大学物理-电磁学.pptx
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1、电磁学研究电磁场的规律及物质的电磁性质。电磁学研究电磁场的规律及物质的电磁性质。包括电学、磁学、电磁感应等内容。包括电学、磁学、电磁感应等内容。一一 掌握掌握描述静电场的两个物理量描述静电场的两个物理量电电场强度和电势的概念,理解电场强度场强度和电势的概念,理解电场强度 是矢量是矢量点函数,而电势点函数,而电势V 则是标量点函数则是标量点函数.二二 理解理解高斯定理及静电场的环路定理高斯定理及静电场的环路定理,这是静电场的两个重要定理,它们表明静电场这是静电场的两个重要定理,它们表明静电场是是有源有源场和场和保守保守场场.三三 掌握掌握用点电荷电场强度和叠加原理以用点电荷电场强度和叠加原理以及
2、高斯定理求解带电系统电场强度的方法;并及高斯定理求解带电系统电场强度的方法;并能用电场强度与电势梯度的关系求解较简单带能用电场强度与电势梯度的关系求解较简单带电系统的电场强度电系统的电场强度.教学基本要求教学基本要求 四四 掌握掌握用点电荷和叠加原理以及电势的用点电荷和叠加原理以及电势的定义式求解带电系统电势的方法定义式求解带电系统电势的方法.五五 了解了解电偶极子概念,能计算电偶极子电偶极子概念,能计算电偶极子在均匀电场中的受力和运动在均匀电场中的受力和运动.本章重点本章重点 高斯定理和场强的环路定理;高斯定理和场强的环路定理;电场强度和电势的概念及计算。电场强度和电势的概念及计算。本章难点
3、本章难点 电场的微积分计算电场的微积分计算 场强与电势的基本概念场强与电势的基本概念物理学的第二次大综合物理学的第二次大综合法拉第法拉第的电磁感应定律:的电磁感应定律:电磁一体电磁一体麦克斯韦麦克斯韦电磁场统一理论(电磁场统一理论(19世纪中叶)世纪中叶)赫兹赫兹在实验中证实电磁波的存在,光是电磁波在实验中证实电磁波的存在,光是电磁波.技术上的重要意义:发电机、电动机、无线电技术等技术上的重要意义:发电机、电动机、无线电技术等.库仑库仑定律:定律:电荷与电荷间的相互作用电荷与电荷间的相互作用 (磁极与磁极间的相互作用)(磁极与磁极间的相互作用)奥斯特奥斯特的发现:的发现:电流的磁效应,安培发现
4、电流与电流电流的磁效应,安培发现电流与电流 间的相互作用规律间的相互作用规律.8-1 电荷和电场电荷和电场一一 物质的电结构物质的电结构原子核原子核:质子质子(带正电带正电),),中子中子(不带电不带电)原子核的线度原子核的线度:电子电子:带负电带负电电子云电子云:线度线度电中性电中性:原子中的电子数与质子数相等原子中的电子数与质子数相等基元电荷基元电荷:二二 电荷电荷:实物粒子的一种性质实物粒子的一种性质,用以量度物体带电程用以量度物体带电程度的量度的量基本性质基本性质1 电荷有正负之分电荷有正负之分:正电荷正电荷,负电荷负电荷2 同性相斥,异性相吸同性相斥,异性相吸.3 电荷量子化;电荷量
5、子化;电子电荷电子电荷 密立根油滴实验密立根油滴实验:1909年完成年完成,十大经典物理十大经典物理实验之一实验之一,排名第三排名第三4 电荷守恒定律电荷守恒定律:在在孤立孤立系统或任何物理过程中系统或任何物理过程中,电荷电荷的代数和保持不变的代数和保持不变.强子的强子的夸克模型夸克模型具有具有分数电荷分数电荷(或或 电子电荷)电子电荷)但实验上尚未直接证明但实验上尚未直接证明.(自然界的基本守恒定律之一(自然界的基本守恒定律之一,宏观微观均成立)宏观微观均成立)电荷既不能被创造电荷既不能被创造,也不能被消灭也不能被消灭,只能从一个物体只能从一个物体转移到另一个物体转移到另一个物体,或者从物体
6、的一个部分转移到或者从物体的一个部分转移到另一个部分另一个部分.SI制制 三三 点电荷模型点电荷模型四四 库仑定律库仑定律单位矢量,由施力电荷指向受力电荷。单位矢量,由施力电荷指向受力电荷。(为真空电容率为真空电容率,真空介电常数)真空介电常数)令令 库仑定律库仑定律 库仑力也适用于牛顿定律及其导出结论库仑力也适用于牛顿定律及其导出结论.几点说明几点说明:实验规律实验规律,仅适用于计算两静止的点电荷间相仅适用于计算两静止的点电荷间相互作用互作用.库仑定律库仑定律 精确性和适用范围精确性和适用范围:指数指数:适用范围适用范围:此外此外,未能否定未能否定*q1 和和q2 同性,则同性,则 q1 q
7、20,F 和和 r0 同向。同向。(:(:由施力电荷指向受力电荷。由施力电荷指向受力电荷。)斥力斥力或或,*q1 和和q2 异性,则异性,则 q1 q20,F 和和 r0反向。反向。引力引力或或,库仑定律包含同性相斥,异性相吸这一结果库仑定律包含同性相斥,异性相吸这一结果:库仑定律库仑定律作用于某点电荷上总库仑力等于作用于某点电荷上总库仑力等于其他点电荷单独存在时其他点电荷单独存在时作用于该点电荷库仑力的作用于该点电荷库仑力的矢量和矢量和。库仑力的叠加原理库仑力的叠加原理解解 例例8-1 在氢原子内在氢原子内,电子和质子的间距为电子和质子的间距为 .求它们之间电相互作用和万有引力求它们之间电相
8、互作用和万有引力,并比较它们的大小并比较它们的大小.(微观领域中(微观领域中,万有引力比库仑力小得多万有引力比库仑力小得多,可可忽略忽略不计不计.)五五 静电场静电场 实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力,实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力,但其相互作用是怎样实现的?但其相互作用是怎样实现的?电电 荷荷电电 场场电电 荷荷场是一种特殊形态的物质场是一种特殊形态的物质,具有能量、质量和动量具有能量、质量和动量,具具有自己的运动规律有自己的运动规律.实物实物物物 质质 场场六六 电场强度电场强度(简称场强简称场强)电场中某点处的电场中某点处的电场强度电场强度 等于位于该点处的等于位于
9、该点处的单位试验电荷单位试验电荷所受的力所受的力,其方向为,其方向为正正电荷受力电荷受力方向方向.(试验电荷为点电(试验电荷为点电荷荷、且足够小且足够小,故对故对原电场几乎无影响)原电场几乎无影响):场源电荷:场源电荷:试验电荷:试验电荷 对于空间中的某一点对于空间中的某一点,为不变的矢量为不变的矢量,与试验与试验电荷无关电荷无关,反映电场的本身属性反映电场的本身属性.空间坐标的空间坐标的矢量矢量点函数点函数 单位单位 电荷电荷 在电场中受力在电场中受力 均匀电场的含义均匀电场的含义:大小大小,方向方向.静电场对处于其中的任何带电体都有力的作用静电场对处于其中的任何带电体都有力的作用,当带电体
10、在电场中移动时电场力将对带电体作功。当带电体在电场中移动时电场力将对带电体作功。七七 点电荷的电场强度点电荷的电场强度思考:思考:解解 例例8-2 把一个点电荷(把一个点电荷()放在电)放在电场中某点处,该电荷受到的电场力为场中某点处,该电荷受到的电场力为,求该电荷所在处的电场强度,求该电荷所在处的电场强度.大小大小方向方向八八 电场强度的叠加原理电场强度的叠加原理由力的叠加原理得由力的叠加原理得 所受合力所受合力 点电荷点电荷 对对 的作用力的作用力 故故 处总电场强度处总电场强度 电场强度的叠加原理电场强度的叠加原理点电荷系点电荷系 电荷连续分布情况电荷连续分布情况电荷电荷体体密度密度点点
11、 处电场强度处电场强度电荷电荷面面密度密度电荷电荷线线密度密度体分布体分布面分布面分布线分布线分布计算方法计算方法:矢量积分化为各分量积分矢量积分化为各分量积分 电偶极矩(电矩)电偶极矩(电矩)九九 电偶极子的电场强度电偶极子的电场强度电偶极子的轴电偶极子的轴 讨讨 论论(1)电偶极子轴线延长线上一点的电场强度电偶极子轴线延长线上一点的电场强度(2)电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度+-电偶极矩在均匀电场中所受力矩。电偶极矩在均匀电场中所受力矩。力矩力矩M的作用总是使电偶极子转向电场的作用总是使电偶极子转向电场E的方向的方向例例8-3 均匀带电细杆(均匀带
12、电细杆(q,L),求求O 点的电场。点的电场。已知:已知:q、a、1、2、。oarlqdlyxdEydEdEx解:解:取电荷元取电荷元确定确定 的大小的大小确定确定 的方向的方向建立坐标,将建立坐标,将 投影到坐标轴上投影到坐标轴上选择积分变量选择积分变量讨论讨论:若若方向垂直于细杆指方向垂直于细杆指向向o o点。点。oarlqdlyxdEydEdEx则无限长均匀带电直线的场强为则无限长均匀带电直线的场强为:当当0,E 0,E 0,E 方向垂直带电导体向外方向垂直带电导体向外由对称性有由对称性有解解 例例8-4 正电荷正电荷 均匀分布在半径为均匀分布在半径为 的圆环上的圆环上.计计算在环的轴线
13、上任一点算在环的轴线上任一点 的电场强度的电场强度.讨讨 论论(1 1)(点电荷电场强度)(点电荷电场强度)(2 2)(3 3)例例8-5 均匀带电薄圆盘轴线上的电场强度均匀带电薄圆盘轴线上的电场强度.有一半径为有一半径为 ,电荷均匀分布的薄圆盘电荷均匀分布的薄圆盘,其电荷面其电荷面密度为密度为 .求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点处的电场强度处的电场强度.解解 由前例由前例(点电荷电场强度)(点电荷电场强度)讨讨 论论无限大均匀带电无限大均匀带电平面的电场强度平面的电场强度课后练习课后练习:利用无限长带电直导线的结果求解无限利用无限长带电直导线的结果求解
14、无限大带电平面的场强大带电平面的场强.可见可见:无限大均匀带电平板产生的电场是均匀电场。:无限大均匀带电平板产生的电场是均匀电场。+-+-+-注意注意:OxqL解解R例例8-6 已知圆环半径为已知圆环半径为R,带电量为带电量为q,杆的电荷线密度,杆的电荷线密度为为 ,长为,长为L,求杆对圆环的作用力求杆对圆环的作用力.圆环在圆环在 dq 处产生的电场处产生的电场O补充练习一补充练习一 电量电量Q均匀地分布在一个半径为均匀地分布在一个半径为R的金属的金属半圆环上,计算圆环中心半圆环上,计算圆环中心o处的电场强度。处的电场强度。补充练习二补充练习二 设真空中有一无限长均匀带电平板设真空中有一无限长
15、均匀带电平板,电荷面密度,电荷面密度(0),求求p点的场强。(点的场强。(p点到点到平板距离为平板距离为a)+将平面分解成许多平行于将平面分解成许多平行于z z轴的轴的无限长均匀带电窄条求解。无限长均匀带电窄条求解。一一 电场线电场线 (电力线)(电力线):电场的图示法电场的图示法 1 1)曲线上每一点曲线上每一点切线切线方向为该点电场方向方向为该点电场方向,2 2)通过垂直于电场方向单位面积电场线数为通过垂直于电场方向单位面积电场线数为该点电场强度的大小该点电场强度的大小.规规 定定8-2 静电场的高斯定理静电场的高斯定理点电荷的电场线点电荷的电场线正正正正 点点点点 电电电电 荷荷荷荷+负
16、负负负 点点点点 电电电电 荷荷荷荷一对等量异号点电荷的电场线一对等量异号点电荷的电场线+一对等量正点电荷的电场线一对等量正点电荷的电场线+一对不等量异号点电荷的电场线一对不等量异号点电荷的电场线带电平行板电容器的电场线带电平行板电容器的电场线+电场线特性电场线特性 1 1)始于正电荷始于正电荷,止于负电荷止于负电荷(或来自无穷远或来自无穷远,去去向无穷远向无穷远).).2 2)电场线不相交电场线不相交.3 3)静电场电场线不闭合静电场电场线不闭合.二二 电场强度通量电场强度通量(电通量电通量,E通量通量)通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面的电
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