物理讲座4静电场

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物理讲座,扬州职大电子工程系 贾湛,2013.8,静电场,电荷守恒定律,1,、电荷：物质的一种属性。单位：库仑,自然界中有两种电荷,（,富兰克林命名）,（,1,）正电荷：,丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷,（,2,）负电荷：,毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷,3,、元电荷,2,、,电荷守恒定律,电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。,4,、,静电屏蔽,真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。,1773-1777,年间，库仑发明可精确测定微小力的扭秤。,1785,年用经改进的电扭秤发现，两电荷间的电力与它们各自电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。,大小：,适用范围：,1.,真空中；,2.,点电荷,.,其中,K,叫静电力常量：,k=9.010,9,Nm,2,/C,2,由实验测定,库仑定律,同性相斥异性相吸,库伦做实验用的装置叫做库伦扭秤。如图，细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个带电的金属小球,A,，另一端有一个不带电的球与,A,球的重力平衡。当把另一个带电的小球,C,插入容器并使它靠近,A,时，,A,和,C,之间的作用力使悬丝扭转，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小。,1,、保持,A,、,C,两球的带电量不变，改变,A,、,C,之间的距离,r,，记录每次悬丝扭转的角度,便可以找到力,F,与距离,r,的关系。,2,、保持,A,、,C,两球之间的距离,r,不变，改变,A,、,C,的带电量,q,1,和,q,2,，记录每次悬丝扭转的角度,便可以找到力,F,与,q,1,和,q,2,的关系。,扭秤,电场强度,电场强度是矢量,方向：,是正电荷在电场中所受电场力的方向。,电场强度是反映电场的力的性质的物理量。它用检验电荷受到的电场力跟检验电荷电量,q,的比值来定义，,即,法拉第认为：力线是物质的，电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用，而是通过电力线和磁力线来传递的。,电场线,静电场的电场线从正电荷出发到负电荷终止。不是闭合的。,E,A,E,B,E,C,哪点电场强度大,?,电场线是为了形象描述电场中各点电场强度大小和方向而假想的线，电场线上每一点的电场强度方向沿该点的切线方向；电场线密处电场强度大，电场线疏处电场强度小。,匀强电场场强公式,场强大小,距离,电压,决定于具体电荷分布,点电荷场强公式,电场强度的叠加,空间某点的电场强度是空间所有的电荷在该处产生的电场强度的叠加，电场强度是矢量，所以叠加遵守平行四边形法则,如图，,A,、,B,两点分别放有,+2,10,-8,C,和,-210,-8,C,两个点电荷，相距,60cm,，试求：,（,1,）,AB,连线中点,O,的场强；,（,2,）,AB,延长线上离,B,点距离为,30cm,的,M,点的场强；,（,3,）,AB,连线的垂直平分线上离开,O,点距离为,30cm,处的,P,点的场强。,A,+Q,B,-Q,（,1,）,4,10,3,N/C,，方向沿,AB,连线向右；,（,2,）,1.7810,3,N/C,，方向由,M,指向,B,点；,（,3,）,1.410,3,N/C,，方向平行于,AB,向右。,例,O,M,P,根据,1,、关于电场线的说法，正确的是,A,、电场是客观存在的物质，但电场线是人为引入的,B,、电场线越密的地方，同一电荷所受电场力越大,C,、静电场的电场线不可能是闭合的,D,、电场中的任意两条电场线绝不相交,2,、下列说法错误的是,A,、电场线就是初速度为,0,的带电粒子在电场中运动的,轨迹,B,、电场线的方向，就是电荷受力的方向,C,、沿电场线方向，电场强度越来越小,D,、正电荷只在电场力作用下一定沿电场线运动,ABCD,ABCD,例,M,E,W=F,|AB|,cos,=,q E,|AM|,1.,将电荷,q,从,A,沿直线移至,B:,A,B,+,q,+,q,F,静电力做功,讨论电荷在匀强电场中做功,电荷在匀强电场中做功容易计算，其结论对非匀场电场一样,静电力做功,M,E,A,B,2.,将电荷,q,从,A,沿折线移至,B:,对,AM:,W,1,=q E,|AM|,对,MB:,W,2,=0,对全程,:,W=W,1,+W,2,=q E,|AM|,+,q,F,+,q,F,静电力做功,3.,将电荷,q,从,A,沿曲线移至,B:,M,E,A,B,+,q,F,E,A,B,+,q,F,+,q,F,+,q,F,+,q,F,W=W,1,+W,2,+W,3,+,=q E,|AM|,W,1,=q E,x,1,W,2,=q E,x,2,W,3,=q E,x,3,M,x,1,+,x,2,+,x,3,+=|AM|,X,1,x,2,结论：,静电力做功与路径无关，只与始末位置有关。,因为在电场中移动电荷时静电力做功与移动路径无关，所以电荷在电场中有电势能,(,Ep,),。静电力为保守力，在力学中学过，保守力做功可以写成势能的减少量。于是静电力做功可以写成电势能减少量：,电势能,定义：电荷在电场中某点的电势能在数值上等于把电荷从该点移到电势能为零处，电场力所做的功。,电荷在电场中某一点的电势能与,它的电荷量的比值,1 V=1 J/C,1.,定义,:,2.,公式,:,3.,单位,:,伏特,(V),(,计算时要代入正负号,),电势,电势能是电荷与电场之间的能量，要仅描写场的性质，下面给出电势的概念。,电势具有相对性,确定电势,应先规定电场中某处的电势为零,.(,通常规定离场源电荷无限远处或大地的电势为零,.),电势是,标量,有正负,取决于零电势的选取。,电势是描述场的量，而电势能是电荷与电场之间的量。,电场中两点之间的电势差称电压（,U,）：,电势、电势能和电功,5.,已知电势求电势能：,6.,已知电势或电势差求电功：,力的性质：,由电场强度描述,，,可用电场线形象表示,。,能的性质：由电势、电势差描述可用等势面形象表示,。,电场的两大性质：,电场强度,电势差,物理意义,描述电场力的特征,描述电场能的特征,矢（标）量,物理公式,单位,E=F/q,U=W/q,矢量,标量,V/m,V,讨论：在匀强电场中，电场力做功。,其中,d,是沿场强方向的两点间的距离。实为两点所,在等势面间的距离。,场强,E,的方向是电势降落最快的方向。,电势相等的面称等势面。等势面与电力线垂直。,电场强度与电势,d,A,B,E,从力的角度：,从能的角度：,由上两式得,:,=,Fd,=,qU,U=Ed,=,qEd,等势面,点电荷电场的等势面是以点电荷为球心的一族球面；,匀强电场的等势面是与电场线垂直的一族平行平面。,等势面是电场中电势相等的点构成的面。,电荷沿等势面移动，电势能不变化，电场力不做功。,等势面一定和电场线垂直，,电场线的方向是电势降低的方向。,电场线本身不能相交，等势面本身也不能相交。,1,、如图，,a,、,b,、,c,是一条电场线上的三个点，电场线的方向由,a,到,c,a,、,b,间的距离等于,b,、,c,间的距离。用,a,、,b,、,c,和,Ea,、,Eb,、,Ec,分别表示,a,、,b,、,c,三点的电势和场强。下列哪个正确？,A.,a,b,c,B.,Ea,Eb,Ec,C.,a,b,=,b,c,D.,Ea,=,E,b,=,E,c,a b c E,2,、在电场强度为,600 N/C,的匀强电场中，,A,、,B,两点相距,5 cm,，若,A,、,B,两点连线是沿着电场方向时，则,A,、,B,两点的电势差是,_ V,。若,A,、,B,两点连线与电场方向成,60,角时，则,A,、,B,两点的电势差是,_V,；若,A,、,B,两点连线与电场方向垂直时，则,A,、,B,两点的电势差是,_V,。,30,15,0,例,图,中,A,、,B,、,C,三点都在匀强电场中，已知,AC,BC,，,ABC,60,，,BC,20cm,把一个电量,q,10,-5,C,的正电荷从,A,移到,B,，电场力做功为零；从,B,移到,C,，电场力做功为,-1.73,10,-3,J,，则该匀强电场的场强大小和方向是,A,865V,m,，垂直,AC,向左,B,865V,m,，垂直,AC,向右,C,1000V,m,，垂直,AB,斜向上,D,1000V,m,，垂直,AB,斜向下,D,60,0,C,B,A,分析：由题意得,A,、,B,应在同一等势面上,U,BC,=W/,q=-1.73,10,-3,/10,-5,V=-1.73,10,2,V0,d=BC,.,sin60,0,=0.173m,则,E=U/d=1000V/m,例,电容器,-,电容器是储存电荷的装置,.,两个彼此绝缘（电介质）又相隔很近的导体（两极板）。,平行板电容器,最简单的电容器,+,-,极板,电介质,电容器,A,1,2,+,-,充电：使电容器带电的过程,放电：使充电后的电容器失去电荷的过程。,1,、定义：电容器所带电荷量,Q,与电容器两极板间的电势差,U,的比值，叫做电容器的电容。,4,、,平行板电容器电容大小：,3,、单位：法拉（,F,）、,微法（,F,）、,皮法（,pF,）,2,、定义式：,电容,与面积成正比,与两板间距离成反比,注：若两板始终与电源连接,U,保持不变,若充电后与电源断开,Q,保持不变,如图所示，将平行板电容器两极板分别接在电压是,6V,的电池组正负极，跟电池组负极相连的极板带电量为,-9.0,10,-8,C,，则电容器的带电量为,C,，电容器的电容为,p,F,。若将此电容器两极接电压,12V,的电池组正负极，电容器的电容为,p,F,。,Q,Q,9.0,10,-8,1.5,10,4,1.5,10,4,电容与,电压,U,无关,例,A,B,U,d,E,+,F,v,由牛顿第二定律：,由运动学公式：,带电粒子在电场中的加速,带电粒子在电场中的运动,下列粒子由静止经加速电压为,U,的电场加速后，哪种粒子动能最大（）,哪种粒子速度最大（）,A,、质子,B,、电子,C,、氘核,D,、氦核,与,电量,成正比,与,比荷平方根,成正比,例,D,B,l,d,+,-,+,U,v,0,q,、,m,F,+,v,v,0,v,y,y,偏转角,侧移,带电粒子在匀强电场中的偏转,与粒子比荷,q/m,成正比,与粒子初速度,v,0,平方成反比,与电场的属性,U,、,l,、,d,有关,偏转量计算,示波器的基本组成,尽管示波器的型号和规格很多，但都由四个基本组成部分:,电源,AC,DC,GND,Y轴系统,Y轴放大器,电子枪,Z轴电路,Y轴偏转,X轴偏转,荧,光,加速聚焦,示波管,X-Y,X轴放大器,锯齿波发生器,同步触发电路,EXT,source,INT,MODE,扫描,X轴系统,AC,DC,GND,Y轴系统,Y轴放大器,X-Y,X轴放大器,锯齿波发生器,同步触发电路,EXT,source,INT,MODE,扫描,X轴系统,电子枪,Z轴电路,Y轴偏转,X轴偏转,荧,光,加速聚焦,示波管,电源,示波器的基本组成,示波管（,CRT,）、电子放大系统、扫描触发系统、电源,A,1,：第一阳极,G,：控制栅极,K,：阴极,F,：灯丝,G,：对应亮度旋钮,A,2,：第二阳极,K,G A,1,A,2,共同完成聚焦,X,：水平偏转板,Y,：竖直偏转板,荧光屏,电子枪、偏转系统、荧光屏,示波管（,CRT,）结构简介,正弦波合成,扫描时由于锯齿波周期性复原，要求光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，再由视觉残留，观察到一个稳定的波形,。,T,x,=,nT,y,f,y,=,nf,x,由于完全重合困难，所以常看到不稳定波形，此时可以用“电平”（,LEVEL,）旋钮调节实现“内同步”,亮度：轨迹亮度调节,电源开关,电源指示灯,聚焦：轨迹清晰度调节,荧光屏,校准信号,示波器面板控制件的作用简介,CH1,或,CH2,：被测信号输入端口,注意双通道,被测信号耦合方式,AC,：交流输入,DC,：,直流输入,GND,：,输入零信号,垂直