204场强叠加原理由定义rrer②点电荷系场强大学物理25点电荷系的场强由场强叠加原理iiEEriniiierqE1204大学物理26rerdqEd204QrqrqerdqerdqEdE20204141场强叠加原理分量式kEjEiEEzyxQdqrdLdSdVdqdqrxrxrdqEx30204141③电荷连续分布的带电体的场强大学物理27补充qqpl电偶极子是一种非常重要的物理模型电偶极矩（电矩）lqp两个等量异号电荷-q,+q相距为l,该带电体系为电偶极子;用表示从－q到＋q的位矢.l例题5-2求：电偶极子中垂面上任意点的场强视频例题5-2电偶极子大学物理28解一304rrQE304rrQEEEE304QlEr304rpEelQpe定义：偶极矩r+=r-=RrlrrEEEr+-QQXY2014RQEE20203/2220301241/224424XXXEEEQCOSRQlRRQllrQlr0yyyEEE大学物理29l解rrEEE304rrQE304rrQErEEE304rrrQrrllrr304rlQ304rpEelQpe定义：偶极矩rlr+=r-r+-QQ大学物理30yxA(x,0)EEE+qq2/l2/l电偶极子轴线的延长线上一点的电场。解：电偶极子轴线的延长线上任一点A(x,0)的电场。+qq2/l2/lilxqE2024ilxqE2024A点总场强为：+qq2/l2/l大学物理31EEEAilxqlxqq2020024244ilxlxxqxl2202242因为xl?ixqlEA30241ixp30241大学物理32解：建立直角坐标系取线元dx带电xqdd20d41drxEcosd41d20rxExsind41d20rxEyxrExdcos4120xrEydsin4120将投影到坐标轴上Edyxap12EddEτdEyθdxr例5-4求距离均匀带电细棒为a的p点处电场强度。设棒长为L,带电量q，电荷线密度为=q/L例题-5-3-细棒大学物理33积分变量代换sin/aractgxdcscd2ax代入积分表达式dcsccsccos4222021aaEx21dcos40a)sin(sin4120a同理可算出)cos(cos4210aEyyxap12EddEτdEyθdxr大学物理34当直线长度无限长均匀带电直线的场强：{极限情况，由)cos(cos4210aEy)sin(sin4120aEx0xEaaEy00224aEEy02L012大学物理35由对称性L均匀带电细棒，长L，电荷线密度，求：中垂面上的场强。解：dydQrEd304rdQrEd304rdyrjdEidEEdyxLLLyxdEjdEiEdExdEydE0cosdEdEx204rdycosxtgy2cosxddyxcosr222cosxrxdcos0410042xdc