第22讲:静电场—库仑定律电场强度 内容:§8-1,§8-2,§8-3 1.绪论 2.关于电荷的基本概念 3.库仑定律 4.静电场 (50分钟) 5.电场强度 6.电场强度的计算 (50分钟) 要求 1.理解电荷的量子化和电荷守恒定律; 2.掌握库仑定律的内容; 3.理解静电场的概念; 4.掌握电场强度的概念 5.理解场强叠加原理 6.掌握用积分的方法计算电场强度。 重点与难点: 1.库仑定律 2.静电场 3.电场强度及其计算 作业: 问题:P49:1,4,6,7 习题:P50:4,5,6,7 预习:§8-4,§8-5
第 22 讲：静电场——库仑定律 电场强度 内容：§8－1，§8－2，§8－3 1．绪论 2．关于电荷的基本概念 3．库仑定律 4．静电场 （50 分钟） 5．电场强度 6．电场强度的计算 （50 分钟） 要求： 1．理解电荷的量子化和电荷守恒定律； 2．掌握库仑定律的内容； 3．理解静电场的概念； 4．掌握电场强度的概念； 5．理解场强叠加原理； 6．掌握用积分的方法计算电场强度。 重点与难点： 1．库仑定律； 2．静电场； 3．电场强度及其计算。 作业： 问题：P49：1，4，6，7 习题：P50：4，5，6，7 预习：§8－4，§8－5
第22讲静电场——库仑定律电场强度 第三部分电磁学 前面研究了机械运动和热运动,现在开始研究电磁运动。 大量实验事实证明,物件间相互作用不是超距发生的,而是由场传递的 电磁力就是由电磁场传递的。正是场与实物间的相互作用,才导致了实物间的 相互作用。电磁学研究物质间电磁相互作用,研究电磁场的产生、变化和运动 的规律 电磁运动是物质的一种基本运动形式,电磁相互 (1)什么是电磁学 作用是自然界已知的四种相互作用之一。在日常生活(2)电磁学的主要内容 和生产活动中,在对物质结构的深入认识过程中,都(3)学习电磁学的意义 要涉及电磁运动。因此理解和掌握电磁运动的基本规 律,在理论和实践中都有重要的意义。学好电磁学是学习电工学、无线电电子 学、自动控制、计算机技术等学科的基础,在现代物理学中的地位也是非常重 要的。 电磁学是研究电磁运动及其规律的科学,它的主要内容有: 电荷、电流产生电场和磁场的规律 2.电场和磁场的相互作用 3.电磁场对电流、电荷的作用: 研究方法 力学、热学:演绎法—一从基本规 4.电磁场中物质的各种性质 聿出发,应用基本原理解决问题 本部分共有6章 电磁学:归纳法—从几个基本实 第八章静电场 验规律出发,经过建立模型,定义 第九章静电场中的导体和电介质 概念,数学外推与大胆假设,把理 第十章恒定电流 论预言与实验相对照,进行归纳总 第十一章稳恒磁场 结,得出基本规律 第十二章磁场中的磁介质 电磁学两条线 主线一一实验规律 第十三章电磁感应电磁场 副线一一建立方 Maxwel程组 本学期我们将学习前三章 ◆关于电磁现象的观察记录 公元前约585年希腊学者泰勒斯观察到用布摩擦过的琥珀能吸引轻微物 体。“电"( electricity)这个词就是来源于希腊文琥珀 我国,战国时期《韩非子》中有关“司南”的记载,《吕氏春秋》中有关“慈 石召铁”的记载东汉时期王充所著《论衡》一书记有“顿牟缀芥,磁石引针”字句 ◆电和磁现象的系统研究 英国的威廉·吉尔伯特在1600年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大 的磁体》一书中描述了对电现象所做的研究,把琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、 树脂等物质摩擦后会吸引轻小物体的作用称为“电性”,也正是他创造了“电”这 个词。吉尔伯特第一次明确区分了以前常被人混在一起的电和磁这两种吸引。 他指出这两种吸引之间有深刻的差异 电磁现象的定量研究 从1785年库仑定律的建立开始,其后通过泊松、高斯等人的研究形成了静 电场(以及静磁场)的(超距作用)理论。伽伐尼于1786年发现了电流,后经
第 22 讲 静电场——库仑定律 电场强度 1 第三部分 电磁学 前面研究了机械运动和热运动，现在开始研究电磁运动。 大量实验事实证明，物件间相互作用不是超距发生的，而是由场传递的。 电磁力就是由电磁场传递的。正是场与实物间的相互作用，才导致了实物间的 相互作用。电磁学研究物质间电磁相互作用，研究电磁场的产生、变化和运动 的规律。 电磁运动是物质的一种基本运动形式，电磁相互 作用是自然界已知的四种相互作用之一。在日常生活 和生产活动中，在对物质结构的深入认识过程中，都 要涉及电磁运动。因此理解和掌握电磁运动的基本规 律，在理论和实践中都有重要的意义。学好电磁学是学习电工学、无线电电子 学、自动控制、计算机技术等学科的基础，在现代物理学中的地位也是非常重 要的。 电磁学是研究电磁运动及其规律的科学，它的主要内容有： 1．电荷、电流产生电场和磁场的规律； 2．电场和磁场的相互作用； 3．电磁场对电流、电荷的作用； 4．电磁场中物质的各种性质。 本部分共有 6 章。 第八章 静电场 第九章 静电场中的导体和电介质 第十章 恒定电流 第十一章 稳恒磁场 第十二章 磁场中的磁介质 第十三章 电磁感应 电磁场 本学期我们将学习前三章。 关于电磁现象的观察记录 公元前约 585 年希腊学者泰勒斯观察到用布摩擦过的琥珀能吸引轻微物 体。“电”(electricity)这个词就是来源于希腊文琥珀。 我国，战国时期《韩非子》中有关“司南” 的记载;《吕氏春秋》中有关“慈 石召铁”的记载东汉时期王充所著《论衡》一书记有“顿牟缀芥，磁石引针”字句 电和磁现象的系统研究 英国的威廉·吉尔伯特在 1600 年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大 的磁体》一书中描述了对电现象所做的研究，把琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、 树脂等物质摩擦后会吸引轻小物体的作用称为“电性”，也正是他创造了“电”这 个词。吉尔伯特第一次明确区分了以前常被人混在一起的电和磁这两种吸引。 他指出这两种吸引之间有深刻的差异。 电磁现象的定量研究 从 1785 年库仑定律的建立开始，其后通过泊松、高斯等人的研究形成了静 电场（以及静磁场）的（超距作用）理论。伽伐尼于 1786 年发现了电流，后经 （1）什么是电磁学 （2）电磁学的主要内容 （3）学习电磁学的意义 研究方法： ⚫ 力学、热学：演绎法——从基本规 律出发，应用基本原理解决问题； ⚫ 电磁学：归纳法——从几个基本实 验规律出发，经过建立模型，定义 概念，数学外推与大胆假设，把理 论预言与实验相对照，进行归纳总 结，得出基本规律。 电磁学两条线： ⚫ 主线——实验规律 ⚫ 副线——建立方 Maxwell 程组
第22讲静电场——库仑定律电场强度 伏特、欧姆、法拉第等人发现了关于电流的定律。1820年奥斯特发现了电流的 磁效应,一两年内,毕奥、萨伐尔、安培、拉普拉斯等作了进一步定量的研究。 1831年法拉第发现了有名的电磁感应现象,并提出了场和力线的概念,进一步 揭示了电与磁的联系。在这样的基础上,麦克斯韦集前人之大成,再加上他极 富创见的关于感应电场和位移电流的假说,建立了以一套方程组为基础的完整 宏观的电磁场理论。 ◆电磁学内容按性质来分,主要包括“场”和“路”两部分。大学物理偏重于从“场 的观点来进行阐述。“场”不同于实物物质,它具有空间分布,但同样具有质量、 能量和动量,对矢量场(包括静电场和磁场)的描述通常用到ˆ通量”和“环流 两个概念及相应的通量定理和环路定理 第八章静电场 相对于观察者静止的电荷产生的电场叫作静电场。本章讨论电磁运动中最 简单的情况,即研究真空中静电场。从三条实验定律:电荷守恒定律、库仑定 律和电场叠加原理出发,从电荷在静电场中受力和电场力对电荷作功两个方面 引入电场强度与电势这两个描述电场性质的基本物理量,并且讨论二者的关系 1.静电场的基本定律:库仑定律、叠加定律 2.静电场的基本定理:高斯定理、环路定理; 3.描述静电场的物理量:电场强度、电势 4.静电场对电荷的作用 包括9节 §8-1电荷的量子化电荷守恒定律 §8-2库仑定律 §8-3电场强度 §8-4电场强度通量高斯定理 §8-5密立根测定电子电荷实验 §8-6静电场的环路定理电势能 §8-7电势 8-8电场强度与电势梯度 §8-9静电场中的电偶极子
第 22 讲 静电场——库仑定律 电场强度 2 伏特、欧姆、法拉第等人发现了关于电流的定律。1820 年奥斯特发现了电流的 磁效应，一两年内，毕奥、萨伐尔、安培、拉普拉斯等作了进一步定量的研究。 1831 年法拉第发现了有名的电磁感应现象，并提出了场和力线的概念，进一步 揭示了电与磁的联系。在这样的基础上，麦克斯韦集前人之大成，再加上他极 富创见的关于感应电场和位移电流的假说，建立了以一套方程组为基础的完整 的宏观的电磁场理论。 电磁学内容按性质来分，主要包括“场”和“路”两部分。大学物理偏重于从“场” 的观点来进行阐述。“场”不同于实物物质，它具有空间分布，但同样具有质量、 能量和动量，对矢量场（包括静电场和磁场）的描述通常用到“通量”和“环流” 两个概念及相应的通量定理和环路定理。 第八章 静电场 相对于观察者静止的电荷产生的电场叫作静电场。本章讨论电磁运动中最 简单的情况，即研究真空中静电场。从三条实验定律：电荷守恒定律、库仑定 律和电场叠加原理出发，从电荷在静电场中受力和电场力对电荷作功两个方面， 引入电场强度与电势这两个描述电场性质的基本物理量，并且讨论二者的关系。 1．静电场的基本定律：库仑定律、叠加定律； 2．静电场的基本定理：高斯定理、环路定理； 3．描述静电场的物理量：电场强度、电势； 4．静电场对电荷的作用。 包括 9 节 §8－1 电荷的量子化 电荷守恒定律 §8－2 库仑定律 §8－3 电场强度 §8－4 电场强度通量 高斯定理 §8－5 密立根测定电子电荷实验 §8－6 静电场的环路定理 电势能 §8－7 电势 §8－8 电场强度与电势梯度 §8－9 静电场中的电偶极子
第22讲静电场——库仑定律电场强度 §8-1电荷的量子化电荷守恒定律 电荷( Electric charge): 1.物体带电 物体能够产生电磁现象归因于物体所带的电荷以及电荷的运动。 公元前585年,古希腊晢学家 Thales记载:用木块摩擦过的琥珀能吸引碎 草等轻小物体的现象,后来又发现,许多物体经过毛皮或丝绸等摩擦后,都能 够吸引轻小的物体。于是人们就说它们带了电,或者说它们有了电荷。电荷这 个词就来源于希腊文,原来的意义就是“琥珀”。 2.理论解释一一原子理论: 原原子+) 电子过多时一物体带负电 中子 电子(-) 电子过少时一物体带正电 当物质处于电中性时,质子数=电子数 当物质的电子过多或过少时,物质就带有电 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。质子数和中子数相等,原子呈电电子 中性。电荷是实物粒子的一种属性,它 描述了实物粒子的电性质 物体带电的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一物体失去电子带正电 另一物体得到电子带负电 3.电量( Electric quantity) 定义:物体所带电荷的多少叫作电量。 单位:库仑(C)一一注意不是国际单位制的基本单位 二、电荷的量子化( Charge Quantization) 1.电子的发现 1)1747年, Benjamin Franklin发现了电,并且命名了正电与负电,约定用丝 绸摩擦的玻璃棒带正电,用玻璃摩擦过的塑料棒带负电 2)1833年, Faraday提出电解定律Q=Ne,但是在当时无法确定其中的任何 )1874年,G.J. Stoney利用分子运动论对M4的估计值,算出e约为1010 4)1880年,J.S.E. Townsend指出e不可分割的电量的最小单元 5)1891年, Stoney建议用“电子”来命名电荷量的最小单元; 6)18%6年, Zeeman观察光在磁场中分裂的现象,判定了粒子的比荷 7)1895年,J.B. Perrin用实验的方法确定阴极射线管中的射线带负电 8)1897年,汤姆孙( Thoms,1906年Nobe物理学奖)从实验中测出电子 的比荷 2.电荷的量子化 9)1907年,密立根从实验中测出所有电子都具有相同的电荷,而且带电体的
第 22 讲 静电场——库仑定律 电场强度 3 §8－1 电荷的量子化 电荷守恒定律 一、电荷（Electric Charge）： 1．物体带电 物体能够产生电磁现象归因于物体所带的电荷以及电荷的运动。 公元前 585 年，古希腊哲学家 Thales 记载：用木块摩擦过的琥珀能吸引碎 草等轻小物体的现象，后来又发现，许多物体经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能 够吸引轻小的物体。于是人们就说它们带了电，或者说它们有了电荷。电荷这 个词就来源于希腊文，原来的意义就是“琥珀”。 2．理论解释——原子理论： + (-) ( ) 电子 中子 质子 原子核 原子 当物质处于电中性时，质子数＝电子数 当物质的电子过多或过少时，物质就带有电。 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。质子数和中子数相等，原子呈电 中性。电荷是实物粒子的一种属性，它 描述了实物粒子的电性质。 物体带电的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一物体失去电子带正电， 另一物体得到电子带负电。 3．电量（Electric quantity） 定义：物体所带电荷的多少叫作电量。 单位：库仑（C）——注意不是国际单位制的基本单位 二、电荷的量子化（Charge Quantization） 1．电子的发现： 1）1747 年，Benjamin Franklin 发现了电，并且命名了正电与负电，约定用丝 绸摩擦的玻璃棒带正电，用玻璃摩擦过的塑料棒带负电； 2）1833 年，Faraday 提出电解定律 Q=NAe，但是在当时无法确定其中的任何一 个 NA、e； 3）1874 年，G．J．Stoney 利用分子运动论对 NA 的估计值，算出 e 约为 10-10 4）1880 年，J．S．E．Townsend 指出 e 不可分割的电量的最小单元； 5）1891 年，Stoney 建议用“电子”来命名电荷量的最小单元； 6）1896 年，Zeeman 观察光在磁场中分裂的现象，判定了粒子的比荷； 7）1895 年，J．B．Perrin 用实验的方法确定阴极射线管中的射线带负电； 8）1897 年，汤姆孙（Thomsn ，1906 年 Nobel 物理学奖）从实验中测出电子 的比荷。 2．电荷的量子化 9）1907 年，密立根从实验中测出所有电子都具有相同的电荷，而且带电体的 电子过多时——物体带负电 电子过少时——物体带正电
。第22讲静电场——库仑定律电场强度 电荷是电子电荷的整数倍 电子电量 带电体电量 电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质,叫作电荷的量子化。电 子的电荷e为基元电荷,或电荷的量子 1986年国际推荐值 e=1.60217733(49)×101C 计算中取近似值 e=1.602×10-19C 10)1964年,美国的M. Gellmann和G. Zweig提出夸克模型。现代物理学从 理论上预言基本粒子是由若干种夸克或反夸克组成的,每一种夸克可能带有± y/3或±2e/3的分数电荷,然而单独存在的夸克至今任未在实验中发现 夸克模型( Quark Model) 下夸克奇异夸克 down -e/3 *在1977~1981年间,B. Fairbank曾报道了在实验中发现超导铌球上存在分数 电荷,然而尚未见到有关这方面的进一步的报道。 本章所涉及的带电体的电荷往往是基本电荷的许多倍,这时只从总体效果 上认为电荷是连续地分布在带电体上的,而忽略了电荷量子化引起的起伏 三、电荷守恒定律( Law of Conservation of Charge) 内容: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。 说明:电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一,无论在宏观领域,还是在 微观领域都是成立的。 现代物理研究已表明,在粒子的相互作用过程中,电荷是可以产生和 消失的。然而电荷守恒并未因此而遭到破坏。 例如,电子对的“产生”y→e+e 电子对的“湮灭”e+e→>2y 附注:关于电荷 1.电荷有两种:1773年,法国科学家 Du Fay发现正负电荷; 2.电荷可以产生与消失 3.电荷守恒 4.电荷不能脱离其电场而单独存在; 5.电荷不能脱离其质量而单独存在 6.电荷是量子化的 7.电荷分布有一定的范围:1980年,丁肇中教授报告:电子的最小范围 r<1×10-18m 四、电荷的运动不变性 个电荷的电量与它的运动状态无关,即系统所带电荷与参考系的选 取无关
第 22 讲 静电场——库仑定律 电场强度 4 电荷是电子电荷的整数倍。 电子电量 e 带电体电量 q=ne e=1，2，…. 电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质，叫作电荷的量子化。电 子的电荷 e 为基元电荷，或电荷的量子。 1986 年国际推荐值 e=1.602 177 33(49)×10-19C 计算中取近似值 e=1.602×10-19C 10）1964 年，美国的 M．Gellmann 和 G．Zweig 提出夸克模型。现代物理学从 理论上预言基本粒子是由若干种夸克或反夸克组成的，每一种夸克可能带有± e/3 或±2e/3 的分数电荷，然而单独存在的夸克至今任未在实验中发现。 *夸克模型（Quark Model） 上夸克 下夸克 奇异夸克 up down Strange 2e/3 -e/3 -e/3 *在 1977~1981 年间，B．Fairbank 曾报道了在实验中发现超导铌球上存在分数 电荷，然而尚未见到有关这方面的进一步的报道。 本章所涉及的带电体的电荷往往是基本电荷的许多倍，这时只从总体效果 上认为电荷是连续地分布在带电体上的，而忽略了电荷量子化引起的起伏。 三、电荷守恒定律（Law of Conservation of Charge） 内容：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。 说明：电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一，无论在宏观领域，还是在 微观领域都是成立的。 现代物理研究已表明，在粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和 消失的。然而电荷守恒并未因此而遭到破坏。 例如，电子对的“产生” + − →e + e 电子对的“湮灭” + →2 + − e e 附注：关于电荷 1． 电荷有两种：1773 年，法国科学家 Du Fay 发现正负电荷； 2． 电荷可以产生与消失； 3． 电荷守恒； 4． 电荷不能脱离其电场而单独存在； 5． 电荷不能脱离其质量而单独存在； 6． 电荷是量子化的； 7． 电荷分布有一定的范围：1980 年，丁肇中教授报告：电子的最小范围： r<1×10-18m。 四、电荷的运动不变性 一个电荷的电量与它的运动状态无关，即系统所带电荷与参考系的选 取无关