《電動(dòng)力學(xué)緒論》課件

電動(dòng)力學(xué)緒論電動(dòng)力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，研究電磁現(xiàn)象和電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。本課程將從靜電學(xué)和磁學(xué)的基本概念出發(fā)，逐步深入到電磁波、電磁輻射和物質(zhì)的電磁性質(zhì)等。課程概況課程內(nèi)容本課程涵蓋電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論，包括靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、電磁波等內(nèi)容。課程安排共計(jì)36課時(shí)，每周兩節(jié)課，理論講解與習(xí)題練習(xí)相結(jié)合。考核方式平時(shí)作業(yè)占20%，期末考試占80%。電磁場(chǎng)概念電磁場(chǎng)的定義電磁場(chǎng)是由電荷和電流產(chǎn)生的場(chǎng)。它包含了電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分相互影響，共同形成一個(gè)整體。電場(chǎng)的產(chǎn)生靜止的電荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)作用于其他電荷，產(chǎn)生電場(chǎng)力。磁場(chǎng)的產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的電荷（電流）會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于其他運(yùn)動(dòng)電荷，產(chǎn)生磁場(chǎng)力。靜電場(chǎng)1靜電場(chǎng)由靜止電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)2庫(kù)侖定律描述點(diǎn)電荷之間相互作用力的定律3電場(chǎng)強(qiáng)度表征電場(chǎng)力大小和方向的物理量4電勢(shì)表征電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)能大小的物理量靜電場(chǎng)是電磁學(xué)中最基本的概念之一，它廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。靜電場(chǎng)的特點(diǎn)無(wú)旋性靜電場(chǎng)為保守場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)沿閉合回路的積分值為零，體現(xiàn)了靜電場(chǎng)的無(wú)旋性。無(wú)散性靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)線不閉合，體現(xiàn)了靜電場(chǎng)的無(wú)散性。靜電場(chǎng)是由電荷產(chǎn)生的，電場(chǎng)線從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷，遵循電荷守恒定律。疊加性多個(gè)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)可以疊加，最終的靜電場(chǎng)是各個(gè)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的矢量和，體現(xiàn)了靜電場(chǎng)的疊加性。靜電場(chǎng)的作用力靜電場(chǎng)對(duì)電荷有作用力，這被稱為庫(kù)侖力，它與電荷的大小和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。1庫(kù)侖定律計(jì)算靜電場(chǎng)中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力2電場(chǎng)強(qiáng)度描述靜電場(chǎng)在空間某點(diǎn)的強(qiáng)弱和方向3電勢(shì)描述靜電場(chǎng)中某點(diǎn)具有的能量大小電勢(shì)能和電勢(shì)1電勢(shì)能電荷在電場(chǎng)中具有的能量，與電荷的電量和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。2電勢(shì)單位電荷在電場(chǎng)中具有的電勢(shì)能，它是一個(gè)標(biāo)量，反映了電場(chǎng)力做功的大小。3電勢(shì)差兩點(diǎn)間電勢(shì)的差值，反映了電場(chǎng)力在兩點(diǎn)間做功的大小。4電勢(shì)能和電勢(shì)的關(guān)系電勢(shì)能等于電勢(shì)乘以電荷量。電荷的運(yùn)動(dòng)1電場(chǎng)力作用電荷在電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，力的方向與電場(chǎng)方向相同或相反，取決于電荷的正負(fù)。2磁場(chǎng)力作用當(dāng)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，力的方向與電荷速度和磁場(chǎng)方向垂直，可以用左手定則來(lái)判斷。3洛倫茲力電荷在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的合力稱為洛倫茲力，它是電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的矢量和。電流和電阻電流電流是電荷的定向移動(dòng)，反映了單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷量。電流的大小由電流強(qiáng)度表示，單位為安培(A)。電阻電阻是導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的量度，反映了導(dǎo)體阻礙電流流動(dòng)的能力。電阻的大小由電阻值表示，單位為歐姆(Ω)。歐姆定律歐姆定律是電路的基本定律之一，它描述了電流、電壓和電阻之間的關(guān)系。電壓等于電流乘以電阻，可以用公式V=IR表示。在一個(gè)電路中，如果電壓增加，電流也會(huì)增加，如果電阻增加，電流就會(huì)減少。電路規(guī)律并聯(lián)電路所有元件兩端電壓相等，電流按支路分配。串聯(lián)電路所有元件電流相同，電壓按比例分配?；鶢柣舴蚨呻娏鞫桑喝我稽c(diǎn)電流的代數(shù)和為零。基爾霍夫定律電壓定律：閉合回路中，各段電壓的代數(shù)和為零。電路分析等效電路復(fù)雜電路可簡(jiǎn)化為等效電路，方便分析?；鶢柣舴蚨呻娏鞫珊碗妷憾?，用于分析電路中的電流和電壓。疊加定理將多個(gè)電源分開(kāi)考慮，分別求解，最后疊加得到總電流和電壓。戴維南定理將任意線性電路等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻。諾頓定理將任意線性電路等效為一個(gè)電流源和一個(gè)電阻。電容器電容器是儲(chǔ)能元件，由兩個(gè)互相靠近的導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)電容器兩端加上電壓時(shí)，電容器就會(huì)儲(chǔ)存電荷。電容器的電容是指它儲(chǔ)存電荷的能力，單位是法拉（F）。電容器廣泛應(yīng)用于電路中，例如：濾波電路、耦合電路、定時(shí)電路、能量?jī)?chǔ)存等。磁場(chǎng)磁場(chǎng)是磁體周圍存在的一種特殊物質(zhì)。磁場(chǎng)具有方向性，用磁力線來(lái)表示。磁力線是封閉的曲線，方向從磁體的N極指向S極。磁場(chǎng)對(duì)放入其中的磁體有力的作用，叫做磁力。磁力的方向與磁力線的方向一致。磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小可以用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)衡量，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T）。磁場(chǎng)的性質(zhì)磁力磁場(chǎng)對(duì)處于其中的磁性物質(zhì)或運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生力的作用，稱為磁力。磁力方向與磁場(chǎng)方向和電流方向有關(guān)。方向性磁場(chǎng)具有方向性，可以用磁力線來(lái)表示。磁力線是閉合曲線，從磁鐵的N極出發(fā)，指向S極。磁力的表達(dá)磁力表達(dá)式描述點(diǎn)電荷F=qvB點(diǎn)電荷在磁場(chǎng)中受到的力，與電荷的電量、速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比電流F=IlB電流在磁場(chǎng)中受到的力，與電流強(qiáng)度、電流長(zhǎng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比電磁感應(yīng)1磁通量變化穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化。2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3感應(yīng)電流電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)是指閉合電路中，當(dāng)穿過(guò)該電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象。法拉第電磁感應(yīng)定律揭示了電磁感應(yīng)的本質(zhì)，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小等于穿過(guò)閉合電路的磁通量變化率。法拉第電磁感應(yīng)定律變化磁場(chǎng)當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比，方向由楞次定律決定。應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中重要的基礎(chǔ)定律，在發(fā)電機(jī)、變壓器等裝置中得到廣泛應(yīng)用。自感和互感自感電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變化又會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為自感。互感兩個(gè)線圈相互靠近，一個(gè)線圈電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)，會(huì)在另一個(gè)線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為互感。交流電路1交流電的特點(diǎn)交流電的電流和電壓隨時(shí)間周期性變化，方向交替變化。2交流電的產(chǎn)生利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)線圈切割磁力線產(chǎn)生交流電。3交流電的應(yīng)用交流電廣泛應(yīng)用于電力傳輸、家用電器和工業(yè)生產(chǎn)，提供更穩(wěn)定的電力供應(yīng)。交流電壓和電流交流電壓交流電流隨時(shí)間周期性變化的電壓隨時(shí)間周期性變化的電流常用正弦波形式常用正弦波形式頻率和幅值描述頻率和幅值描述交流電壓和電流在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如家庭用電和工業(yè)生產(chǎn)。交流電的特點(diǎn)是方向和大小不斷變化，其周期性變化規(guī)律可以用正弦函數(shù)描述。交流電的頻率和幅值是其重要參數(shù)。電路中的功率11.功率定義電路中消耗的功率等于電壓乘以電流，單位為瓦特(W)。22.功率計(jì)算可以使用公式P=VI或P=I2R計(jì)算電路的功率，其中V為電壓，I為電流，R為電阻。33.功率類型電路中的功率可以是有效功率(實(shí)功率)或無(wú)功功率，有效功率表示實(shí)際消耗的功率，無(wú)功功率表示儲(chǔ)存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中的能量。44.功率應(yīng)用了解電路中的功率對(duì)于設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電路至關(guān)重要，例如，在選擇電器時(shí)，需要考慮其功率大小，以確保電器能正常工作。共振現(xiàn)象當(dāng)電路的頻率與電路固有頻率一致時(shí)，電路的阻抗最小，電流達(dá)到最大值，能量傳遞效率最高。這種現(xiàn)象被稱為共振。共振現(xiàn)象在電子電路、機(jī)械系統(tǒng)、聲學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，例如收音機(jī)、電視機(jī)、無(wú)線電發(fā)射器等。電磁波的產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)的電荷當(dāng)電荷加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這些變化的場(chǎng)相互耦合，形成電磁波。振蕩電路振蕩電路中，電荷在電容和電感之間振蕩，產(chǎn)生交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁波。天線輻射天線是專門設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)，用于將電磁波輻射到空間中，或者接收來(lái)自空間的電磁波。麥克斯韋方程組電場(chǎng)描述電場(chǎng)和電荷之間的關(guān)系，體現(xiàn)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)的規(guī)律。磁場(chǎng)描述磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系，體現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律。電磁感應(yīng)描述變化的磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)，揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。電磁場(chǎng)描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一性，體現(xiàn)了電磁場(chǎng)是一個(gè)相互聯(lián)系的整體。電磁波的性質(zhì)波長(zhǎng)和頻率電磁波包含各種波長(zhǎng)和頻率，從低頻的無(wú)線電波到高頻的伽馬射線。偏振電磁波是橫波，具有偏振性質(zhì)，這意味著它們的電場(chǎng)振動(dòng)方向是固定的。速度電磁波在真空中以光速傳播，約為每秒30萬(wàn)公里，不受介質(zhì)影響。干涉和衍射電磁波表現(xiàn)出干涉和衍射現(xiàn)象，這些現(xiàn)象證明了它們的波動(dòng)性。電磁波的應(yīng)用通信無(wú)線通信，例如手機(jī)、廣播、電視等，都是基于電磁波傳輸信息。微波爐微波爐利用高頻電磁波加熱食物，效率高且快速。醫(yī)療診斷X射線、CT掃描等利用電磁波對(duì)人體進(jìn)行診斷，幫助醫(yī)生了解病灶。光伏發(fā)電太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)光中的電磁波轉(zhuǎn)化為電能，為人類提供清潔能源。粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1洛倫茲力電磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用力2勻強(qiáng)磁場(chǎng)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)3非勻強(qiáng)磁場(chǎng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜4電場(chǎng)和磁場(chǎng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)受兩種力影響帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是電動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題。洛倫茲力是電磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用力，決定了帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)軌跡則更加復(fù)雜。電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到兩種力的影響，導(dǎo)致更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。電磁學(xué)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用通信技術(shù)移動(dòng)電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等應(yīng)用都需要電磁波進(jìn)行信息傳輸。醫(yī)療領(lǐng)域核磁共振成像、X射線成像等技術(shù)利用電磁波對(duì)人體進(jìn)行診斷和治療。能源應(yīng)用發(fā)電機(jī)、