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1、1,大学物理,教师：李美姮,,2,目标论,哈佛大学调查： 有人生目标 20% 把人生目标写在纸上 是20%人中的20%。,校友会（ 每年近210亿美金） 跟踪调查发现： 4% CEO 16% 中层人士 80% 打工人士。,真心希望每个同学都树立明确的人生目标，并为之努力奋斗！,3,本学期基本教学安排,一、教学内容：教材大学物理学国家规划教材 电磁学（12-16章） 相对论基础（3章） 量子力学基础（17章）,二、教学时间： 1-16周 考试在第17-20周进行。 大班教学48学时，小班学习指导课16学时。,三、考核方式：考试（50%）+平时成绩（50%）,平时成绩：期中考试（20%）、作业和考
2、勤（30%）,四、作业 大学物理（二）练习册,题型：选择、填空、计算、研讨。 要求：独立、认真、按时完成！,4,学生有下列情形之一者，任课教师应取消该学生本门课程的考试资格： 1缺交作业累计达本门课程学期作业总量的1/3的； 2一学期内无故缺课累计超过本门课程教学时数1/3，或经抽查有2次以上缺课者； 3有实验的课程，实验不合格的。 被取消考试资格的学生，不予记载平时成绩，不得参加本门课程的考试及补考，即使参加了考试，成绩也无效。,学校对学生上课要求的相关政策,5,学习交流空间,学习需要交流，利用qq空间的交流功能， 开设QQ群： 大物15级 群号： 3489 4888 3。,申请加入请注明班
3、级等相关信息,群共享 老师适时上传最新上课的电子教案、学习参考资料、教材各章习题详细解答、练习册各章参考答案、模拟试卷与答案等。,6,7, 电磁学的教学内容: 静电学（真空、介质、导体） 稳恒电流的磁场 （真空、介质） 电磁场与电磁波,电磁学内容按性质来分,主要包括“场”和“路”两部分.这里我们侧重于从场的观点来进行阐述.“场”不同于实物物质,它具有空间分布,这样的对象从概念到描述方法, 例如对矢量场的描述方法及其基本特性引入“通量”和“环流”两个概念及相应的通量定理和环路定理，对初学者来说都是新的。,8,电磁学的学习特点,1. 与力学相比，电磁学的思路与学习方法不同,2. 与中学相比，加深了
4、数学与物理的结合,高等数学的微积分、矢量代数的运用。,9,第12章 真空中的静电场,12.1 电荷 库仑定律 12.2 电场与电场强度 12.3 高斯定理 12.4 电势 12.5 等势面与电势梯度 作业：练习册,静电场 相对观测者静止的电荷产生的电场,10,一、电荷的基本性质,1. 两种电荷,2. 电荷守恒定律,在一个与外界没有电荷交换的系统内，不管发生什么物理过程，正负电荷代数和保持不变。,1 电荷 库仑定律,高能光子与重原子核作用可以转化为电子偶；,电子偶也能湮没为光子。,3. 电荷量子化,物体带电量变化是不连续的，只能是元电荷 e 的整数倍。,e = 1.60210-19C(库仑),4
5、. 电荷的相对论不变性,在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量相同。,11,二、库仑定律, 静电力的叠加原理,真空中两个静止点电荷之间相互作用力的大小与它们的电量q1 和q2的乘积成正比，与它们之间的距离r12 （或r21）的平方成反比；作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同号相斥，异号相吸。,1. 库仑定律,实验定出： k = 8.988010 9 Nm2/C2,国际单位制（SI）中：,FN; q C; r m, 9.010 9 Nm2/C2,12, 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 真空介电常数, 有理化：,引入常量 0，,
6、有：,有理化后的库仑定律：,令,思考为什么要对库仑定律进行有理化处理？,13,2. 静电力的叠加原理,库仑定律和叠加原理相配合,原则上可以求解静电学中的全部问题。,14,例12.1 氢原子中电子和质子的距离为5.310-11m。求此二粒子间的静电力和万有引力各为多少？,解：根据库仑定律可得两粒子间静电力大小：,根据万有引力定律可得两粒子间万有引力大小：,可以看出，氢原子中电子与质子的相互作用的静电力远大于万有引力，前者约为后者的1039倍。,(N),(N),15,2 电场与电场强度,一、电场：,1. 电场概念的引入,后来：法拉第提出“近距”作用 并提出力线和场的概念,电荷周围存在由它产生的电场
7、。,通过电场给予，传播需要时间，其速度为光速,16,2. 电场的物质性体现在：,c. 变化的电磁场以光速传播：场具有动量、质量,b. 移动带电体，电场力作功：场具有能量,a. 电场中的带电体，受电场的作用力。,场和实物是物质存在的不同形式。,但实物具有不可入性，而场可以叠加。,二、电场强度,从力的角度研究电场,它与检验电荷无关，反映电场本身的性质。,单位正电荷（检验电荷）在电场中某点所受到的力。,注意:电场强度是空间位置 矢量函数。,17,三、场强的叠加原理：,电场中任何一点的总场强等于各个点电荷在该点 各自产生的场强的矢量和。这就是场强叠加原理。,18,四、场强的计算,1. 点电荷的场强,由
8、库仑定律和电场强度定义给出：,“源”点电荷,场点,（相对观测者静止）,点电荷电场强度分布的特点：,若q0,沿径矢方向,若q0,沿径矢反方向,球对称性；,但距点电荷等远的各点，E相等。,19,点电荷qi 的场强：,由叠加原理，点电荷系的,2. 点电荷系的场强,总场强：,点电荷系,20,例：电偶极子的场强,电偶极子：,点电荷所组成的电荷系,一对靠得很近的等量异号的,电偶极子是个相对的概念，,它也是一种实际的物理模型,（如有极分子） 。,21,例题12.2： 求电偶极子中垂线上离电偶极子甚远处（r l）任一点的场强。,解:,因 ，上式可近似为：,用 表示从 到 的矢量， 定义电偶极矩（电矩）为：,2
9、2,电偶极子在均匀电场中静止时所受的力和力矩是如何的呢？,解：正负电荷受力：,系统质心速度不变，因两力不在同一直线上，故有力矩作用。,各力对质心的力矩,该力矩总是使电矩转向场强的方向,思考,?,23,3.任意带电体（连续带电体)电场中的场强：,（1） 将带电体分成很多元电荷 dq,先求出它产生 的场强的大小 dE 和方向,（2）按坐标轴方向分解，求得,（3） （对带电体）积分，可得总场强：,注意：直接对dE 积分是常见的错误 一般 E dE,体密度,面密度,线密度,24,解: dq = dl,例12.3： 计算均匀带电荷直线(棒)在任意一点 p的场强。 (已知L, 0, a),25,26,讨论
10、,若 L , 1 0, 2 ,L ,无限长均匀带电直线的场强,27,均匀带电长直线（电荷线密度为2）长度为b，与另一均匀带电长直线（电荷线密度为1）共面放置，如图所示，求该均匀带电直线受的电场力。,解：取dx,28,解：,讨论：x R,练习： 求均匀带电圆环轴线上一点的场强。设圆环带电量为 q ，半径为R。,x,当dq 位置发生变化时，它所激发的电场矢量构成了一个圆锥面。,由对称性,相当于点电荷激发的电场。,29,练习: 求均匀带电圆盘轴线上一点的场强。 设圆盘带电量为 q ，半径为R。,解：,P,x,讨论： 1.当 x R,相当于无限大带电平面附近的电场，可看成是均匀场，场强垂直于板面，正负
11、由电荷的符号决定。,讨论：2.当 x R,远离带电圆面处，相当于点电荷的场强,附录泰勒展开：,分析方向！,30,或者分析对称性！,31,一、电力线,用一些假想的有方向的空间曲线形象描述场强分布。,3 高斯定理,1.规定 :,曲线上任一点的切线方向代表该点的场强方向;,垂直通过某点单位面积上的电场线数目代表该点的场强的大小。,32,几种电荷的 线分布：,33,几种电荷的 线分布的实验现象：,单个点 电 极,34,正 负 点 电 极,35,两 个 同 号 的 点 电 极,36,单 个 带 电 平 板 电 极,37,分 别 带 正 负 电 的 平 行 平 板 电 极,38,带 异 号 电 荷 的 点
12、 电 极 和 平 板 电 极,39,“ 怒 发 冲 冠 ”,40,1 概念 通过某一曲面的电场线条数。单位：N m2/C。,2 计算,二、电通量,dS = dScos,0/2，de 为正；,/2 ，de 为负,41,闭合曲面：,（3）非均匀电场 任意曲面,42,对于封闭曲面(规定外法线方向为正）,通过整个封闭曲面的电通量就等于穿出和穿入该封闭曲面的电力线的条数之差.,穿入：,穿出：,43,三、 高斯定理,高斯定理是反映静电场性质的一个基本定理。,问题的提出：,由,为何还要引入高斯定理？,原则上，任何电荷分布的电,场强度都可以求出，, 进一步搞清静电场的性质； 便于电场的求解； 解决由场强求电荷
13、分布的问题。,目的：,44,高斯定理的证明,S,1). 讨论点电荷 q 的电场.,(1) 曲面包围点电荷 q .,q,通过球面的电通量,显然, 通过任意包围点电荷 q 的闭合面的电通量都等于 q /0 .,45,(2) 曲面不包围点电荷 q .,通过曲面 S的电通量,46,2). 讨论点电荷系的电场,曲面内: q1, q2 , , qn .,曲面外: qn+1, , qk .,q1, , qn, , qk . 构成一电荷系.,空间任意一点的电场,47,通过曲面 S的电通量,封闭曲面内qi 产生的电通量为 ei = qi /0；,封闭曲面外qi 产生的电通量为 ei = 0,内,外,通过封闭曲面
14、的电通量为:,封闭曲面内所有电荷的电量的代数和,48, 在封闭曲面内所有电荷的电量的代数和.,高斯定律: 在真空中的静电场内, 通过任意封闭曲面的电通量等于该封闭曲面所包围的电荷电量代数和的1/0 倍.,虽然电通量只与高斯面内电荷有关，但是面上电场却与面内、面外电荷都有关。,注意：,高斯定理表明静电场是有源场，电荷就是静电场的源。,电场线不能形成闭合曲线。,49,高斯定理和库仑定律之间有什么关系呢？,50,高斯定理和库仑定律的关系, 高斯定理和库仑定律二者并不独立。高斯定理可以由库仑定律和场强叠加原理导出。反过来，把高斯定理作为基本定律也可以导出库仑定律。, 两者在物理涵义上并不相同。库仑定律
15、把场强和电荷直接联系起来,在电荷分布已知的情况下由库仑定律可以求出场强的分布。而高斯定理将场强的通量和某一区域内的电荷联系在一起，在电场分布已知的情况下，由高斯定理能够求出任意区域内的电荷。, 库仑定律只适用于静电场,而高斯定理不但适用于静电场和静止电荷,也适用于运动电荷和变化的电磁场。,51,当通过高斯面的电场强度通量为零时,是否意味着高斯面内没有电荷?是否意味着高斯面上各点的场强都为零?,通过高斯面的电场强度通量仅与高斯面内电荷有关； 但高斯面上各点的场强却与高斯面内外电荷都有关。,高斯面上各点的场强与高斯面外的电荷有无关系?,高斯面内没有净电荷；高斯面上各点的场强并不一定都为零。,思考,?,关于高斯定理几点说明:,1. 由 的值决定，与 分布无关；,2. 是曲面上的总场强，由q内 和 q外共同决定；,3. 高斯面为几何面， q内和q外总能分清。,52,只有当电荷和电场分布具有某种对称性时, 才可用高斯 定律求场强.,步骤:,关键: 选取合适的闭合曲面（Gauss 面）.,（3）应用Gauss定律计算场强.,（1）由电荷分布对称性分析电场的对称性,（2）据电场分布的对称性选择合适的闭合曲面,四. 高斯定理的应用举例,53,常见的电荷分布的对称性： 球对称 柱对称 面对称,均匀带电的,球体 球面 (点电荷),无限长 柱
