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1、电磁学大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律一、电荷一、电荷1.电荷是物质一种属性电荷是物质一种属性电荷有两类，正电荷、负电荷。电荷有两类，正电荷、负电荷。2.电荷性质电荷性质同性相斥、异性相吸同性相斥、异性相吸大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律Chapter 1静止电荷的电场静止电荷的电场大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律我们今天要学的内容我们今天要学的内容我们今天要学的内容我们今天要学的内容 1.1 电荷电荷应用应用 :preview1.2 库仑定律库仑定律1.3 电场电场1.4 静止点电荷的电场静止点电荷的电场电荷连续分布带电体的电场电荷连续分布带电体的电场大学
2、物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1.1 电荷电荷 Electric Charges大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律3 电量电量定义定义：带电体所带电荷的多少：带电体所带电荷的多少单位单位：库仑：库仑 C 注：注：1）带电体所带电量通常用）带电体所带电量通常用Q或或q表示表示2）一个带电体所带总电量为其所带正、）一个带电体所带总电量为其所带正、负电量的代数和负电量的代数和大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律二、电荷守恒定律二、电荷守恒定律 电电荷荷不不能能创创造造，也也不不会会自自行行消消失失，只只能能从从一一个个物物体体转转移移到到另另一一个个物物体体，在在整整个个
3、过过程程中中电电荷的代数和守恒（或不变）。荷的代数和守恒（或不变）。1.一个物体得到一些负电荷一个物体得到一些负电荷,同时一些其它物同时一些其它物体得到等量的正电荷。体得到等量的正电荷。2. 中性，没有电荷显示的物体包含着等量的中性，没有电荷显示的物体包含着等量的正电荷和负电荷。正电荷和负电荷。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律存在一个基本单元，自然界中任何带电体所带存在一个基本单元，自然界中任何带电体所带电量都是这个基本单元的整数倍。电量都是这个基本单元的整数倍。e=1.60219 10-19C三、电荷的量子化三、电荷的量子化习惯上，习惯上，电子电量为负的基本单元电子电量为负的基本
4、单元 质子电量为正的基本单元质子电量为正的基本单元大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律电荷的电量是与电荷的相对运动无关的：电荷的电量是与电荷的相对运动无关的：电荷是独立于电荷本身的运动状态的。电荷是独立于电荷本身的运动状态的。四、电荷的相对论不变性四、电荷的相对论不变性大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1.2Coulombs Law库仑定律库仑定律大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律 1773177317731773年年年年发发发发表表表表有有有有关关关关材材材材料料料料强强强强度度度度的的的的论论论论文文文文，所所所所提提提提出出出出的的的的计计计计算算算算物物物物
5、体体体体上上上上应应应应力力力力和和和和应应应应变变变变分分分分布布布布情情情情况况况况的的的的方方方方法法法法沿沿沿沿用用用用到到到到现现现现在在在在，是是是是结结结结构构构构工工工工程程程程的的的的理理理理论论论论基基基基础础础础。1777177717771777年年年年开开开开始始始始研研研研究究究究静静静静电电电电和和和和磁磁磁磁力力力力问问问问题题题题。当当当当时时时时法法法法国国国国科科科科学学学学院院院院悬悬悬悬赏赏赏赏征征征征求求求求改改改改良良良良航航航航海海海海指指指指南南南南针针针针中中中中的的的的磁磁磁磁针针针针问问问问题题题题。库库库库仑仑仑仑认认认认为为为为磁磁磁磁
6、针针针针支支支支架架架架在在在在轴轴轴轴上上上上，必必必必然然然然会会会会带带带带来来来来摩摩摩摩擦擦擦擦，提提提提出出出出用用用用细细细细头头头头发发发发丝丝丝丝或或或或丝丝丝丝线线线线悬悬悬悬挂挂挂挂磁磁磁磁针针针针。研研研研究究究究中中中中发发发发现现现现线线线线扭扭扭扭转转转转时时时时的的的的扭扭扭扭力力力力和和和和针针针针转转转转过过过过的的的的角角角角度度度度成成成成比比比比例例例例关关关关系系系系，从从从从而而而而可可可可利利利利用用用用这这这这种种种种装装装装置置置置测测测测出出出出静静静静电电电电力力力力和和和和磁磁磁磁力力力力的的的的大大大大小小小小，这这这这导导导导致致致
7、致他他他他发发发发明明明明扭扭扭扭秤秤秤秤。1779177917791779年年年年对对对对摩摩摩摩擦擦擦擦力力力力进进进进行行行行分分分分析析析析，提提提提出出出出有有有有关关关关润润润润滑滑滑滑剂剂剂剂的的的的科科科科学学学学理理理理论论论论。还还还还设设设设计计计计出出出出水水水水下下下下作作作作业业业业法法法法，类类类类似似似似现现现现代代代代的的的的沉沉沉沉箱箱箱箱。1785-17891785-17891785-17891785-1789年年年年，用用用用扭扭扭扭秤秤秤秤测测测测量量量量静静静静电电电电力力力力和和和和磁磁磁磁力，导出著名的库仑定律。力，导出著名的库仑定律。力，导出著
8、名的库仑定律。力，导出著名的库仑定律。 库仑库仑库仑库仑法国工程师、物理学家。法国工程师、物理学家。法国工程师、物理学家。法国工程师、物理学家。1736173617361736年年年年6 6 6 6月月月月14 14 14 14 日生于法日生于法日生于法日生于法国昂古莱姆。国昂古莱姆。国昂古莱姆。国昂古莱姆。1806180618061806年年年年8 8 8 8月月月月23232323日在巴黎逝世。日在巴黎逝世。日在巴黎逝世。日在巴黎逝世。 早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后，进入皇家军早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后，进入皇家军早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后，进入皇家军早年
9、就读于美西也尔工程学校。离开学校后，进入皇家军事工程队当工程师。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到事工程队当工程师。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到事工程队当工程师。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到事工程队当工程师。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间，回到巴黎成为新布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间，回到巴黎成为新布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间，回到巴黎成为新布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间，回到巴黎成为新建的研究院成员。建的研究院成员。建的研究院成员。建的研究院成员。1.电荷、库仑定律电荷、库仑定律 / 五、库仑定律五、库仑
10、定律大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律静静 电电 力力大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1785年库仑总结出两个点电荷之间的作用规律年库仑总结出两个点电荷之间的作用规律在惯性参考系中两静止电荷在惯性参考系中两静止电荷q1 对对q2 的作用力的作用力1.电荷、库仑定律电荷、库仑定律 / 五、库仑定律五、库仑定律 库仑定律库仑定律点电荷点电荷-理想模型理想模型:带电体本身的线度带电体本身的线度到其它带电体到其它带电体的距离的距离该带电体的形状和电荷分布均无关紧要，此时，可将其该带电体的形状和电荷分布均无关紧要，此时，可将其看作看作一个带电的点一个带电的点注：注：点电荷并非指带电
11、体所带电量少，或其大小很小点电荷并非指带电体所带电量少，或其大小很小大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律(1) 力与力与r12的平方成反的平方成反比比, r12是两个电荷之是两个电荷之间的距离，方向沿着间的距离，方向沿着它们的连线方向它们的连线方向;(2) 力与力与q1 和和 q2两个两个电荷的电量乘积成正比。电荷的电量乘积成正比。(3) 同性相斥，异性相吸。同性相斥，异性相吸。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律库仑定律遵守牛顿第库仑定律遵守牛顿第三定律三定律库仑常数：库仑常数：NOTE:真空介电常数：真空介电常数：大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律 电力叠加原理电
12、力叠加原理两两个个点点电电荷荷之之间间的的作作用用力力，并并不不因因第第三三个个点点电电荷荷的的存存在在而而有有所所改改变变，因因此此，多多个个点点电电荷荷对对一一个个点点电电荷荷的的作作用用力力等等于于各各个个点点电电荷荷单单独独存在时对该点电荷的作用力的矢量和。存在时对该点电荷的作用力的矢量和。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律第二节第二节第二节第二节电场强度电场强度电场强度电场强度 场叠加原理场叠加原理场叠加原理场叠加原理大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1.电场: 电荷电荷q1 1电场电场E电荷电荷q2 2产生产生作用于作用于产生产生作用于作用于静电场静电场由静止电
13、荷产生的场。由静止电荷产生的场。电场是电荷周围存在的一种传递相互作用电场是电荷周围存在的一种传递相互作用的特殊物质。的特殊物质。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律 在在空空间间的的某某点点的的电电场场强强度度矢矢量量E被被定定义义为为正正的的检检验验电电荷荷放放在在该该点点处处所所受受到到的的电电场场力力F除除以以检检验电荷验电荷q0的大小。的大小。2. 电场电场(强度强度)矢量：矢量：单位单位: N/C = V/m3.方向：方向：正检验电荷在该点的受力方向。正检验电荷在该点的受力方向。描写电场性质的物理量。描写电场性质的物理量。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律注意几点注
14、意几点1.电场强度与检验电荷无关，只与场源电电场强度与检验电荷无关，只与场源电荷和场点位置有关。荷和场点位置有关。2.检验电荷电量和线度要很小检验电荷电量和线度要很小4.静电场具有单值性。静电场具有单值性。当产生电场的电荷分布已知时，当产生电场的电荷分布已知时，电场强度的分布就可以确定了电场强度的分布就可以确定了3.E与与F的方向一致的方向一致大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1.4静止点电荷的电场及静止点电荷的电场及其叠加其叠加大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律二、电场强度的计算二、电场强度的计算1.点电荷点电荷Q的场强公式的场强公式由库仑定律有由库仑定律有首先，首先，将
15、试验点电荷将试验点电荷q放置场点放置场点P处处1) ) 球对称球对称由场强定义由场强定义讨论讨论2) )场强方向：正电荷受力方向场强方向：正电荷受力方向Qr大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律2.场强叠加原理场强叠加原理1）如果带电体由）如果带电体由 n 个点电荷组成，如图个点电荷组成，如图根据电力叠加原理根据电力叠加原理和场强定义和场强定义由电力叠由电力叠加原理加原理由场强定义由场强定义整理后得整理后得大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律2）如果带电体电荷连续分布，如图）如果带电体电荷连续分布，如图 把带电体看作是由许多个电荷元组成，把带电体看作是由许多个电荷元组成， 然后利
16、用场强叠加原理求解。然后利用场强叠加原理求解。体体电荷密度电荷密度面面电荷密度电荷密度线线电荷密度电荷密度电荷密度电荷密度rP大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律三、解题思路及应用举例三、解题思路及应用举例三、解题思路及应用举例三、解题思路及应用举例1.建立坐标系建立坐标系2.确定电荷密度确定电荷密度:4.确定电荷元的场确定电荷元的场5.求场强分量求场强分量Ex、Ey求总场求总场体体dq= dV 3.求电荷元电量：求电荷元电量：体体 , 面面,线线面面dq= dS线线dq= dl大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律例题例题1 求均匀带电细棒中垂线上一点的场强。求均匀带电细棒中垂
17、线上一点的场强。 设棒长为设棒长为l , 带电量带电量q ，电荷线密度为，电荷线密度为 解：由对称性可知，中垂面上一点的场强只有解：由对称性可知，中垂面上一点的场强只有x方向方向的分量，在的分量，在z 和和 y 方向无分量。方向无分量。利用公式：利用公式：大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律1. 无限长均匀带电细棒的场强无限长均匀带电细棒的场强 方向垂直于细棒。方向垂直于细棒。 2. 相当于点电荷的场强。相当于点电荷的场强。正负决定场强方向的正负。正负决定场强方向的正负。讨讨论论大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律解：由对称性可知，解：由对称性可知，P点场强只有点场强只有x分量
18、分量例题例题2 均匀带电圆环中心轴线上一点的场强。均匀带电圆环中心轴线上一点的场强。设圆环带电量为设圆环带电量为 ，半径为，半径为大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律讨论：当场点距圆环的距离远大于环的半径时，讨论：当场点距圆环的距离远大于环的半径时，方向在方向在 x 轴上，正负由轴上，正负由 的正负决定。的正负决定。说明远离环心的场强相当于点电荷的场。说明远离环心的场强相当于点电荷的场。环心：环心：大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律例例3: 均匀带电薄圆盘的电场：均匀带电薄圆盘的电场： 半半径径为为 R 电电荷荷面面密密度度 。 问问圆圆盘盘沿沿轴轴方方向向上上的的电场电场,
19、 从圆心起取从圆心起取 x 方向方向.大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律利用带电量为利用带电量为 Q ，半径为，半径为 R 的均匀带电圆环在其的均匀带电圆环在其轴线上任一点的场强公式：轴线上任一点的场强公式：推推导导一一半半径径为为 R、电电荷荷面面密密度度为为 的的均均匀匀带带电电圆圆盘盘在在其其轴轴线线上上任任一一点点的的场场强强，并并进进一一步步推推导导电电荷荷面面密密度度为为 的的“无无限限大”均均匀匀带带电电平平面面的的场强。场强。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律解解：设设盘盘心心 o 点点处处为为原原点点，x 轴轴沿沿轴轴线线方方向向，如如图图所所示示，在在任任意意半半径径 r 处处取取一一宽宽为为 dr 的的圆圆环环，其电量其电量大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律当当 R 时，即为时，即为“无限大无限大”带电平面。带电平面。大学物理大学物理11电荷库仑定律电荷库仑定律
