2010.10.11第四章：靜電場

1、第四章：靜電場 物 理 學 與 技 術(shù) 革 命第二次技術(shù)革命：是以歐美19世紀下半葉至20世紀初興起的電氣時代。（1）具有重大意義的幾個事件：一是意大利科學家伏打于1800年發(fā)明了電池； 二是丹麥科學家奧斯特于1820年發(fā)現(xiàn)了電磁效應(yīng)現(xiàn)象； 三是英國科學家法拉第于1831年建立了電磁感應(yīng)定律。 （2）發(fā)電機的產(chǎn)生 :1834年法拉第用U形磁鐵和銅盤創(chuàng)造出世界上第一臺原始發(fā)電機雛形；1864年英國技師威爾德提出自激勵磁法；3）電力工業(yè)技術(shù)體系的完善:繼西門子的電機之后，1876年貝爾（18471922）發(fā)明了電話，1879年愛迪生發(fā)明電燈，這三大發(fā)明照亮了人類實現(xiàn)電氣化的道路。 1883年法拉里

2、斯在意大利科學院提出“利用交流電來產(chǎn)生電動旋轉(zhuǎn)”的經(jīng)典理論。 同年南斯拉夫的特斯拉在美國發(fā)明創(chuàng)造了感應(yīng)電動機。 1888年威斯汀豪斯（1846一1914）制成交流變壓器，與已經(jīng)發(fā)明的交流發(fā)電機相接，建成交流電傳輸系統(tǒng)。 1889年，俄國工程師多利沃-多勃羅夫斯基提出采用三相制的建議，并設(shè)計制造了第一臺三相變壓器和三相感應(yīng)電動機完善了電力工業(yè)技術(shù)體系。 電力技術(shù)的成功，使美、歐、日紛紛把電電力建設(shè)作為國家承建工程的重點。美、歐、日超大型電力系統(tǒng)、以電為中心的超大型聯(lián)合企業(yè)和國家電氣化計劃紛紛建立和籌劃。世界范圍內(nèi)興起的電氣化熱潮，使人類迎來了“電氣化世紀”，完成了第二次技術(shù)革命。 物 理 學 與

3、 科 技 ESD是代表英文ElectroStatic Discharge即“靜電放電”的意思。是本世紀中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生與衰減、靜電放電模型、靜電放電效應(yīng)如電流熱（火花）效應(yīng)（如靜電引起的著火與爆炸）及和電磁效應(yīng)（如電磁干擾）等的學科。近年來隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展、微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用及電磁環(huán)境越來越復雜，對靜電放電的電磁場效應(yīng)如電磁干擾（）及電磁兼容性（）問題越來越重視。靜電放電控制:腕帶的問題，導電地面/導電鞋,設(shè)備的接地,靜電屏蔽包裝、靜電屏蔽盒,工作臺和腕帶的檢測器,絕對與相對濕度,消電器。 哪些電子工業(yè)過程會產(chǎn)生靜電危害?元件從生產(chǎn)到使用的整體過程中都會產(chǎn)生靜電：1.元件

4、制造過程在這個過程，包含制造，切割、接線、檢驗到交貨。2.印刷電路版生產(chǎn)過程收貨、驗收、儲存、插入、焊接、品管、包裝到出貨。3.設(shè)備制造過程電路板驗收、儲存、裝配、品管、出貨。4.設(shè)備使用過程收貨、安裝、試驗、使用及保養(yǎng)。5.設(shè)備維修過程請你思考：（美國）Kendall Haven歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電池。1789年由意大利的Volta發(fā)明。歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電報。1883年由美國的Samuel Morse(畫家）發(fā)明。發(fā)明內(nèi)容：一種沿電線發(fā)送并接受信息的電磁系統(tǒng)。本章重點:1、兩個基本概念：電場強度和電勢。2、三個基本定律：庫侖定律、高斯定律和靜電場的環(huán)路定理. 1

5、.對電荷的基本認識： （1）兩種:正電荷、負電荷. （2）電荷量子化 (charge quantization )一.電荷守恒定律：1986年的推薦值為：e =1.6021773310-19庫侖(C)3、電荷守恒定律： (law of conservation of charge)2、電荷的相對論不變性：在不同的參照系內(nèi)觀察，同一個 帶電粒子的電量不變。4、起電的方法：摩擦起電和靜電感應(yīng)。5、物體：導體、絕緣體、半導體（溫度、光、雜質(zhì)、壓力、 電磁場敏感）。二.庫侖定律( Coulomb Law)：1736-1806 France1. 點電荷:(point charge).（R L ）.理想模

6、型 在真空中, 兩個靜止點電荷之間的相互作用力大 小，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；作用力的方向沿著它們的聯(lián)線，同號電 荷相斥，異號電荷相吸。2.表述: (1785年，庫侖通過扭稱實驗得到)1736-1806 France 真空中,點電荷q1對點電荷q2的作用力為 (2)公式中的系數(shù)是SI制要求的。 (3) 真空的介電常量 (1) 是從點電荷q1指向點電荷q2的單位矢量。 討論(Discussion):1)基本實驗規(guī)律： 宏觀 、 微觀適用2)點電荷：理想模型3）電力疊加原理討論(Discussion):解 例 在氫原子內(nèi),電子和質(zhì)子的間距為 . 求它們之間電相互作用

7、和萬有引力,并比較它們的大小.早期：電磁理論是超距作用理論后來: 法拉第提出近距作用并提出力線和場的概念三.電場 (electric field)：（1）電荷 電場 電荷1、電場與實物粒子的比較：（2）場的物質(zhì)性體現(xiàn)在：電場具有動量、質(zhì)量、能量.（3）電場與實物之間的不同在于它具有疊加性。2、電場的基本性質(zhì)： （1）對放其內(nèi)的任何電荷都有作用力。 （2）電場力對移動電荷作功。3、靜電場 (eletrostatic field)： 相對于觀察者靜止的電荷產(chǎn)生的電場。 是電磁場的一種特殊形式。四、電場強度 (electric field intensity)：1、試驗電荷電量充分地小。線度足夠地小

8、。是個正電荷。2、電場強度定義：試驗表明：確定場點、比值與試驗電荷無關(guān)（2）矢量場 。國際單位制單位或點電荷在外場中受的電場力 討論(Discussion):（1）（3）量綱：五、場強疊加原理（重點）(Principle of superposition of electric fields) 式中的Ei是電荷qi單獨存在時產(chǎn)生的電場強度。六、電場強度的計算：重點(Calculation of electric field Intensity)1.點電荷的場強公式：推導：（3）點電荷的電場具有球?qū)ΨQ性。討論(Discussion):（2）大?。簣鰪姺较颍赫姾墒芰Ψ较?。（1） 從源電荷指向場點

9、。 2、點電荷系：推導：或3、任意帶電體（連續(xù)帶電體)電場中的場強：重、難點、對場源求積分，可得總場強：P電荷的線密度(linear charge density)：電荷的面密度(surface charge density)：電荷的體密度(volume charge density)：電場強度的計算：復習 掌握(Calculation of electric field Intensity)例:在一個正方形的四個頂點上，有兩正兩負的電荷q，擺 法不同，中心o點的場強有何不同? 點場強如何?思考題P201 第4-1題:在真空中兩個點電荷之間的相互作用力是否會因為其他帶電體的移進而改變。兩式有什

10、么區(qū)別與聯(lián)系。第4-2題:思考題P201 第4-3題: (1)在電場中某一點的場強定義為 若該點沒有試驗電荷 ，那么該點有無場強?如果電荷在電場中某點受的電場力很大，該點的電場強度是否一定很大? (2)根據(jù)點電荷的場強公式從形式上看，當所考察的場點和點電荷q間的距離r0時，則按上式，將有E ，但這是沒有物理意義的。對這個問題你如何解釋?例1:求電偶極子在延長線上和中垂線上一點產(chǎn)生的電場強度。解OxP令：電偶極矩Pr在中垂線上求：如圖所示 點的電場強度解：在坐標 x 處取一個電荷元dq該點電荷在 p 點的場強方向如圖所示大小為 各電荷元在 p 點的場強方向一致 場強大小直接相加電荷線密度為例2:

11、 長為 均勻帶電直線例3: 如圖所示，長為l的細直線OA,其帶電線密度為 ，求下面兩種情況下在線的延長線上距線的端點O點為b的P點的電場強度： (1) 為常量，且 0；(2) =kx，k為大于零的常量，(0 x1)。解：bxAOP(1) 方向沿x軸的負方向。(2) bxAOP方向沿x軸的負方向。例3:求均勻帶電細棒中垂線上一點的場強設(shè)棒長為l， 帶電 量q ，電荷線密度為。解：ldEzyr取帶電微元：利用公式：討論: (1) 無限長均勻帶電細棒的場強方向垂直與細棒 (2) yl， 相當于點電荷的場強求:圓環(huán)軸線上任一點P 的電場強度.RP解:dqOxr例4:半徑為R 的均勻帶電細圓環(huán)，帶電量為

12、q 圓環(huán)上電荷分布關(guān)于x 軸對稱 1) 當 x = 0（即P點在圓環(huán)中心處）時， 2) 當 xR 時 可以把帶電圓環(huán)視為一個點電荷 討論：EOxdlyzxrROqPdEdEx例5. 均勻帶電薄圓盤軸線上的電場強度.PrxOR例6:一個半徑為R的半圓細環(huán)上均勻地分布電荷Q，求環(huán)心處 的電場強度。 解:負號表示場強方向與y方向相反小 結(jié)1、庫侖定律：2、電場強度： 3、場強疊加原理 ：4、電場強度的計算： 重點重點重點重點（1）點電荷的場強公式：（2）點電荷系的場強公式：（3）任意帶電體（連續(xù)帶電體)電場中的場強：重點重點重點2000年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻：美國物理學家。Jacks S.

13、Clair Kilby (1923- )微電子領(lǐng)域的研究和微芯片的制造。 物 理 學 史 介 紹： 2000年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻：美國物理學家。微電子領(lǐng)域的研究和微芯片的制造。Herbert Kroemer(1928-）2000年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻：美國物理學家。微電子領(lǐng)域的研究和微芯片的制造。Zhores I. Alferov(1930-) 作業(yè)：P202頁習題：第4-4題、第4-5題。 理想化方法必須以大量的觀察和實驗獲得的材料為基礎(chǔ)。 預(yù)習： 4-3 高斯定理請你思考：（美國）Kendall Haven歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電動機。1831年由英國的Mach

14、ael Faraday發(fā)明,是鐵匠之子，沒有受過正規(guī)教育，自稱是化學家。發(fā)明內(nèi)容：一種將電能轉(zhuǎn)化為機械動力的機器。1832年由英國的Willian Sturgeon發(fā)明了轉(zhuǎn)接器（轉(zhuǎn)換電流的方向）。 4-3高斯定理(Gauss theorem)本節(jié)重點:1、掌握的電強線概念及描述方法。2、掌握的電通量計算。3、掌握高斯定理及在求解場強方面的應(yīng)用。一、電強線:電場的圖示法。掌握用一族空間曲線形象描述場強分布, 通常把這些曲線稱為電場線(electric field line)或電力線 (electric line of force).1、規(guī)定: 方向：力線上每一點的切線方向； 大小：通過 單位面積

15、的電力線數(shù)目，等于該點 場強的量值。+q-q2、電力線的性質(zhì)：掌握1)電力線起始于正電荷(或無窮遠處)， 終止于負電荷，不會在沒有電荷處中斷； 2)兩條電場線不會相交；3)電力線不會形成閉合曲線。 由靜電場的基本性質(zhì)和場的單值性決定的。 二、電通量(electric flux)：在電場中穿過任意曲面S 的電場線條數(shù)稱為穿過該面的電通量。 1、 均勻場中：定義2、 非均勻場中：(2) 電通量是代數(shù)量。為正 為負 3、對閉合曲面：（1） 方向的規(guī)定：面元方向由閉合 面內(nèi)指向面外。討論(Discussion):正與負：取決于面元的法線方向的選取。 閉合曲面的電場強度通量 例1 如圖所示 ，有一個三棱

16、柱體放置在電場強度 的勻強電場中 . 求通過此三棱柱體的電場強度通量 .解三、靜電場的高斯定理 ： (Gauss theorem)1、表述：在真空中的靜電場內(nèi)，任一閉合面的電通量等于這閉合面所包圍的電量的代數(shù)和除以 Gauss 德國物理學家、數(shù)學家、天文學家.+q-q2.高斯定理的證明：庫侖定律 +疊加原理（2）取任意閉合曲面時結(jié)論: e 與曲面的形狀及 q 在曲面內(nèi)的位置無關(guān)。（1）取球?qū)ΨQ閉合曲面+q-q+q推導：S+qS1S2（3）q在曲面外時：（4）當存在多個電荷時：q1q2q3q4q5 是所有電荷產(chǎn)生的，e 只與內(nèi)部電荷有關(guān)。結(jié)論:P（1）閉合面內(nèi)、外電荷對 都有貢獻.（2）靜電場性

17、質(zhì)的基本方程:有源場.（3）微分形式只有閉合面內(nèi)的電量對電通量有貢獻.討論(Discussion):四、高斯定理在求解場強方面的應(yīng)用： 常見的電量分布的對稱性： 球?qū)ΨQ 柱對稱 面對稱均勻帶電的球體球面(點電荷)無限長柱體柱面帶電線無限大平板平面用高斯定理求電場強度的步驟：(3) 根據(jù)高斯定理求電場強度。(1) 分析電場分布對稱性； (2) 根據(jù)對稱性取高斯面；用高斯定理求電場強度的步驟：分析電場分布對稱性根據(jù)對稱性選取高斯面根據(jù)高斯定理求電場強度思考題P202 第4-5題:下列幾種說法是否正確，為什么？ (1)高斯面上電場強度處處為零時，高斯面內(nèi)必定沒有電荷。 (2)高斯面內(nèi)凈電荷數(shù)為零時，

18、高斯面上各點的電場強度必為零。 (3)穿過高斯面的電通量為零時，高斯面上各點的電場強度必為零。 (4)高斯面上各點的電場強度為零時，穿過高斯面的電通量一定為零。思考題P202 第4-6題: 一個點電荷q位于一個邊長為a的立方體的中心， 通過該立方體各面的電通量是多少？根據(jù)電荷分布的對稱性，選取合適的高斯面(閉合面)解:取以球心 o 為圓心的球面先計算高斯面的電通量例1：均勻帶電球面，總電量為 Q，半徑為R，求電場強度分布。再根據(jù)高斯定理解方程過場點的高斯面內(nèi)電量代數(shù)和?rEO電場分布曲線思考題P201 第4-4題:一個均勻帶電球形橡皮氣球，在其被吹大的過程中，下列各場點的場強將如何變化？(1)

19、氣球內(nèi)部(2)氣球外部；(3)氣球表面。:已知“無限長”均勻帶電直線的電荷線密度為+ 解:電場分布具有軸對稱性 例2:距直線r 處一點P 的電場強度求根據(jù)高斯定理得 rlP電場分布曲線EOr例3：已知球體半徑為R，帶電量為q（電荷體密度為）R+解：球外r求：均勻帶電球體的電場強度分布球內(nèi)( )R電場分布曲線EOr解：電場強度分布具有面對稱性 選取一個圓柱形高斯面 例4：已知“無限大”均勻帶正電平面上電荷面密度為求：電場強度分布根據(jù)高斯定理有 xOEx(1) 無限大帶負電薄板(2)E1E1E1E2E2E2運用高斯定律求場強時，重點掌握對稱性的分析。討論(Discussion):例5：圖為兩個分別

20、帶有電荷的同心球殼系統(tǒng)。設(shè)半徑為R1和R2 的球殼上分別帶有Q1電荷和Q2，求（1）I、II 、III三個區(qū)域中的場強；（2）若Q1 = Q2 ，各區(qū)域的電場強度又為多少？畫出此時的電場強度分布曲線 (即Er 關(guān)系曲線)。R1R2Q1Q2IIIIII解：(1)由高斯定律知,電場分布如下:當R1rR2 時,當 rR1時,(2) Q1=-Q2當 rR1時,當R1rR2 時,0 rR2R1E E r關(guān)系曲線思考題P202 第4-7題:一根有限長的均勻帶電直線，其電荷分布及所激 發(fā)的電場有一定的對稱性，如圖所示。能否利用高斯定理算出場強來?小 結(jié)1、電強線及性質(zhì)。2、電通量： 3、靜電場的高斯定理 ：

21、4、高斯定理在求解場強方面的應(yīng)用：(1) 分析電荷對稱性； (2) 根據(jù)對稱性取高斯面；(3) 根據(jù)高斯定理求電場強度。 物 理 學 與 生 活雷電是一種極為宏偉壯觀的自然現(xiàn)象，是一門古老而富有神秘色彩的科學。雷電孕育了地球的生命，又促成了地球上的文明，功莫大焉！ 在雷云的形成過程中，某些云團帶有正電菏，另些云團帶有負電荷。它們對大地的靜電感應(yīng)使地面產(chǎn)生異性電荷。當這些云團電荷積聚到一定程度時，不同電荷的云團之間或云團與大地之間的電場強度就可擊穿空氣（一般為千伏厘米）開始游離放電。 在主放電階段里，由于異性電荷的劇烈中和，會出現(xiàn)很大的電流（一般為幾十千安至幾百千安），隨之發(fā)生強烈放電閃光，這就

22、是閃電；強大的電流把閃電通道內(nèi)的空氣急劇加熱到一萬度以上，使空氣驟然膨脹而發(fā)出巨大響聲，這就是雷，這就形成了雷電。 個人防雷電十大秘訣應(yīng)該留在室內(nèi)，并關(guān)好門窗；在室外工作的人應(yīng)躲入建筑物內(nèi)。不宜使用無防雷措施或防雷措施不足的電視、音響等電器，不宜使用水龍頭。切勿接觸天線、水管、鐵絲網(wǎng)、金屬門窗、建筑物外墻，遠離電線等帶電設(shè)備或其它類似金屬裝置。減少使用電話和手提電話。切勿游泳或從事其它水上運動，不宜進行室外球類運動，離開水面以及其它空曠場地，尋找地方躲避。切勿站立于山頂、樓頂上或其它接近導電性高的物體。切勿處理開口容器盛載的易燃物品。在曠野無法躲入有防雷設(shè)施的建筑物內(nèi)時，應(yīng)遠離樹木和桅桿。在空

23、曠場地不宜打傘，不宜把羽毛球、高爾夫球棍等扛在肩上。不宜開摩托車、騎自行車。1949年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻：日本物理學家。發(fā)現(xiàn)介子。湯川秀樹 (1907-1981） Hideki Yukawa 物 理 學 史 介 紹： 1918年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻： 物 理 學 史 介 紹： 德國物理學家。Max V.Planck(1858-1947)M.V.普朗克研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量子，提出能量量子化的假設(shè)，解釋了電磁輻射的經(jīng)驗定律。作業(yè)：P202頁練習題：第4-7題。 不怯上問( 敢于質(zhì)疑),不恥下問(虛心求教). 預(yù)習： 4-4 電勢請你思考：（美國）Kendall Have

24、n歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電梯和摩天大樓。1852年及1885年。發(fā)明家：電梯，Elisha Otis(美國紐約）; 摩天大樓，James Bogardus (美國紐約）。解決的問題：爬高和外墻承重的問題。一、靜電場力的功： 、單個點電荷產(chǎn)生的電場中：baLq0 (與路徑無關(guān)) 結(jié)論：電場力作功只與始末位置有關(guān)，與路徑無關(guān)，所以靜電場力是保守力，靜電場是保守力場。、任意帶電體系產(chǎn)生的電場中：電荷系q1、q2、的電場中，移動q0，有 二、靜電場的環(huán)路定理：重點(circuital theorem of electrostatic field) 1、表述:靜電場中場強沿任意閉合環(huán)路的線積分

25、恒等于零 . 2、證明:在靜電場中，沿閉合路徑移動q0，作功ab理解物理意義討論(Discussion):a)靜電場的基本方程.b)保守場.C)微分形式: 三、電勢能：1、電勢能的差：力學保守力場引入勢能靜電場保守場引入靜電勢能定義：q0 在電場中a、b 兩點電勢 能之差等于把 q0 自 a 點移至 b 點過程中電場力所作的功。2、電勢能:取勢能零點q0 在電場中某點 a 的電勢能： (1) 電勢能屬于q0 和源電荷系統(tǒng)共有。說明： (3) 選勢能零點原則： (2) 電勢能是相對量,其值與零點選取無關(guān)。 實際應(yīng)用中取大地、儀器外殼等為勢能零點。 當(源)電荷分布在有限范圍內(nèi)時，勢能零點一般選在

26、 無窮遠處。討論(Discussion):（1）若Wab0,正功，則EPaEPb,電勢能減少。（2）若Wab0,負功，則EPaEPb,電勢能增加。（3）若Wab=0,不做功，則EPa=EPb,電勢能不變。例1：在帶電量為 Q 的點電荷所產(chǎn)生的靜電場中，有一帶電 量為q 的點電荷，求：q 在a 點和 b 點的電勢能。解：選無窮遠為電勢能零點兩點的電勢能差：bacQ 四、電勢 電勢差：重點（ electric potential difference）電勢差：1、 電勢：掌握電勢定義：SI制：V （1）電勢零點的選擇(參考點)任意,視分析問題方便而 定,參考點不同電勢不同. (2)理論計算有限帶電

27、體電勢時,選無限遠為參考點. 實際應(yīng)用中或研究電路問題時取大地、儀器外殼等.討論(Discussion):2.電勢疊加原理:掌握結(jié)論: 在點電荷系產(chǎn)生的電場中，某點的電勢是各個點電 荷單獨存在時，在該點產(chǎn)生的電勢的代數(shù)和。3、電勢的計算：重點(1) 點電荷:球?qū)ΨQ標量正負(2)點電荷系:(3)電荷連續(xù)分布：電勢疊加已知電荷分布已知場強分布電勢計算的步驟：根據(jù)高斯定理求電場強度1、點電荷系:點電荷電勢計算公式+電勢疊加原理2、電荷連續(xù)分布：根據(jù)電勢定義求電勢例1 計算均勻帶電球面的電勢 如圖解：均勻帶電球面電場的分布為若場點在球內(nèi) 即如圖與電量集中在球心的點電荷的電勢分布相同等勢體場點在球面外

28、即均勻帶電球面的內(nèi)外電勢分布公式：掌握（直接用）例2：半徑為R ,帶電量為q 的均勻帶電球體解：根據(jù)高斯定律可得：求：帶電球體的電勢分布。對球外一點P 對球內(nèi)一點P1 +RrPP1例3: 如圖所示,兩個同心球面,半徑分別為R1,R2,內(nèi)球 面帶電量為+q,外球面帶電量為+Q.求: (1)空間的電勢分布. (2)內(nèi)外兩球間的電勢差.解: 方法1:根據(jù)(1)由高斯定律知,電場分布如下:當R1rR2 時,當 rR1時,當 rR1時,當R1rR2 時,均勻帶電球面的內(nèi)外電勢分布公式：掌握（直接用）方法2:根據(jù)電勢疊加原理.當 rR1時,當R1rR2 時, 例4:均勻帶電圓環(huán)半徑為R，電荷線密度為。解:

29、建立如圖坐標系，選取電荷元 dq求:圓環(huán)軸線上一點的電勢.RPOxdqr 例5:一個細胞的膜電勢差為50 mV，膜厚度為 。若假定膜中場強為勻強電場，問電場強度為多大?當一個鉀離子通過該膜時需作多少功?解:E = U d = 5010-33010-10 = 1.6710-7( Vm-1 ) W = qU = 1.610-195010-3 = 810-21( J )例6：圖為兩個分別帶有電荷的同心球殼系統(tǒng)。設(shè)半徑為R1和R2 的球殼上分別帶有Q1電荷和Q2，求（1）I、II 、III三個區(qū)域中的電勢；（2）若Q1 = Q2 ，各區(qū)域的電勢又為多少？R1R2Q1Q2IIIIII解：(1)由高斯定律

30、知,電場分布如下:當R1rR2 時,當 rR1時,：(2)五、等勢面 電勢與電場強度的微分關(guān)系:(The relationship between electric field intensity and electric potential)1、等勢面(Equipotential surface):電場中 電勢相等的點連成的面。 點電荷的等勢面 按規(guī)定，電場中任意兩相鄰等勢面之間的電勢差相等，即等勢面的疏密程度同樣可以表示場強的大小兩平行帶電平板的電場線和等勢面+ + + + + + + + + + + + 一對等量異號點電荷的電場線和等勢面+等勢面的性質(zhì):(1)電力線處處垂直等勢面 即證明

31、:pQ設(shè)等勢面上P點的電場強度與等勢面夾角為 ,把q0 在等勢面上移動,電場力作功為(2) 規(guī)定相鄰兩等勢面間的電勢差都相同 。等勢面密大等勢面疏小(3) 電場強度的方向總是指向電勢降落的方向。uu+du2、 電勢與電場強度的微分關(guān)系：取兩個相鄰的等勢面，等勢面法線方向為任意一場點P處電場強度的大小等于沿過該點等勢面法線方向上電勢的變化率，負號表示電場強度的方向指向電勢減小的方向。 把點電荷從P移到Q，電場力作功為：，設(shè)的方向與相同，PQ在直角坐標系中另一種理解即某點的電場強度等于該點電勢梯度的負值，這就是電勢與電場強度的微分關(guān)系。 思考題P202 第4-9題: 試利用電場強度與電勢的關(guān)系式

32、分析下列問題：(1)在電勢不變的空間內(nèi)，電場強度是否為零？(2)在電勢為零處，電場強度是否一定為零？(3)在電場強度為零處，電勢是否一定為零？例:試計算電偶極子在其軸線上的電場強度與電勢.(rl)解:小 結(jié)1、 兩個基本物理量：2、 兩個基本定理： 3、電勢能：點電荷 , 均勻帶電球面 , 無限長的帶、電線 (柱) , 無限大的帶電面 (板) 4、 兩種計算思路：注重典型場注重疊加原理5、均勻帶電球面的內(nèi)外電勢分布公式：掌握（直接用）上面兩個公式經(jīng)常與電勢疊加原理結(jié)合進行相關(guān)計算。6、 電勢與電場強度的關(guān)系：1921年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻：德國物理學家。Albert Einstein(

33、1879-1955)A.愛因斯坦對現(xiàn)代物理方面的貢獻，是相對論的奠基人，特別是闡明光電效應(yīng)的定律。 物 理 學 史 介 紹： 1985年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻： 物 理 學 史 介 紹： 德國物理學家。Klaus Von KilitzingK.V.克利青(1943- )發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)。 學生時代就要勇于和善于探索前沿，沖擊前沿。 作業(yè)：P203頁習題：第4-9題，第4-10題。 預(yù)習：4-5：靜電場對導體和電介質(zhì)的作用請你思考：（美國）Kendall Haven歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電業(yè)。1903年由美國芝加哥的Samuel Insul發(fā)明。發(fā)明內(nèi)容：由發(fā)電站、傳輸線、變壓

34、器等組成的系統(tǒng)。歷史上100個最偉大的發(fā)明之一：電燈泡。發(fā)明時間：1879年。發(fā)明人（爭議）：美國的Thomas Edison（1000多項專利）和英國的Joseph Swan（藥劑師，做藥品生意）發(fā)明。4.5靜電場對導體和電介質(zhì)的作用本節(jié)重點:1、導體的靜電平衡條件及電荷分布特點.2、靜電屏蔽原理.4、電介質(zhì)的極化機制。3、電介質(zhì)對電場的影響。+2.靜電感應(yīng):感應(yīng)電荷一 靜電平衡條件：1.導體:存在大量的可自由移動的電荷。+3.靜電平衡 (electrostatic equilibrium):導體 內(nèi)部和表面無自由電荷的定向移動，說導體 處于靜電平衡狀態(tài)。+導體內(nèi)電場強度外電場強度感應(yīng)電荷電

35、場強度+ +導體是等勢體靜電平衡條件（1）導體內(nèi)部任何一點處的電場強度為零；（2）導體表面處的電場強度的方向,都與導體表面垂直. 導體表面是等勢面 導體內(nèi)部電勢相等二、 靜電平衡時導體上電荷的分布+結(jié)論 導體內(nèi)部無電荷1、實心導體2、有空腔導體 空腔內(nèi)無電荷電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？若內(nèi)表面帶電所以內(nèi)表面不帶電+- 結(jié)論 電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無電荷）+矛盾導體是等勢體 空腔內(nèi)有電荷電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？ 結(jié)論 當空腔內(nèi)有電荷 時,內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等值異號的電荷 ，外表面有感應(yīng)電荷 （電荷守恒）+ 為表面電荷面密度 作錢幣形高斯面 S3、導體表面電場強度與電荷面密度

36、的關(guān)系 表面電場強度的大小與該表面電荷面密度成正比+注意 導體表面電荷分布與導體形狀以及周圍環(huán)境有關(guān).4、導體表面電荷分布+孤立導體+導體球孤立帶電由實驗知： 凸且尖銳部分, 較大，平坦部分, 較小，凹進部分, 最小。ABC5. 處于靜電平衡的孤立帶電導體電荷分布 (1)特點:(2)應(yīng)用:避雷針(尖端放電),范德格拉夫起電機.高壓設(shè)備的電極作成光滑的球面,避免放電,漏電.三、 靜電屏蔽 1、屏蔽外電場外電場 空腔導體可以屏蔽外電場, 使空腔內(nèi)物體不受外電場影響.這時,整個空腔導體和腔內(nèi)的電勢也必處處相等.空腔導體屏蔽外電場 接地空腔導體將使外部空間不受空腔內(nèi)的電場影響.接地導體電勢為零 2、屏

37、蔽腔內(nèi)電場+腔內(nèi)腔外內(nèi)表面外表面導體3. 靜電屏蔽的應(yīng)用：精密電磁測量外面的金屬網(wǎng).高壓帶電作業(yè)的金屬均壓服.靜電紡紗機,靜電復印機,靜電存儲器,靜電噴漆,靜電除塵,靜電消除器.例1 無限大的帶電平面的場中平行放置一無限大金屬平板 求：金屬板兩面電荷面密度解:設(shè)金屬板面電荷密度由對稱性和電量守恒導體體內(nèi)任一點P場強為零 例 有一外半徑 和內(nèi)半徑 的金屬球殼，在球殼內(nèi)放一半徑 的同心金屬球，若使球殼和金屬球均帶有 的正電荷，問 兩球體上的電荷如何分布？球心的電勢為多少？ 解 根據(jù)靜電平衡的條件求電荷分布均勻帶電球面的內(nèi)外電勢分布公式：掌握（直接用）例3 接地導體球附近有一點電荷,如圖所示。求:導

38、體上感應(yīng)電荷的電量解:接地 即設(shè):感應(yīng)電量為由導體是個等勢體o點的電勢為0 則電介質(zhì): 絕緣體（ Dielectric）(在電場中的)電介質(zhì)電場r+Q-Q+-四 、電介質(zhì)、相對介電常數(shù)+ + + + + + + - - - - - - -相對介電常數(shù)介電常數(shù)+ + + + + + + - - - - - - -五.電介質(zhì)的極化(Polarization of dielectric)：無極分子電介質(zhì)：（氫、甲烷、石蠟等）有極分子電介質(zhì)：（水、有機玻璃等） 無極分子 (Polar molecular) 有極分子 (Non-polar molecular )+ -無外場時（熱運動）整體對外不顯電性(

39、無極分子電介質(zhì))(有極分子電介質(zhì))-+有外場時(分子) 位移極化(分子) 取向極化束縛電荷束縛電荷 無極分子電介質(zhì) 有極分子電介質(zhì)(orientation polarization)(Displacement polarization)(bound charges) 結(jié)論：無極分子電介質(zhì)進行電子位移極化。 有極分子電介質(zhì)進行取向極化.思考題P202 第4-10題: 當電場中存在導體和電介質(zhì)時，引起電場變化的根本原因是什么?電場線的特征是否改變?電場中高斯定理和場強環(huán)流定理是不是還成立?4-6:電容器與電場能量（capacitor capacity ）本節(jié)重點:1、電容的概念和定義。 2、常用電

40、容器電容的計算。 2.5厘米高壓電容器(20kV 521F)(提高功率因數(shù))聚丙烯電容器(單相電機起動和連續(xù)運轉(zhuǎn))陶瓷電容器(20000V1000pF)滌綸電容(250V0.47F)電解電容器(160V470 F)12厘米2.5厘米70厘米電容只與形狀,介質(zhì)有 關(guān),與導體是否帶電無關(guān).一、 孤立導體的電容： （掌握）單位:法拉( F )電容 + +QuE 求半徑為R 的孤立導體球的電容. 電勢為電容為R電勢若 R = Re , 則 C = 704 F 若 C = 110 3 F , 則 R = ?C = 110 -3F啊,體積還這么大!1.8m9m彼此絕緣,相距很近的 兩導體.極板極板+ Q-

41、 Q u極板帶電極板的電勢差二、電容器的電容（重點）電容器的電容電容器電容的計算： QC的大小與形狀、大小、相對位置及電介質(zhì)有關(guān)。duS+Q-Q(1) 平行板電容器（重點） 例1 平行平板電容器的極板是邊長為 的正方形，兩板之間的距離 .如兩極板的電勢差為 ，要使極板上儲存 的電荷,邊長 應(yīng)取多大才行.解(2) 球形電容器（重點）：R1+Q-QR2ab討論:若平行板電容器則(3) 柱形電容器： （重點）R1R2L理論和實驗證明充滿介質(zhì)時電容真空中電容相對介電常數(shù)一些電介質(zhì)的相對介電常數(shù)電介質(zhì)r電介質(zhì)r電介質(zhì)r真空1變壓器油3氧化鉭11.6空氣1.000585云母36二氧化鈦100純水80普通陶

42、瓷5.76.8電木7.6玻璃510聚乙烯2.3石蠟2.2紙3.5聚苯乙烯2.6鈦酸鋇102104三、電介質(zhì)電容器四、電容器的應(yīng)用： （了解）儲能、振蕩、濾波、移相、旁路、耦合等。 四、電容器的分類: （了解）形狀：平行板、柱形、球形電容器等.介質(zhì)：空氣、陶瓷、滌綸、云母、電解 電容器等.用途：儲能、振蕩、濾波、移相、旁路、 耦合電容器等。五、電容器的串并聯(lián): （了解）1.兩個主要指標:(1) 電容量 (2) 耐壓能力 2.并聯(lián):3.串聯(lián):結(jié)論:總電容增加,耐壓能力不變.結(jié)論:總電容減少,耐壓能力提高.+ + + + + + + + +- - - - - - - - -六、 電容器的電能電容器貯存的電能+七、 靜電場的能量 能量密度物理意義電場是一種物質(zhì)，它具有能量.電場空間所存儲的能量 電場能量密度1、導體靜電平衡的條件 2、導體上電荷的分布(1)導體是等勢體,表面是等勢面. (2) 3、無極分子電介質(zhì)進行電子位移極化,有極分子電 介質(zhì)進行取向極化.小 結(jié)4、電容器電容的計算：掌握5、電容器貯存的電能：理解6、電場空間所存儲的能量 ：理解1909年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻： 物 理 學 史 介 紹： 意大利物理學家。發(fā)明無線電極及其對無線電通訊發(fā)展作出的貢獻。Guglielmo MarconiG.馬可尼(1874-1937)1909年榮獲諾貝爾物理學獎。主要貢獻： 物 理 學