靜 電 場教學課件

靜電場本章將討論靜止電荷間的相互作用和靜電場.靜電場是在相對觀察者靜止的電荷周圍存在的物質(zhì)的特殊形態(tài)，本章將介紹靜電場的基本性質(zhì)和規(guī)律，以及與導體和電介質(zhì)相互作用的規(guī)律.電荷及其性質(zhì)一、電荷1.電是物質(zhì)的一種基本特性.物質(zhì)的電性質(zhì)來自物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu).雷電是人類最早觀察到的電現(xiàn)象,人們對電現(xiàn)象的研究始于摩擦起電.實驗證明，自然界中只有兩種不同的電荷——正電荷和負電荷.美國物理學家富蘭克林將其中的一種命名為正電荷，另一種命名為負電荷.同號電荷互相排斥，異號電荷互相吸引.電量是定量描述電荷多少的物理量.在國際單位制中，電量的單位為庫侖（C），簡稱庫.電荷的量子化2.實驗證明，自然界中帶電體所帶的電量總是一個基本單元的整數(shù)倍.物體所帶的電荷不是以連續(xù)的方式出現(xiàn)，而是以一個個不連續(xù)的量值出現(xiàn)的，電荷的這種特性稱為電荷的量子化.電荷的基本單元就是一個電子所帶電量的絕對值，即e=1.602×10－19C在研究實際帶電體時，絕大多數(shù)實驗都涉及大量電量的變化，由于電荷的最小單元很小，在宏觀上，通常認為電量是可以連續(xù)變化的.電荷守恒定律3.大量實驗表明，一切由摩擦起電的過程其實都是使物體上的正、負電荷分離或轉(zhuǎn)移的過程，在這個過程中，電荷既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，即在一個孤立的系統(tǒng)中，無論發(fā)生怎樣的物理過程，系統(tǒng)中所有正、負電荷的代數(shù)和始終保持不變，這就是電荷守恒定律.電荷守恒定律不僅適用于宏觀領(lǐng)域，在微觀領(lǐng)域也是成立的.電荷的相對論不變性4.實驗還證明，一個電荷的電量與它的運動狀態(tài)無關(guān)，即在不同的參考系中測量的同一帶電粒子的電量相同，電荷的這一特性稱為電荷的相對論不變性.庫侖定律二、帶電體之間的相互作用十分復雜.它與帶電體的電量、體積、形狀及帶電體間的相對位置等因素有關(guān).當帶電體本身的幾何限度遠小于它到其他帶電體的距離時，帶電體的形狀、大小及電荷的分布對相互作用力的影響可忽略，可以把帶電體看作點電荷.點電荷是一個理想模型.1785年，法國物理學家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤實驗，首先對兩個靜止點電荷之間的相互作用做了定量研究，作用力的大小與這兩個點電荷的電量之積成正比，與兩個點電荷之間距離的平方成反比，作用力的方向沿著兩點電荷的連線，同號電荷互相排斥，異號電荷互相吸引.其數(shù)學表達式為式中，比例系數(shù)k由實驗測定.f表示q1對q2的作用力，r為q1、q2之間的距離，r為由q1指向q2的單位向量，圖8-1兩靜止點電荷的相互作用力如圖8-1所示.當q1、q2為同號時，f的方向與er的方向一致；當q1、q2為異號時，f的方向與er的方向相反.在國際單位制中，力的單位為牛（N），電量的單位為庫（C），距離的單位為米（m）.用實驗測得比例系數(shù)為

k=8.99×109N·m2/C2

為了使庫侖定律推導出的一些常用公式簡化，比例系數(shù)k通常寫成圖8-1兩靜止點電荷的相互作用力我們稱靜止點電荷之間的相互作用力f為庫侖力或靜電力.試比較氫原子中電子與原子核之間的庫侖力與萬有引力.電子的質(zhì)量為9.1×10-31kg，氫原子核的質(zhì)量為1.67×10-27kg.解：氫原子的原子核是質(zhì)子，它的電荷為e,電子的電荷為-e，設(shè)電子與氫原子核的距離r，根據(jù)庫侖定律得【例8-1】靜電力疊加原理三、實驗事實指出，兩個點電荷之間的相互作用力并不因為第三個點電荷的存在而有所改變.因此，兩個以上的點電荷對一個點電荷施加的作用力等于各個點電荷單獨存在時對該點電荷的作用力的矢量和.這個結(jié)論稱為靜電力疊加原理.每個點電荷所受的總靜電力，等于其他點電荷單獨存在時作用在該點電荷上的靜電力的矢量和.數(shù)學表達式為（8-2）電場一、關(guān)于兩個帶電物體之間的相互作用是怎樣進行的呢？在物理學史上，曾經(jīng)有過不同的看法.在一個很長的時期內(nèi)，人們認為兩個電荷之間的相互作用和兩個質(zhì)點之間的引力作用一樣，都是超距作用，即一個電荷對另一個電荷的作用力是隔著一定的空間距離直接給予的，不需要中間物體的傳遞，也不需要