靜 電 場(chǎng)教學(xué)課件

靜電場(chǎng)本章將討論靜止電荷間的相互作用和靜電場(chǎng).靜電場(chǎng)是在相對(duì)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(chǎng)的基本性質(zhì)和規(guī)律，以及與導(dǎo)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(duì)電現(xiàn)象的研究始于摩擦起電.實(shí)驗(yàn)證明，自然界中只有兩種不同的電荷——正電荷和負(fù)電荷.美國(guó)物理學(xué)家富蘭克林將其中的一種命名為正電荷，另一種命名為負(fù)電荷.同號(hào)電荷互相排斥，異號(hào)電荷互相吸引.電量是定量描述電荷多少的物理量.在國(guó)際單位制中，電量的單位為庫侖（C），簡(jiǎn)稱庫.電荷的量子化2.實(shí)驗(yàn)證明，自然界中帶電體所帶的電量總是一個(gè)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(gè)個(gè)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(gè)電子所帶電量的絕對(duì)值，即e=1.602×10－19C在研究實(shí)際帶電體時(shí)，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)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(rèn)為電量是可以連續(xù)變化的.電荷守恒定律3.大量實(shí)驗(yàn)表明，一切由摩擦起電的過程其實(shí)都是使物體上的正、負(fù)電荷分離或轉(zhuǎn)移的過程，在這個(gè)過程中，電荷既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，即在一個(gè)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(fù)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(duì)論不變性4.實(shí)驗(yàn)還證明，一個(gè)電荷的電量與它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，即在不同的參考系中測(cè)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(duì)論不變性.庫侖定律二、帶電體之間的相互作用十分復(fù)雜.它與帶電體的電量、體積、形狀及帶電體間的相對(duì)位置等因素有關(guān).當(dāng)帶電體本身的幾何限度遠(yuǎn)小于它到其他帶電體的距離時(shí)，帶電體的形狀、大小及電荷的分布對(duì)相互作用力的影響可忽略，可以把帶電體看作點(diǎn)電荷.點(diǎn)電荷是一個(gè)理想模型.1785年，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)兩個(gè)靜止點(diǎn)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(gè)點(diǎn)電荷的電量之積成正比，與兩個(gè)點(diǎn)電荷之間距離的平方成反比，作用力的方向沿著兩點(diǎn)電荷的連線，同號(hào)電荷互相排斥，異號(hào)電荷互相吸引.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中，比例系數(shù)k由實(shí)驗(yàn)測(cè)定.f表示q1對(duì)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(diǎn)電荷的相互作用力如圖8-1所示.當(dāng)q1、q2為同號(hào)時(shí)，f的方向與er的方向一致；當(dāng)q1、q2為異號(hào)時(shí)，f的方向與er的方向相反.在國(guó)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(shí)驗(yàn)測(cè)得比例系數(shù)為

k=8.99×109N·m2/C2

為了使庫侖定律推導(dǎo)出的一些常用公式簡(jiǎn)化，比例系數(shù)k通常寫成圖8-1兩靜止點(diǎn)電荷的相互作用力我們稱靜止點(diǎn)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(shí)驗(yàn)事實(shí)指出，兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力并不因?yàn)榈谌齻€(gè)點(diǎn)電荷的存在而有所改變.因此，兩個(gè)以上的點(diǎn)電荷對(duì)一個(gè)點(diǎn)電荷施加的作用力等于各個(gè)點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)對(duì)該點(diǎn)電荷的作用力的矢量和.這個(gè)結(jié)論稱為靜電力疊加原理.每個(gè)點(diǎn)電荷所受的總靜電力，等于其他點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)作用在該點(diǎn)電荷上的靜電力的矢量和.數(shù)學(xué)表達(dá)式為（8-2）電場(chǎng)一、關(guān)于兩個(gè)帶電物體之間的相互作用是怎樣進(jìn)行的呢？在物理學(xué)史上，曾經(jīng)有過不同的看法.在一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，人們認(rèn)為兩個(gè)電荷之間的相互作用和兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的引力作用一樣，都是超距作用，即一個(gè)電荷對(duì)另一個(gè)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