11-库仑定律课件

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,*,*,第一章 静电场,静电场,相对,观测者,静止的电荷产生的电场,11/30/2024,1,主要内容：,1,静电,的基本现象 库仑定律,2,电场 电场强度,3,电场的高斯定理,4,电势及其梯度,5,静电场中的导体,6,静电能,7,电容及电容器,8,静电场边值问题的唯一性定理,9,恒定电流场,11/30/2024,2,教学要求：,1.,掌握场强和电位概念及叠加原理，掌握场强和电位的积分关系，了解其微分关系，能计算简单问题的场强和电位；,2.,理解静电场高斯定理和环路定理，掌握用高斯定理计算场强的条件和方法。,3.,理解电流密度矢量的概念，电流的连续性方程，电流的稳恒条件，稳恒电流场的基本性质，非静电力、电动势的基本概念。,11/30/2024,3,1,静电的基本现象 库仑定律,两种电荷：,实验,1-,用毛皮或丝绸摩擦过的橡胶棒或玻璃棒可吸引轻小物体（羽毛，头发）。物体的这种性质就说它带了电，或有了,电荷；,带电的物体称为,带电体,实验,2-,两根毛皮擦过的橡胶棒或丝绸摩擦过的玻璃棒相互排斥，而橡胶棒与玻璃棒之间相互吸引。众多实验证明，自然界中只存在两种电荷。,同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。,1747,年，美国科学家富兰克林将在室温下丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为,正电荷,；毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷称为,负电荷,。,11/30/2024,4,电量,定义：物体所带电的量的多少,单位：库仑（,C,）,(,此单位到底有多大后面的例题会展示）,测量：,定性半定量的测量：验电器,定量测量：静电计,+,法拉第筒,验电器,静电计,11/30/2024,5,电荷的量子性,1834,年法拉第由实验得出电解定律，表明：,为了析出,1,mol,单价,元素需要相等的电量,F,（法拉第常数）,1,mol,单价离子的电量,看出,e=F/N,A,基本电荷,1891,年英国斯通尼把基本电荷取名为“电子（,electron,）”,并根据上式估算出,e,的大小,1897,年,J.J.,汤姆孙的阴极射线实验确定射线是负电粒子流，并测出其荷质比为氢离子的千余倍，从而发现比氢原子更小的基本粒子,电子；并荣获,1906,年诺贝尔物理学奖。,11/30/2024,6,1898,年，斯托克斯测量电荷的最小单位是,1906-1908,年美国密立根用油滴实验测量电荷的最小单位是 。,密立根,(,R.A.Milliken,),由此荣获,1923,年诺贝尔奖,图、电子的发现者,-,汤姆逊,(J.J.Thomson),11/30/2024,7,11/30/2024,8,1909,年密立根通过直接测量油滴的电荷，直接证实了电荷的量子性。,带电油滴滴入匀强电场,使油滴带不同电量，重复测量得油滴所带电量总是一个最小电量,e,的整数倍,直接证实了电荷的量子性,1986,年,e,的推荐值为,11/30/2024,9,静电感应现象,11/30/2024,10,起电方式：,摩擦起电,和,静电感应,电荷守恒定律,物理学中普遍的基本定律,电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体传到另一个物体，或者从物体的一部分传到另一部分，也就是说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。,11/30/2024,11,摩擦起电,摩擦过程中物体中的部分电子脱离原子的束缚并跑到另一物体上去。,不同物体彼此向对方转移的电子数目不相等,总体一方得到电子，一方失去电子。,得到电子显负电，失去电子显正电。,静电感应现象,金属（导体，晶体）中的价电子是自由电子，受到其它电荷的静电左右后由金属的一部分移向另一部分。,11/30/2024,12,导体，绝缘体，半导体,按照电荷在其中是否容易转移或传导，习惯上把物体大致分为两类,导体,导电性能很好的材料。电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的物体，,电阻率,10,9,cm,半导体,导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。对温度、光照、压力、电磁场等外界条件极为敏感。,电阻率介于导体和绝缘体之间,11/30/2024,13,物质的电结构,物质,分子或原子的堆砌,原子核,质子,中子,上,夸克（两个）,下,夸克（一个）,上夸克（一个）,下夸克（两个）,电子,原子,11/30/2024,14,夸克带分数电荷，,夸克模型，理论成立，但至今在实验中未找到自由的夸克。,11/30/2024,15,二、,库仑定律,（,Coulomb,s law,）,生平：,1736,年,6,月库仑生于法国的安古莱姆，先后就读马扎兰学院和法兰西学院。,1760,年（,24,岁,）又考入梅齐埃尔工兵学校，在此认识了地磁学家波尔达,(,j.c.borda,),在,1764,年,1781,年（,2845,岁,）他一直以工程师的身份在军队服役。,1781,年才在巴黎定居组织了家庭。在,1781,年,1801,年（,4565,岁,）共宣读了二十五篇论文，其中,1785,年发表的第一篇“论电和磁”是关于扭力秤的论文，给出了测量静电力的扭力秤的结构。另外还有七篇电学和磁学的论文，其余是关于土木工程、机械力学和 摩擦研究的论文，这些论文均被法兰西物理学会收集在,物理学论文集,中。,1801,年（,65,岁,）他被当选为法兰西研究院名誉主席。,11/30/2024,16,2.,点电荷模型：可抽象为一个几何点的带电体，它本身的几何线度与它到其它带电体的距离相比小得多。,11/30/2024,17,以库仑定律为例说明：,一个物理定律建立本身就是物理学取得很大进展的标志,物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延,对于基本定律，我们究竟从那些方面考察？,11/30/2024,18,物理定律建立的一般过程,观察现象；,提出问题；,猜测答案；,设计实验测量；,归纳寻找关系、发现规律；,形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模型，找出新的内容，正确表述）；,考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义等。,11/30/2024,19,一,.,库仑定律的建立,Franklin,首先发现金属小杯内的软木小球完全不受杯上电荷的影响,;,在,Franklin,的建议下，,Priestel,做了实验,提出问题,11/30/2024,20,猜测答案,现象与万有引力有相同规律,由牛顿力学可知：球壳对放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何位置的物体受力为零。,类比：电力与距离平方成反比（,1766,年做的实验，未被重视）,11/30/2024,21,设计实验,1769,年,Robison,首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力,两个异号电荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究结果直到,1801,年发表才为世人所知）,11/30/2024,22,Cavendish,实验,1772,年,Cavendish,遵循,Priestel,的思想设计了实验,验证电力平方反比律,，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即,他测出不大于,0.02,（未发表，,100,年以 后,Maxwell,整理他的大量手稿，才将此结果公诸于世）。,11/30/2024,23,1785,年,Coulomb,测出结果,精度与十三年前,Cavendish,的实验精度相当,库仑是扭称专家,;,电斥力,扭称实验，数据只有几个，且不准确（由于漏电）,不是大量精确的实验；,电引力,单摆实验得,电引力单摆周期正比于距离,与万有引力单摆周期类比，得,11/30/2024,24,4.,真空中，两个静止的点电荷之间相互作用力的大小，与它们的电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。静电作用力大小相等而方向相反，并且沿着它们的联线；同号电荷相斥，异号电荷相吸。,（,1,）结构；,（,2,）测量方法（同性电荷，异性电荷，类比法）,3.,扭力秤的设计思想：,11/30/2024,25,q,2,q,1,r,q,2,q,1,r,其中 ，表示点电荷,q,1,对点电荷,q,2,的作用力，表示点电荷,q,2,对点电荷,q,1,的作用力。,5.,数学表述：,11/30/2024,26,实验定出：,k,=8.9880,10,9,N,m,2,/C,2,国际单位制（,SI,）,中：,q,库仑（,C,），,F,牛顿（,N,），,r,米（,m,）,F,12,F,21,r,q,2,q,1,11/30/2024,27,6.,库仑定律和万有引力定律的比较,相似性：形式相同,不同,：,(1),万有引力,库仑吸引力和排斥力,（,2,）,在大质量物体之间 在很小的带电体之间,11/30/2024,28,适用范围和精度,原子核尺度,地球物理尺度,天体物理、空间物理 大概无问题,基本实验规律。宏观、微观均适用；,精度：,Coulomb,时代,1971,年,11/30/2024,29,理论地位和现代含义,库仑定律是静电学的基础，说明了,带电体的相互作用问题,原子结构，分子结构，固体、液体的结构,化学作用的微观本质,都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力,静电场的性质,-,保守场,11/30/2024,30,库仑定律,适用的条件：,真空中点电荷间的相互作用,施力电荷对观测者静止（受力电荷可运动）,0,真空介电常量,引入常量,0,，,有：,令,11/30/2024,31,电量单位,MKSA,制,1,库仑：当导线中通过,1,安培稳恒电流时，一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为,1C=1As,若,F=1N,q,1,=q,2,=1C,r=1m,则,k,=8.988010,9,Nm,2,/C,2,9.0010,9,Nm,2,/C,2,11/30/2024,32,CGSE,制单位制,电量作为基本单位由,C-,定律定义,令：,k,=1,q,1,=q,2,r=1cm,F=1dyn,则电量,q,的单位为,1CGSE,电量，,1C=310,9,CGSE,电量,11/30/2024,33,迭加原理,作用在每一个点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时作用于该点电荷静电力的矢量和，这就是静电力的叠加原理，也叫独立作用原理。,库仑定律与叠加原理相配合，原则上可以解决静电力中的全部问题。,矢量叠加,11/30/2024,34,例题,1-1,按量子理论，在氢原子中，核外电子快速地运动着，并以一定的概率出现在原子核（质子,的周围各处，在基态下，电子在以质子为中心，半径,0.52910,-10,的球面附近出现的概率最大,.,试计算在基态下,氢原子内电子和质子之间的,静电力,和,万有引力,并比较两者的大小,.,引力常数为,G=6.6710,-11,Nm,2,/kg,2,解 按库仑定律计算,电子和质子之间的静电力为,11/30/2024,35,应用万有引力定律计算,电子和质子之间的万有引力为,由此得静电力与万有引力的比值为,11/30/2024,36,可见在原子中，电子和质子之间的静电力远比万有引力大，由此，在处理电子和质子之间的相互作用时，只需考虑静电力，万有引力可以略去不计。而在原子结合成分子，原子或分子组成液体或固体时，它们的结合力在本质上也都属于电性力。,11/30/2024,37,例,1-2,设原子核中的两个,质子,相距,4.010,-15,m,求此两个,质子,之间的静电力,.,可见,在原子核内质子间的斥力是很大的,.,质子之所以能结合在一起组成原子核,是由于核内除了有这种斥力外还存在着远比斥力为强的引力,核力的缘故,.,上述两个例题,说明了原子核的结合力远大于原子的结合力,原子的结合力又远大于相同粒子相隔同样距离的万有引力,.,解 两个质子之间的静电力是斥力,它的大小按库仑定律计算为,11/30/2024,38,例,1,-,3,在图中,三个点电荷所带的电荷量分别为,q,1,=-86,C,q,2,=50,C,q,3,=65,C.,各电荷间的距离如图所示,.,求作用在,q,3,上合力的大小和方向,.,解 选用如图所示的直角坐标系,并,i,和,j,分别为沿,x,y,轴方向的单位矢量,.,q,2,q,1,q