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第五章 静电场 物理学 第五版 * 1-0 第一章教学基本要求 物理学 第五版 电 磁 学 （Electromagnetism） 极 光 电 磁 学 （Electromagnetism） ▲ 电磁学研究的是电磁现象 ? 电场和磁场的相互联系； ? 电磁场对电荷、电流的作用； ? 电磁场对物质的各种效应。 的基本概念和基本规律： ? 电荷、电流产生电场和 磁场的规律； ▲ 处理电磁学问题的基本观点和方法 着眼于场的分布 （一般） 归纳 假设 ▲ 电磁学的教学内容: ? 静电场（真空、介质、导体） ? 稳恒电流的磁场 （真空、介质） ? 电磁感应 ? 电磁场与电磁波 ? 对象： 弥散于空间的电磁场， ?方法： ? 观点： 电磁作用是“场”的作用 基本实验规律 综合的普遍规律 （特殊） （近距作用） ▲ 历史上对于电磁现象的观察与研究 1. 观察记录阶段 1世纪王充《论衡》“顿牟掇芥，磁石引针” 2. 定量研究阶段 1785年 库仑定律 1786年 欧姆定律 1820年 毕奥-萨伐尔定律， 安培环路定理 1831年 法拉第电磁感应定律，麦克斯韦方程组， 把电和磁统一到一个理论中 3. 1905年相对论的创立进一步证明电磁场是一个统一 的实体。 1820年奥斯特发现通电导线引起小磁针转向 第五章 电荷和静电场 教学内容 *§5-1 电荷量子化 电荷守恒定律 §5-2 库仑定律 §5-3 电场与电场强度 §5-4 电场强度通量 高斯定理 *§5-5 密立根测定电子电荷的实验 物理学 第五版 教学内容 §5-8 电场强度与电势梯度 §5-6 静电场的环路定理 电势能 §5-7 电势 教学基本要求 一 掌握描述静电场的两个基本物理量——电场强度和电势的概念，理解电场强度 是矢量点函数，而电势V 则是标量点函数. 二 理解静电场的两条基本定理——高斯定理和环路定理，明确认识静电场是有源场和保守场. 教学基本要求 三 掌握用点电荷的电场强度和叠加原理以及高斯定理求解带电系统电场强度的方法；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. 四 了解电偶极子概念，能计算电偶极子在均匀电场中的受力和运动. 教学基本要求 §5-1电荷量子化 电荷守恒定律 (1) 电荷？ 电荷是物质 的基本属性 质量 电荷 (2) 电荷是量子化的 量子化：某物理量的值不是连续可取值而只能 取一些分立值，则称其为量子化 自然界物体所带电荷：q = ne e = 1.602?10-19C n= ±1、±2、±3… 电荷量子 ? 物体的引力相互作用本领 ? 物体的电相互作用本领 电荷? 只有两种 1. 电荷(charge) 自然界中的微观粒子有几百种,其中带电粒子所具有的电荷数均为+e 或-e 的整数倍。因此电荷量子化是普遍的量子化规律。现代实验结果证明电荷量子化具有相当高的精度。 在近代物理中发现强子(如质子、中子、介子等)是由夸克(quark)构成的，夸克所带电量为e的1/3或2/3。但是到目前为止还没有发现以自由状态存在的夸克。电量的最小单元不排除会有新的结论，但是电量量子化的基本规律是不会变的。 电荷量子化是个实验规律。 (3) 电荷守恒定律 电荷守恒定律的表述： 在一个和外界没有电荷交换的系统内，正负电荷 的代数和在任何物理过程中保持不变。 电荷守恒定律是物理学中普遍的基本定律。 如: 正、负电子的湮灭和产生： 电子对的“产生”和“湮灭”并不破坏电荷守恒 [光子] → [电子] + [正电子] 产生 电荷： (+e) + (-e) ? 0 [电子] + [正电子] → [光子] 湮灭 电荷： 0 ? (+e) + (-e) (4) 电量是相对论不变性 电荷的相对论不变性： 一个电荷的电量与它的运动状态无关，即在不同的参考系内观察，同一带电粒子的电量不变。 氢分子和氦原子中原子核内两个质子运动 状态很不相同，但电量相同 例如：回旋加速器中电子运动速度的计算中，已 认为电子电荷 e 不变。 ＋ ＋ ＋ ＋ e e e e 氢分子 氦原子 库仑 (C.A.Coulomb 1736 ?1806） 法国物理学家，1785年通过扭秤实验创立库仑定律， 使电磁学的研究从定性进入定量阶段. 电荷的单位库仑以他的姓氏命名. §5-2 库仑定律 1/4??0= 8.9880?109 N·m2