高中物理竞赛—电磁学篇(基础版)22静电场的概念和计算课件.ppt

1、2020物理竞赛物理竞赛静电场的概念与计算静电场的概念与计算8-1 电荷的量子化电荷的量子化 电荷守恒定律电荷守恒定律8-2 库仑定律库仑定律8-3 电场强度电场强度1、什么是电磁学、什么是电磁学电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁学是研究电磁学是研究电磁运动及其规律的物理学分支。电磁运动及其规律的物理学分支。2、电磁学的主要内容、电磁学的主要内容电荷、电流产生电场和磁场的规律；电荷、电流产生电场和磁场的规律；电场和磁场的相互作用；电场和磁场的相互作用；电磁场对电流、电荷的作用；电磁场对电流、电荷的作用；电磁场中物质的各种性质。电磁场中物质的各种性质。3、学

2、习电磁学的意义、学习电磁学的意义在现代物理学中的地位是非常重要的。在现代物理学中的地位是非常重要的。深入认识物质结构。深入认识物质结构。是学习电工学、无线电电子学、自动控制、计算机技是学习电工学、无线电电子学、自动控制、计算机技术等学科的基础。术等学科的基础。第三部分第三部分 电磁学电磁学第八章第八章静电场静电场本章主要内容：研究真空中静电场的基本特性：本章主要内容：研究真空中静电场的基本特性：静电场的基本定律：静电场的基本定律：库仑定律库仑定律、叠加定律叠加定律 静电场的基本定理：静电场的基本定理：高斯定理高斯定理、环路定理环路定理 描述静电场的物理量：描述静电场的物理量：电场强度电场强度、

3、电势电势 静电场对电荷的作用静电场对电荷的作用 81 电荷的量子化电荷的量子化 电荷守恒定律电荷守恒定律一、电荷的量子化一、电荷的量子化1、电荷、电荷摩擦起电摩擦起电：用木块摩擦过的琥珀能吸用木块摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体的现象。许多物体引碎草等轻小物体的现象。许多物体经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能够吸经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能够吸引轻小的物体。人们引轻小的物体。人们就说它们带了电就说它们带了电，或者或者说它们有了电荷说它们有了电荷。(-)(电子电子中子中子质子质子原子核原子核原子原子当物质处于电中性时，质子数中子数当物质处于电中性时，质子数中子数当物质的电子过多或过少时，物质就带有电荷

4、当物质的电子过多或过少时，物质就带有电荷 电子过多时电子过多时物体带负电物体带负电 电子过少时电子过少时物体带正电物体带正电电量的定义：电量的定义：物体所带电荷的多物体所带电荷的多少叫作电量。少叫作电量。单位：库仑单位：库仑(C)2、电荷量子化电荷量子化1913年，密立根用液滴法从实验中测出所有电子都具有相同年，密立根用液滴法从实验中测出所有电子都具有相同的电荷，而且带电体的电荷是电子电荷的整数倍。的电荷，而且带电体的电荷是电子电荷的整数倍。电子电量电子电量 e 带电体电量带电体电量 q=ne,n=1,2,3,.电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质，叫作电荷的这种只能取离散的、不连续的量

5、值的性质，叫作电荷电荷的量子化的量子化。电子的电荷。电子的电荷e称为称为基元电荷基元电荷，或，或电荷的量子电荷的量子。1986年国际推荐值年国际推荐值Ce1910)49(33 177 602.1 近似值近似值Ce1910602.1 3、电荷的相对论不变性：、电荷的相对论不变性：在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。电荷的这一性质叫做电荷的这一性质叫做电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性。说明：说明：电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程(例如核例如核反应和基本粒子过程反应和基本粒子过程)，是物理学中普遍

6、的基本定，是物理学中普遍的基本定律之一。律之一。二、二、电荷守恒定律电荷守恒定律内容：内容：在孤立系统中，不管系统中的电荷如何迁移，系统在孤立系统中，不管系统中的电荷如何迁移，系统的电荷的代数和保持不变。的电荷的代数和保持不变。8-2 库仑定律库仑定律库仑库仑 (Charlse-Augustin de Coulomb 1736 1806)法国物理学家法国物理学家1773年提出的计算物体上应力和应变分布情年提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法，是结构工程的理论基础。况的方法，是结构工程的理论基础。1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。的科学理

7、论。17851789年，用扭秤测量静电力和磁力，导年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。出著名的库仑定律。他还通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得他还通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得出摩擦定律。出摩擦定律。1212rrr 122122112erqqkF 库仑定律内容库仑定律内容在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小与点电荷电量的乘积成正比，与两点电荷之间距离的平方与点电荷电量的乘积成正比，与两点电荷之间距离的平方成反比，作用力在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相成反比，作用力在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相排斥，异号电

8、荷互相吸引。排斥，异号电荷互相吸引。12r1r2rO21F12F1q2q121212/rre 表示单位矢量表示单位矢量041 k是国际单位制中的比例系数是国际单位制中的比例系数212120mNC1085.8 122122101241erqqF 实验表明，库仑力满足线性叠加原理，实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即不因第三者的存在而改变两者之间即不因第三者的存在而改变两者之间的相互作用。的相互作用。库仑力的叠加原理：库仑力的叠加原理：niniiiiierqqFF110200000411q4q3q2qoq1Or2Or4Or3Or真空电容率真空电容率1221FF 库仑力满足牛顿第三定律库仑力满足牛顿

9、第三定律12r1r2rO21F12F1q2q例：例：在氢原子中，电子与质子之间的距离约为在氢原子中，电子与质子之间的距离约为5.310-11m，求，求它们之间的库仑力与万有引力，并比较它们的大小。它们之间的库仑力与万有引力，并比较它们的大小。解：氢原子核与电子可看作点电荷解：氢原子核与电子可看作点电荷NreFe82112199220102.8)103.5()106.1(10941 万有引力为万有引力为NrmMGFg472112731112106.3)103.5(1067.1101.91067.6 两值比较两值比较39478103.2106.3102.8 geFF结论：库仑力比万有引力大得多，结

10、论：库仑力比万有引力大得多，所以在原子中，作用在电子上的所以在原子中，作用在电子上的力，主要是电场力，万有引力完力，主要是电场力，万有引力完全可以忽略不计。全可以忽略不计。8-3 电场强度电场强度一、静电场一、静电场1、电场的概念、电场的概念电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围存在有存在有电场电场。在该电场的任何带电体，都受到电场的作用。在该电场的任何带电体，都受到电场的作用力，这就是所谓的力，这就是所谓的近距作用近距作用。2、电场的物质性、电场的物质性给电场中的带电体施以给电场中的带电体施以力力的作用。的作用。当带电体在电场中移

11、动时，电场力作功；表明电场具有当带电体在电场中移动时，电场力作功；表明电场具有能量能量。变化的电场以光速在空间传播，变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有表明电场具有动量。动量。表明电场具有动量、质量、表明电场具有动量、质量、能量，体现了它的物质性能量，体现了它的物质性.3、静电场、静电场静止电荷产生的场叫做静止电荷产生的场叫做静电场静电场。电荷电荷 电场电场 电荷电荷二、电场强度二、电场强度1、试验电荷、试验电荷线度足够小，小到可以看成点电荷；线度足够小，小到可以看成点电荷；电量足够小，小到把它放入电场中后，原来的电场电量足够小，小到把它放入电场中后，原来的电场几乎没有什么变化。几乎没有什

12、么变化。2、实验、实验在静止的电荷在静止的电荷Q周围的静电场中，放入试验电荷周围的静电场中，放入试验电荷q0，讨，讨论试验电荷论试验电荷q0 的受力情况。的受力情况。02004rrQqFF与与r 有关，而且还与试验电荷有关，而且还与试验电荷q0 有关。有关。3、电场强度、电场强度试验电荷将受到源电荷的作用力与试验电荷电量的比值试验电荷将受到源电荷的作用力与试验电荷电量的比值F/q0 则与试验电荷无关，可以反映电场本身的性质，用这个物理则与试验电荷无关，可以反映电场本身的性质，用这个物理量作为描写电场的场量，称为量作为描写电场的场量，称为电场强度电场强度（简称场强）。（简称场强）。0qFE 电场

13、中某点的电场强度在数值上等于位于电场中某点的电场强度在数值上等于位于该点的单位正试验电荷所受的电场力该点的单位正试验电荷所受的电场力。电场强度的方向与电场力的方向一致（当电场强度的方向与电场力的方向一致（当q0为正值时）。为正值时）。单位：单位：N.C-1或或V.m-1电场强度是电场的属性，与试验电荷的电场强度是电场的属性，与试验电荷的存在与否无关，并不因无试验电荷而不存在与否无关，并不因无试验电荷而不存在，只是由试验电荷反映。存在，只是由试验电荷反映。4、电场力、电场力电荷电荷q在电场在电场E中中的电场力的电场力EqF当当q0时，电场力时，电场力方向与电场强度方方向与电场强度方向相同；向相同

14、；当当q0，电场强度电场强度E与与er同向同向Qr0时，时，x2-r0 2/4 x230300241241xpixqrE 在电偶极子轴线延长线上任意在电偶极子轴线延长线上任意点的电场强度的大小与电偶极点的电场强度的大小与电偶极子的电偶极矩大小成正比，与子的电偶极矩大小成正比，与电偶极子中心到该点的距离的电偶极子中心到该点的距离的三次方成反比；电场强度的方三次方成反比；电场强度的方向与电偶极矩的方向相同。向与电偶极矩的方向相同。qqrrBEEpEr0r3、电偶极子中垂线上一点的电场强度、电偶极子中垂线上一点的电场强度302044 rrqerqE302044 rrqerqEj yirr 20j y

15、irr 20202)2/(ryrrr j yirrqj yirrqEEE24240300302/32020030044141 ryiqrriqrE当当yr0时，时，y2+r0 2/4 y23041ypE 电偶极子中垂线上距离中电偶极子中垂线上距离中心较远处一点的场心较远处一点的场 强，强，与电偶极子的电矩成正比，与电偶极子的电矩成正比，与该点离中心的距离的三与该点离中心的距离的三次方成反比，方向电矩方次方成反比，方向电矩方向相反。向相反。解：由对称性可知，解：由对称性可知，p点场强只有点场强只有X分量分量例例1、均匀带电圆环轴线上一点的场强。均匀带电圆环轴线上一点的场强。设正电荷设正电荷q均匀

16、地分布在半径为均匀地分布在半径为R的圆环上。计算在环的轴线的圆环上。计算在环的轴线任一点任一点p 的电场强度。的电场强度。LLqxdqrrdqdEdEE20204coscos4cos 2322020)(44cosxRqxrqE 204xqE 讨论：当求场点远大于环的半径时，讨论：当求场点远大于环的半径时，方向在方向在X轴上，正负由轴上，正负由q的正负决定。的正负决定。说明远离环心的场强相当于点电荷的场。说明远离环心的场强相当于点电荷的场。XREdr LdqP例例2、均匀带电圆盘轴线上一点的场强。、均匀带电圆盘轴线上一点的场强。设圆盘带电量为设圆盘带电量为q，半径为，半径为R。解：带电圆盘可看成

17、许多同心的圆环解：带电圆盘可看成许多同心的圆环组成，取一半径为组成，取一半径为r，宽度为，宽度为dr 的的细圆环带电量细圆环带电量drrdq 2)(1221220 xRx RxxrrdrxpE023220)(2)(23220)(4xrdqxdE 2020244xqxRE 在远离带电圆面处，在远离带电圆面处，相当于点电荷的场强。相当于点电荷的场强。相当于无限大带电平面附近的电场，相当于无限大带电平面附近的电场，可看成是均匀场，场强垂直于板面，可看成是均匀场，场强垂直于板面，正负由电荷的符号决定。正负由电荷的符号决定。02 E讨论：讨论：1.当当xRdER xprodrdqx小小 结结 电荷的量子化电荷的量子化 电荷守恒定律电荷守恒定律 库仑定律库仑定律 静电场的概念静电场的概念 电场强度电场强度 电场强度叠加原理电场强度叠加原理 电场强度的计算电场强度的计算作业：作业：思考题：思考题：P49 1，4，6，7习习 题：题：P50 4，5，6，7预预 习：习：8-4，8-5