第一章电场电流 实验》 用软纸在两张塑料透明片上摩擦。然后把它们初互靠近。两张塑料片之间会发生什么 作用?反复实验几次,说明它们之间作用力的大小可能跟哪些囚素有关。 下面再看一个演示,检验我们的观察是否正确。 演示 把一个带正电的物体放在A处,另把一个带正电的轻质小球 月R乃 系在丝线上,先后挂在P1、P2、等位置(图1.1-6)。小球所受 电荷作用力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度显示出未。 F 观察小球在不同位置时丝线偏离竖直方向的角度,可以比较小球 所受力的大小。 图11-6根据丝线偏离的角 度,可以比较带电小球在不 再把小球挂在某个位置,增大或减小它所带的电荷量,比较同位置时受力的大小 小球受力大小的变化。 思考与讨论 通过对上面实验现象的观察,你认为电荷之间作用力的大小跟它们之间的距离有关 吗?电荷之间作用力的大小跟电荷量的大小有关吗? 18世纪,许多科学家都在探索电荷之间作用力的规律,由定性实验表现出来的规律使 些科学家猜测,电荷之间相互作用力的规律可能与万有引力定律具有相似的形式。在前人工作 的基础上,法囯物理学家库仑用实验研究了电荷之间的作用力,证实 了这个猜测。 真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,跟它们电荷量的乘 积成正比,跟它们距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线 上。这个规律是库仑在1785年发现的,人们把它叫做库仑定律 (Coulombian) 电荷间的这种相互作用力叫做静电力 electrostatic force或库仑 C1厘力,库仓定律中所说的“点电荷”指的是一种没有大小的带电体。 理学家、工程师。 般来说,如果带电体间的距离比它们自身线度的大小大得多,以至带
第一章电场电流 电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计,这样的带电体就可以看做点电荷。 如果用Q和Q2表示两个点电荷的电荷量,用r表示它们之间的距离,用F表示它们之间 的相互作用力,库仑定律可以表示为 F=k QQ 点电荷的概念 式中的k是一个常量,叫做静电力常量 electrostatic force constant 与质点的概念一 如果上式中各个物理量都采用国际单位制单位,即电荷量的 样,是理想化的物 理模型。 单位用C,力的单位用N,距离的单位用m,由实验可以得出 k=9.0×10Nm2/C 库仑定律是电磁学的基本定律之一,它给出的虽然是点电荷间的静电力,但是任一带电体 所带的电荷都可以看成是由许多点电荷组成的。因此,如果知道带电体上的电荷分布,根据库 仑定律和力的合成法则,原则上就可以求出带电体间的静电力的大小和方向。 ? 思考与讨论 看到库仑定律的数学表达式,我们有似曾相识的感觉。原来它跟万有引力的数学表 达式在形式上相似。比较一下:它们在哪些方面相似?哪些方面不同? 关于库仑力与万有引力之间的相似,物理学家们早就在认真思考:它们之间是否有内在 的联系?它们是不是同一种相互作用的不同表现?至今,一些物理学家还在致力于这方面的 研究。 问题和练习一 L验电器可以用来检验物体是否带电。同学们可以自己动手傲一个简易的验电 器(图1.1-7)。所用的材料很容易找到:一小段金属丝,两条长约2cm、宽约4mm 的金属箔,一个带有塑料瓶盖的玻璃瓶。制作时要注意瓶盖和瓶子一定要干净,也 不能潮湿。 使摩擦过的塑料梳子接触金属丝,如果金属箔张开一定的角度,就可以说梳子 带电了。 八 找来各种不同材料的物体,摩擦以后看一看,哪些物体通过摩擦能够带电 2一根带电棒能吸引干燥的软木屑。木屑接触到棒以后,往往又剧烈地跳离此 棒。试着做这个实验。说说为什么木屑会跳离。 图1.1-7简易 3不带电的梳子与羊毛衣袖摩擦后带有10C负电荷。这些电荷的电子数目跟验电器 地球人口数相比,哪个大?相差多少倍? 41c的电荷量究竟有多大?一位同学想从力学的角度来认识它:假设两个电荷量为1C的点电 荷相距r时它们间的静电力等于F,如果某两个质量都等于m的质点在相距r时它们的万有引力也
第一章电场电流 等于F,这时m是多大? 5自然界的电荷只有正电荷和负电荷两种,而没有第三种、第四种,这已成了常识。请为此说 出理由,你凭什么事实支持这种结论? 、电场 ■电场弹力和摩擦力都是在两个物体互相接触的情况下产生的 而两个带电体没有接触,就可以发生静电力的作用。那么,电荷之间 的相互作用是通过什么发生的? 经过长期的科学研究,人们认识到,电荷周围存在着一种叫做电 场( electric field的物质,电荷之间是通过电场发生相互作用的。 只要有电荷存在,电荷的周围就有电场。电场的基本性质是对其 中的电荷有力的作用。 带电橡胶棒与水流没有接触 场的概念的建立,是人类对客观世界认识的一个重要进展。现就可以发生静电力的作用 在,人们已经认识到,实物和场是物质存在的两种不同形式,虽然我们看不见电场和磁场,但 它们也是客观存在的物质。 ■电场强度]电荷在电场中受到力的作用,由此可以判断电场 的存在。 研究电场,必须在电场中放入电荷。这个电荷的电荷量要非常 小,放入之后不致影响要研究的电场。它的体积也要充分小,便于研 究电场中各点的情况。这样的电荷叫做试探电荷。 把试探电荷q放在图12-1的电场中,电荷q在电场中的不同点, 受力的大小一般是不同的。这表示各点的电场强弱不同。电荷q在A 点受到的静电力较大,表示这点的电场较强;电荷q在B点受到的 图12-1试探电荷在电场中 静电力较小,表示这点的电场较弱。 但是,我们不能直接用某电荷所受静电力的大小来客观地 表示电场的强弱,因为电荷不同时,它在电场中的同一点所受 在物理学中,常常用 的静电力F是不同的 比值定义物理量,用来表 示研究对象的某种性质, 实验表明,在电场中的同一点,电荷q所受的静电力F与例如,物质的密度p,运 F 动速度U,压强p等等。 它的电荷量q的比值是恒定的;在电场中的不同点,比值 F q 这个方法在其他领域 一般是不同的。这个比值由电荷q在电场中的位置决定,跟电 也经常使用,例如,人均 耕地面积、人均收入、货 荷q无关。在物理学中,用比值来描述电场的强弱。 物的单价等等
第一章电场电流 放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量的比值,叫做该点的电场强度 electric field strength,通常用E表示,也就是 F E-g 如果力的单位用牛,电荷量的单位用库,电场强度的单位是牛每库,符号是N/C。 电场强度是描述电场性质的物理量,与放入电场中的电荷无关,它的大小是由电场本身来 决定的。 电场强度是矢量,不仅有大小,还有方向。物理学中规定,电场中某点的电场强度的方 向跟正电荷在该点所受的电场力的方向相同。按照这个规定,负电荷在电场中某点所受的电 场力的方向跟该点的场强的方向相反。 电场线]利用画图的方法可以对电场各处电场强度的分布给 出直观的图像,使我们形象地了解各种电场的分布。如果在电场中 画出一些曲线,使曲线上每一点的切线都跟该点的电场强度方向 致,这样的曲线就叫做电场线 electric field line,图1.2-2画出了图1.2-2这条电场线上A B、C点的切线方向代表该 一条电场线,A、B、C三点的电场强度方向在曲线这三点的切线方点的电场强度方向 向上 电场线不仅可以表示电场强度的方向,还可以表示电场强度大小的分布情况。几种电场 的电场线分布情况可以用实验模拟出来。 演 电场线的模拟 使头发屑悬浮在蓖麻油内,在油中放入电极。电极带电后,它周国产生电场。头发屑 排列起来的形状显示出电场线的分布(图1.2-3) 电场线是看不见的、这个实验只是用来模拟电场线的分布情况。 甲一个点电荷 乙两个异性电荷 丙两个同性电荷丁一个任意形状的带电体 图1.2-3模拟电场线
第一章电场电流 不同电场中,电场强度分布不同,它们的电场线形状也不一样。图1.2-4是几种电场的电 场线。 米米 ④ ④ 甲一个正电荷 乙一个负电荷 丙电荷量相等的一对正负电荷 丁电荷量相等的两个正电荷 图12-4几种电场的电场线 电场线的特点是: (1)电场线从正电荷或无限远出发,终止于无限远或负电荷; (2)电场线在电场中不相交; (3)在同一幅电场分布图中电场越强的地方,电场线越密。因此,用电场线不仅可以形 象地表示电场强度的方向,而且在同一幅电场线分布图上,还可以大致表示电场强度的相对 大小。 ? 思考与讨论 假定两条电场线在某点相交,由此会得出什么荒谬的结论? 如果电场强度的大小和方向都相同,这个区域的电场叫做匀强电 场{ uniform electric field。匀强电场是最简单的电场在实验研究 和理论研究中都常用到。两块靠近的平行金属板,大小相等、互相正 对、分别带有等量的正负电荷,它们之间的电场(除边缘外)就是匀 强电场。匀强电场的电场线是距离相等的平行直线(图1.2-5)。 图12-5匀强电场的电场线 问题和练习 1.有人说,电场线一定是带电粒子在电场中受力的方向。你认为这 种说法正确吗?为什么? 2地球表面附近通常存在着一个竖直方向的微弱电场。一个带负电 的微粒在这个电场中受到向上的力,这个电场强度的方向是竖直向上,还 是竖直向下? 3静止的带电粒子A、B在电场中的受力方向如图1.2-6所示。它们 各带什么电荷? 图1.2-6它们各带什么电荷?