513电荷的量子化电荷守恒定律.ppt
主讲教师 赵 俊,开课单位 物理科学与技术学院,欢迎同学们继续学习,E-mail：,物理学第五版,上学期大学物理考试情况,期末考试90分以上者：蔡金虎、高涛、吉小霞,物理学第五版,上学期大学物理考试情况,期末考试90分以上者：王发强,物理学第五版,重申学习要求,2、遵照有关规定，期末成绩的考核方法是：课程考核说明及要求：本课程期末考试，考试形式闭卷。其成绩评定方法：期末考试占80%，平时成绩占20%。考试题型：选择题、填空题、计算题。考试时间：120分钟。平时成绩来源于：第一，必须按时完成布置的习题；第二，平时的考勤；,1、请大家课前认真预习，课后及时复习课本相应章节内容（高等数学知识在大 学物理学习中非常重要，请大家注意及时复习）；,3、纪律要求：1）上课不旷课、不迟到、不早退、坚持做笔记；2）旷课达总课时1/3的学生取消考试资格。3）下课认真阅读教材；独立完成作业，按时交作业；4）作业缺1/3的学生取消考试资格。,物理学第五版,本学期教学内容安排,+习题课四,+习题课一,物理学第五版,1、什么是电磁学,电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁学是研究电磁运动及其规律的物理学分支。,2、电磁学的主要内容电荷、电流产生电场和磁场的规律；电场和磁场的相互作用；电磁场对电流、电荷的作用；电磁场中物质的各种性质。,电 磁 学,物理学第五版,第五章,静电场,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：库仑定律、叠加原理 静电场的基本定理：高斯定理、环路定理 描述静电场的物理量：电场强度、电势 揭示静电场基本性质(有源场、保守场),静电场：静止电荷产生的电场。由于电荷相对于惯性参考系静止时，电荷在此惯性参考系中就只激发电场，而无磁场。,物理学第五版,结构框图,物理学第五版,9,按照原子理论，在每个原子里，电子环绕由中子和质子组成的原子核而运动称为电子云,物质结构理论：,原子中的中子不带电，质子带正电，电子带负电，质子与电子所具有的电荷量(简称电荷)的绝对值是相等的。,原子核的线度,电子云的线度,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,10,在正常情况下，每个原子中的电子数与质子数相等，故物体呈电中性。,当物体经受摩擦等作用而造成物体的电子过多或不足时，我们说物体带了电。若是电子过多，物体就带了负电；若是电子不足，则物体带了正电。,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,11,1897年J.J.汤姆孙从实验中测出电子的比荷(即电子的电荷与质量之比 e/m),1913年，密立根（R.A.millikan)用液滴法测定了电子电荷，证明：微小粒子带电量的变化是不连续的，它只能是元电荷 e 的整数倍,即粒子的电荷是量子化的。,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,一 电荷的量子化,12,电荷量子化(charge quantization)是个实验规律。,迄今所知，电子是自然界中存在的最小负电荷，质子是最小的正电荷。现在也提出可能存在具有1/3e和2/3e电荷的基本粒子理论推测，但目前在实验上，并没有发现它们。,电量的国际单位：名称为库仑，简称库，符号为C,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,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。,13,二 电荷守恒定律,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.（自然界的基本守恒定律之一）,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,三 电荷究竟是什么？,电荷就是电子、质子等这些粒子？,电荷：,（与物体的惯性质量一样）是物体的一种属性，为了表示物体电力的强度规定了电荷量。,14,电子、质子带有电荷，同时又有质量。,对于电荷的正负使用的命名法是富兰克林提出的，实际上，是可以任意的。,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,15,库仑(C.A.Coulomb 1736 1806）,5-2 库仑定律,法国物理学家，1785年通过扭秤实验创立库仑定律,使电磁学的研究从定性进入定量阶段.电荷的单位库仑以他的姓氏命名.,1773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。1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。他还通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得出摩擦定律。,16,5-2 库仑定律,1.点电荷,当带电体的大小、形状与带电体间的距离相比可以忽略时,就可把带电体视为一个带电的几何点。(一种理想模型),2.库仑定律,处在静止状态的两个点电荷，在真空（空气）中的相互作用力的大小，与每个点电荷的电量成正比，与两个点电荷间距离的平方成反比，作用力的方向沿着两个点电荷的连线。同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。,17,为真空电容率,受 的力,5-2 库仑定律,18,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的相互作用。,静电力的叠加原理：,3.叠加原理,5-2 库仑定律,19,5-2 库仑定律,对电荷连续分布的带电体,Q,已知两杆电荷线密度为，长度为L，相距L,解,例,两带电直杆间的电场力。,求,一.静电场,后来:法拉第提出场的概念,早期：电磁理论是超距作用理论,电场的特点,(1)对位于其中的带电体有力的作用,(2)带电体在电场中运动,电场力要作功，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,表明电场具有动量、质量、能量，体现了它的物质性.,静电场,静止电荷产生的场叫做静电场,5-3 电场强度,二.电场强度,场源电荷,产生电场的电荷,检验电荷,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，原来的电场几乎没有什么变化。,在电场中任一位置处：,定义：,电场中某点的电场强度的大小等于单位电荷在该点受力的大小，其方向为正电荷在该点受力的方向。,23,单位:,电场强度是电场本身的属性，与试验电荷的存在与否无关，并不因无试验电荷而不存在，只是由试验电荷反映,电荷q受电场力:,5-3 电场强度,24,三 点电荷电场强度,5-3 电场强度,说明：(1)点电荷电场是非均匀电场；(2)点电荷电场具有球对称性。,25,四 电场强度叠加原理,点电荷系的电场,5-3 电场强度,26,电荷连续分布的电场,电荷体密度,5-3 电场强度,27,电荷面密度,电荷连续分布的电场,+,5-3 电场强度,28,电荷线密度,电荷连续分布的电场,5-3 电场强度,离散型,连续型,计算的步骤大致如下：任取电荷元dq，写出dq在待求点的场强的表达式；选取适当的坐标系，将场强的表达式分解为标量表示式；进行积分计算；写出总的电场强度的矢量表达式，或求出电场强度的大小 和方向；在计算过程中，要根据对称性来简化计算过程。,电场强度的计算方法,30,例:若一玻璃棒均匀带电+Q,弯成如图所示半径为R的半圆环,求圆心处的电场强度.,解:电荷元,在O处的电场强度,5-3 电场强度,31,讨论:电荷分布为,求o处的电场强度.,在处,在o处,解:,5-3 电场强度,32,讨论:电荷分布如下图所示,上半部+Q,下部-Q,求o处的电场强度.,在处,在o处,解:,5-3 电场强度,33,复 习,电荷的量子化电荷守恒定律库仑定律静电场的概念电场强度电场强度叠加原理电场强度的计算,5-3 电场强度,34,电偶极矩(电矩),例：电偶极子的电场强度,电偶极子的轴,+,-,电偶极子：等量异号电荷+q、-q，相距为r0，它相对于电荷距场点的距离r而言很小，称该带电体系为电偶极子。,5-3 电场强度,35,（1）轴线延长线上一点的电场强度,.,.,+,-,5-3 电场强度,36,5-3 电场强度,37,（2）轴线中垂线上一点的电场强度,.,+,-,.,5-3 电场强度,它在空间一点P产生的电场强度（P点到杆的垂直距离为a),解,由图上的几何关系,例,长为L的均匀带电直杆，电荷线密度为,求,(1)a L 杆可以看成点电荷,讨论,(2)无限长直导线,(3)导线半无限长呢？,如图所示为一沿x轴放置的“无限长”分段均匀带电直线,电荷线密度分别为(x 0)，则xoy平面上(0,a)点处的场强为:,.(B),.(D),(A),0,(C),41,例 正电荷q均匀分布在半径为R的圆环上.计算通过环心点O并垂直圆环平面的轴线上任一点P处的电场强度.,5-3 电场强度,42,解,故,由于,5-3 电场强度,43,（1）,（2）,（3）,讨 论,5-3 电场强度,44,例 有一半径为R，电荷均匀分布的薄圆盘，其电荷面密度为.求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点处的电场强度.,5-3 电场强度,45,解,5-3 电场强度,(1)当R x，圆板可视为无限大薄板,(2),(3)补偿法,p,讨论,例,解,相对于O点的力矩,(1),力偶矩最大,力偶矩为零,(电偶极子处于稳定平衡),(2),(3),力偶矩为零,(电偶极子处于非稳定平衡),求电偶极子在均匀电场中受到的力偶矩。,讨论,
