大学物理第10章 真空中的静电场.pptVIP

图10-11 点电荷的高斯定理 图10-12　高斯定理推导用图 高斯定理是在库仑定律基础上得到的，但是高斯定理适用范围比库仑定律更广泛。 库仑定律只适用于真空中的静电场，而高斯定理适用于静电场和随时间变化的场，高斯定理是电磁理论的基本方程之一。 若闭合曲面内存在正（负）电荷，则通过闭合曲面的电通量为正（负），表明有电场线从面内（面外）穿出（穿入）；若闭合曲面内没有电荷，则通过闭合曲面的电通量为零，意味着有多少电场线穿入就有多少电场线穿出，说明在没有电荷的区域内电场线不会中断；若闭合曲面内电荷的代数和为零，则有多少电场线进入面内终止于负电荷，就会有相同数目的电场线从正电荷穿出面外。 第10章 真空中的静电场 电荷 库仑定律 10.1 电场 电场强度矢量 10.2 10.1 电荷 库仑定律 10.1.1 电荷 实验表明，无论用何种方法起电，自然界中只存在两类电荷，分别称为正电荷和负电荷，且同性电荷相互排斥、异性电荷相互吸引。 历史上，美国物理学家富兰克林最早对电荷正负作了规定：用丝绸摩擦过的玻璃棒，棒上带电为正；用毛皮摩擦过的硬橡胶棒，棒上带电为负，这种方法也一直沿用至今。 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核又由中子和质子组成。中子不带电，质子带正电，电子带负电。 质子数和电子数相等，原子呈电中性，当物质的电子过多或过少时，物质就带有电。 电荷是实物粒子的一种属性，它描述了实物粒子的电性质。物体带电的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一个物体失去电子就带正电荷，另一个物体得到电子就带负电荷。 10.1.2 电荷的量子化 1913年，密立根通过著名的油滴实验，测出所有电子都具有相同的电荷，而且带电体的电荷量是电子电荷的整数倍。 一个电子的电量记作e，则任何带电体的电荷量为 q=ne（n=1，2，…） 10.1.3 电荷守恒定律 大量事实表明，任何使物体带电的过程或使带电体中和的过程，都是电荷从一个物体转移到另一物体，或从物体的一部分转移到另一部分的过程。 对于一个系统，如果没有静电荷出入其边界，则不管系统中的电荷如何转移，系统中电荷的代数和保持不变，这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一，无论在宏观领域还是在微观领域都是成立的。 10.1.4 库仑定律 当一个带电体的线度远小于作用距离时，可看作是点电荷。 点电荷是一个理想化的物理模型，如果在研究的问题中，带电体的几何形状、大小及电荷分布都可以忽略不计，即可将它看作是一个几何点，则这样的带电体就是点电荷。 实际的带电体（包括电子、质子等）都有一定大小，都不是点电荷。只有当电荷间距离大到可认为电荷大小、形状不起什么作用时，才可把电荷看成点电荷。 1785年，法国物理学家库仑利用扭秤实验测量了两个带电球体之间的作用力。 库仑在实验的基础上，总结出了两个点电荷之间相互作用的规律，即库仑定律。库仑定律的表述如下： 在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小与这两点电荷电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相排斥，异号电荷互相吸引。 图10-1 库仑定律 10.2 电场 电场强度矢量 10.2.1 电场 库仑定律给出了两个点电荷之间的相互作用力，但并未说明作用力的传递途径。历史上有两种观点： （1）超距作用观点，一个点电荷对另一电荷的作用无需经中间物体传递，而是超越空间直接地、瞬时地发生； （2）近距作用观点，一个电荷对另一电荷的作用通过空间某种中间媒介，以一定的有限速度传递过去。 近代物理学的发展证明，近距作用观点是正确的。但是，这个传递电荷作用力的中间媒介不是“以太”，而是通过电荷周围存在的一种“特殊”物质，即电场。 电场与实物一样具有能量、动量和质量等，可以脱离场源而单独存在，即电场是物质的一种形式。 静止电荷产生的电场为静电场，运动电荷周围除有电场之外还有磁场，变化的电场会产生磁场，变化的磁场又会产生电场，变化的电场和磁场就构成了统一的电磁场。 10.2.2 电场的强度 在静止电荷周围存在着静电场，静电场对处于其中的电荷有电场力的作用，这是电场的一个重要的性质。 这里，我们从电场对电荷的作用力入手，来研究电场的性质和规律，引入描述电场性质的物理量——电场强度。 如图10-2所示，在相对静止的电荷Q周围的静电场中，放入试验电荷q0，讨论试验电荷的受力情况。 图10-2 点电荷的场强 10.2.3 电场强度叠加原理 若