華東理工大學(xué)物理第8章靜電場(chǎng).ppt

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1 大學(xué)物理 下 理學(xué)院物理系陳建華18917102928 2 1905年愛因斯坦建立狹義相對(duì)論 1865年麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論 1820年 奧斯特發(fā)現(xiàn)電流對(duì)磁針的作用 公元前600年 1831年 法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象 古希臘泰勒斯第一次記載電現(xiàn)象 第三篇電磁學(xué) 1785年 庫侖定律高斯定理 電磁理論的核心 場(chǎng) 3 靜電場(chǎng)的主要性質(zhì) 從四個(gè)角度討論 B電荷進(jìn)入電場(chǎng) 具有電勢(shì)能 電荷在電場(chǎng)中移動(dòng) 電場(chǎng)力要做功 電勢(shì)能W 電勢(shì)U C在靜電場(chǎng)中和U對(duì)每一個(gè)確定的場(chǎng)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的量值 兩者都是空間位置的函數(shù) A靜電場(chǎng)對(duì)進(jìn)入的其它電荷 有力的作用 電場(chǎng)強(qiáng)度 D掌握 U積分 微分形式關(guān)系及幾種計(jì)算方法 掌握反映靜電場(chǎng)基本性質(zhì)的場(chǎng)迭加原理 高斯定理和電場(chǎng)環(huán)流定理 第八章內(nèi)容概要 U 4 第八章靜電場(chǎng) 8 1電相互作用 一 電荷的基本屬性 兩種電荷 q q 同號(hào)相斥 異號(hào)相吸 電荷守恒定律 在一封閉的系統(tǒng)中 正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過程中始終保持不變 電荷量子化Q nee 1 60 10 19 C 二 庫侖定律和靜電力的疊加原理 1 庫侖定律 在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的作用力與它們的電量的乘積成正比 與它們之間距離的平方成反比 5 庫侖 C A Coulomb1736 1806 法國物理學(xué)家 1785年通過扭秤實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立庫侖定律 使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段 電荷的單位庫侖以他的姓氏命名 歷史人物 科學(xué)家小傳 6 2 靜電力的疊加原理 工具 微積分 7 三 電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度 1 電場(chǎng)是種特殊的物質(zhì) 1 物質(zhì)性的體現(xiàn) a 給電場(chǎng)中的帶電體施以力的作用 b 當(dāng)帶電體移動(dòng)時(shí) 電場(chǎng)力作功 表明電場(chǎng)具有能量 c 變化的電場(chǎng)以光速在空間傳播 具有動(dòng)量 2 特殊性的體現(xiàn) a 不是由分子 原子組成 具有疊加性 b 場(chǎng)不能被創(chuàng)生 不能被消滅 只能由一種形式轉(zhuǎn)向另一種形式 8 2 電場(chǎng)強(qiáng)度的定義 2 點(diǎn)電荷系的場(chǎng)強(qiáng) 4 電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算 1 點(diǎn)電荷系的場(chǎng)強(qiáng) 9 2 連續(xù)帶電體的電場(chǎng) 連續(xù)帶電體可視為電荷元 dq 的集合 10 先微分后積分 標(biāo)量 先分解后合成 矢量大小 方向 11 12 2 3 討論 13 討論 1 當(dāng)時(shí) 圓盤相當(dāng)無限大平面 均勻場(chǎng) 14 解題方法 1 取電荷元dq 2 寫出dq產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)dE 積分 3 矢量積分轉(zhuǎn)為標(biāo)量積分 建立坐標(biāo)系 分解 注意確定積分的上下限 選擇合適的積分變量 并注意電場(chǎng)分布的對(duì)稱性 15 課堂練習(xí) 1 求均勻帶電半圓環(huán)圓心處的 已知R 2 求均勻帶電一細(xì)圓弧圓心處的場(chǎng)強(qiáng) 已知 R 根據(jù)對(duì)稱性 沿X方向 16 由對(duì)稱性 方向 沿Y軸負(fù)向 2 求均勻帶電一細(xì)圓弧圓心處的場(chǎng)強(qiáng) 已知 R 17 P 3 一無限大的均勻帶電平板 電荷密度為 在平板上挖去一個(gè)半徑為R的圓孔 求通過圓孔中心并垂直于板的軸上一點(diǎn)P的場(chǎng)強(qiáng) 取圓環(huán)元半徑為 18 8 2靜電場(chǎng)的高斯定理 電場(chǎng)線圖示的規(guī)定 電場(chǎng)線特性 1 始于正電荷 止于負(fù)電荷 或來自無窮遠(yuǎn) 去向無窮遠(yuǎn) 靜電場(chǎng)電場(chǎng)線不閉合 2 電場(chǎng)線不相交 P17 圖8 13 19 20 21 高斯 高斯 C F Gauss1777 1855 德國數(shù)學(xué)家 天文學(xué)家和物理學(xué)家 有 數(shù)學(xué)王子 美稱 他與韋伯制成了第一臺(tái)有線電報(bào)機(jī)和建立了地磁觀測(cè)臺(tái) 高斯還創(chuàng)立了電磁量的絕對(duì)單位制 科學(xué)家小傳 22 說明 若閉合面內(nèi)的電荷是連續(xù)分布在一個(gè)有限體積內(nèi) 則高斯定理表示為 在真空中 通過任一閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量 等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以 即電力線起始于正電荷 終止于負(fù)電荷 靜電場(chǎng)是有源場(chǎng) 有電力線穿入而終止 負(fù)電荷稱為靜電場(chǎng)的尾閭 有電力線穿出 正電荷稱為靜電場(chǎng)的源頭 高斯定理指出 23 24 25 四 高斯定理的應(yīng)用 如何應(yīng)用高斯定理求電場(chǎng)強(qiáng)度 1 分析電場(chǎng)的對(duì)稱性 球?qū)ΨQ 面對(duì)稱 軸對(duì)稱 2 選擇合適的高斯面 使場(chǎng)強(qiáng)E能提到積分符號(hào)外 3 求出高斯面包圍的靜電荷q 再應(yīng)用高斯定理 26 如圖所示 兩個(gè) 無限長 的半徑分別為R1和R2的共軸圓柱面 均勻帶電 沿軸線方向單位長度上的帶電量分別為 1和 2 則在外圓柱面外面 距離軸線為r處的P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小E為 B A C D A 解 高斯定理 作同軸側(cè)面過P點(diǎn)的圓柱形高斯面 課堂練習(xí) 27 28 8 3靜電場(chǎng)的環(huán)路定理和電勢(shì) 一 靜電場(chǎng)力所做的功 29 靜電場(chǎng)強(qiáng)的線積分只取決于起始和終止的位置 而與路徑無關(guān) 3 靜電場(chǎng)的環(huán)路定理 靜電場(chǎng)是一個(gè)保守力場(chǎng) 30 1 靜電場(chǎng)力所做的功就等于電荷電勢(shì)能增量的負(fù)值 討論 2 電勢(shì)能屬于系統(tǒng) 3 電勢(shì)能的大小是相對(duì)的 電勢(shì)能的差是絕對(duì)的 4 試驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能 在數(shù)值上就等于把它從該點(diǎn)移到零勢(shì)能處靜電場(chǎng)力所作的功 令 31 電勢(shì)的單位 焦耳 庫侖 V 電勢(shì)差 靜電場(chǎng)力的功和電勢(shì)差的關(guān)系 32 3 電勢(shì)的計(jì)算 令 b 定義法 33 1 求場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì) 應(yīng)以該點(diǎn)為積分下限 以零電勢(shì)參考點(diǎn)為積分上限 2 因靜電力與作功路徑無關(guān) 所以積分路徑的選擇應(yīng)以計(jì)算方便為原則 3 如果在積分路徑上不同區(qū)段場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)式不同 積分應(yīng)分段進(jìn)行 34 討論 均勻帶電球面內(nèi)任意點(diǎn)的電勢(shì)均于球面電勢(shì)相等 35 解法1 由高斯定理可得電場(chǎng)強(qiáng)度的分布 36 37 解法2 帶電球殼的電勢(shì)疊加 38 將單位正電荷從A移到B時(shí)電場(chǎng)力作的功 電勢(shì)差 科學(xué)小知識(shí) 靜電場(chǎng)力的功 原子物理中能量單位 電子伏特eV 39 討論 無限長 帶電直導(dǎo)線的電勢(shì) 解 令 討論 能否選 40 41 解 42 O q l C D 2l q 習(xí)題如圖所示 AB 2l 弧OCD是以B為中心 l為半徑的半圓 A點(diǎn)有點(diǎn)電荷 q B點(diǎn)有點(diǎn)電荷 q 1 把單位正電荷從O點(diǎn)沿弧OCD移到D點(diǎn) 電場(chǎng)力作了多少功 2 若把單位負(fù)電荷從D點(diǎn)沿AB的延長線移到無窮遠(yuǎn)處 電場(chǎng)力做功又為多少 A B 43 8 4電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)梯度 一 等勢(shì)面 1 定義 靜電場(chǎng)中電勢(shì)相等的點(diǎn)所形成的曲面 2 規(guī)定 兩個(gè)相鄰等勢(shì)面的電勢(shì)差相等 U C 3 性質(zhì) 1 電場(chǎng)線與等勢(shì)面正交 2 二個(gè)不同的等勢(shì)面不相交 44 二 電勢(shì)梯度矢量 方向?qū)?shù) 負(fù)號(hào)表明 沿著E的方向 電勢(shì)由高到低 逆著E的方向 電勢(shì)由低到高 45 場(chǎng)強(qiáng)沿法向的分量 沿法線方向單位長度上電勢(shì)的變化率最大 方向?qū)?shù)的最大 梯度 46 直角坐標(biāo)系中 為求電場(chǎng)強(qiáng)度提供了一種新的途徑 利用電場(chǎng)強(qiáng)度疊加原理 利用高斯定理 利用電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系 1 空間某點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小取決于該點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)電勢(shì)U的空間變化率 2 電場(chǎng)強(qiáng)度的方向恒指向電勢(shì)降落的方向 47 8 5帶電粒子在電場(chǎng)中的受力及其運(yùn)動(dòng) 一 單個(gè)帶電粒子在均勻電場(chǎng)中 1 初速度與電場(chǎng)同向 粒子做勻加速直線運(yùn)動(dòng) 速度 動(dòng)能 初速度為零時(shí) 48 2 初速度與電場(chǎng)垂直 粒子做拋物線運(yùn)動(dòng) 以初速度方向?yàn)閤軸 電場(chǎng)方向?yàn)閥軸 粒子的軌道方程為 49 方向 右手螺旋 穩(wěn)定態(tài)的能量最低 50 靜止電荷 靜電場(chǎng) 真空中靜電場(chǎng)小結(jié) 51 三種計(jì)算思路 52 強(qiáng)調(diào)兩句話 1 注重典型場(chǎng) 2 注重獨(dú)立性 疊加原理 四種模型 點(diǎn)電荷 均勻帶電球面 無限長的帶電線 柱 無限大的帶電面 板 53 高斯定理 54 55 56 靜電場(chǎng)是一個(gè)保守力場(chǎng) 靜電力是一個(gè)保守力 求電勢(shì)的二種方法 a 電勢(shì)疊加法 b 定義法