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1、第三篇 电场和磁场第七章第七章 静止电荷的电场静止电荷的电场静电场静电场：相对于观察着静止的电荷所激发的电场。相对于观察着静止的电荷所激发的电场。 7-1 物质的电结构物质的电结构 库仑定律库仑定律1. 1. 电荷电荷电荷电荷摩擦起电和雷电：对电的最早认识摩擦起电和雷电：对电的最早认识两种电荷：两种电荷：正电荷正电荷和和负电荷负电荷电性力：电性力：指电荷间的相互作用。指电荷间的相互作用。 同号相斥、异号相吸同号相斥、异号相吸电荷量：电荷量：物体带电荷的多寡物体带电荷的多寡为什么摩擦可使物体带电？为什么摩擦可使物体带电？电荷：电荷：物体经摩擦后能吸引羽毛、纸片物体经摩擦后能吸引羽毛、纸片 等轻微
2、物体的状态称为带电，并等轻微物体的状态称为带电，并 说物体带有电荷。说物体带有电荷。2.2. 电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律起电机起电机物质物质分子、原子组成分子、原子组成原子核（中子、质子）和电子原子核（中子、质子）和电子物物质质的的结结构构所谓所谓起电起电，实际上是通，实际上是通过某种作用，使该物体过某种作用，使该物体内电子不足或过多而呈内电子不足或过多而呈现带电状态。现带电状态。电荷守恒定律电荷守恒定律为什么为什么摩擦摩擦可使物体带电？可使物体带电？摩擦可使物体接触面的温度升高，使一定量摩擦可使物体接触面的温度升高，使一定量的电子获得足够的动能从
3、一个物体迁移到令的电子获得足够的动能从一个物体迁移到令一个物体，获得电子的物体带负电，失去电一个物体，获得电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。子的物体带正电。在在一个与外界没有电荷交换的系统内，一个与外界没有电荷交换的系统内，无论进行怎样的物理过程，系统内正、无论进行怎样的物理过程，系统内正、负电荷量的代数和总是保持不变。负电荷量的代数和总是保持不变。如：如：电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷是相对论不变量电荷是相对论不变量电荷量与运动无关电荷量与运动无关 宏观带电体的带电量宏观带电体的带电量qe，准连续，准连续 夸克模型：夸克模型：强子（强子（强子是粒子分类系统的一个强
4、子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都概念，质子、中子都 属于强子这一类）是由更基本的属于强子这一类）是由更基本的粒子（夸克）构成的。夸克是带分数电荷的，每个夸粒子（夸克）构成的。夸克是带分数电荷的，每个夸克带克带2/3e或或 1/3e电荷。如，一个质子由两个上夸克和电荷。如，一个质子由两个上夸克和一个下夸克一个下夸克 组成组成 。 e=1.602 10-19库仑库仑，为电子电量，为电子电量3. 3. 3. 3. 电荷量子化电荷量子化电荷量子化电荷量子化电荷量子化电荷量子化物体所带的电荷量只能取分立的、不连续物体所带的电荷量只能取分立的、不连续量值的性质。量值的性质。点电荷点电荷可以简化为点
5、电荷的条件可以简化为点电荷的条件: :Q1rddr观察点P4. 4. 4. 4. 库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律：库仑定律：在真空中，两个静止点电荷之间相互在真空中，两个静止点电荷之间相互作用力与这两个点电荷的电荷量作用力与这两个点电荷的电荷量q1和和q2的乘积成正的乘积成正比，而与这两个点电荷之间的距离比，而与这两个点电荷之间的距离r12（或（或r21）的的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的平方成反比，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。连线，同号相斥，异号相吸。库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律 1785年，法国库仑（年，法国库仑（C.A
6、.Coulomb ） 适用于点电荷适用于点电荷叠加性叠加性q0q1q2r02F2r01F1F库仑定律库仑定律 库仑库仑（ 1736-1806）库仑定律说明：库仑定律说明：1.1.单位制有理化单位制有理化 0=8.85 10-12C2m-2 N-13.3.距离平方反比关系的证明距离平方反比关系的证明2.2.与万有引力的比较与启示与万有引力的比较与启示电摆电摆实验装置实验装置扭秤扭秤卡文迪许卡文迪许同心球同心球实验草图实验草图库仑定律库仑定律k=9.0 109Nm2 /C2 真空真空 例例7-2 按按量量子子理理论论，在在氢氢原原子子中中，核核外外电电子子快快速速地地运运动动着着，并并以以一一定定
7、的的概概率率出出现现在在原原子子核核（质质子子的的周周围围各各处处，在在基基态态下下，电电子子在在半半径径0.52910-10的的球球面面附附近近出出现现的的概概率率最最大大.试试计计算算在在基基态态下下,氢氢原原子子内内电电子子和和质质子子之之间间的的静静电电力力和和万万有有引引力力,并并比比较较两两者者的的大大小小.引力常数为引力常数为G=6.6710-11Nm2/kg2 解解: : 按库仑定律计算按库仑定律计算, ,电子和质子之间的静电力为电子和质子之间的静电力为库仑定律库仑定律应用万有引力定律应用万有引力定律, , 电子和质子之间的万有引力为电子和质子之间的万有引力为由此得静电力与万有
8、引力的比值为由此得静电力与万有引力的比值为库仑定律库仑定律 可可见见在在原原子子中中, ,电电子子和和质质子子之之间间的的静静电电力力远远比比万万有有引引力力大大, ,由由此此, ,在在处处理理电电子子和和质质子子之之间间的的相相互互作作用用时时, ,只只需需考考虑虑静静电电力力, ,万万有有引引力力可可以以略略去去不不计计. . 而而在在原原子子结结合合成成分分子子, ,原原子子或或分分子子组组成成液液体体或或固固体体时时, ,它它们们的的结结合合力力在在本本质质上上也也都都属属于于电电性性力力. .库仑定律库仑定律例例 设设原原子子核核中中的的两两个个质质子子相相距距4.010-15m,求
9、求此此两两个质子之间的静电力个质子之间的静电力. 可可见见, ,在在原原子子核核内内质质子子间间的的斥斥力力是是很很大大的的。 质质子子之之所所以以能能结结合合在在一一起起组组成成原原子子核核, ,是是由由于于核核内内除除了了有有这这种种斥斥力力外外还还存存在在着着远远比比斥斥力力为为强强的的引引力力_核核力力的的缘缘故故。上上述述两两个个例例题题, ,说说明明了了原原子子核核的的结结合合力力远远大大于于原原子子的的结结合力合力, , 原子的结合力又远大于相同条件下的万有引力。原子的结合力又远大于相同条件下的万有引力。解解: :两两个个质质子子之之间间的的静静电电力力是是斥斥力力, ,它它的的
10、大大小小按按库库仑定律计算为仑定律计算为库仑定律库仑定律例例 在在图图中中, 三三个个点点电电荷荷所所带带的的电电荷荷量量分分别别为为q1=-86 C,q2=50 C,q3=65 C。各各电电荷荷间间的的距距离离如如图图所所示示。求求作用在作用在q3上合力的大小和方向。上合力的大小和方向。解解: :选用如图所示的直角坐标系。选用如图所示的直角坐标系。q2q1q3 F31F32F30.6m0.52m0.3mijx库仑定律库仑定律力力 沿沿x轴和轴和y轴的分量分别为轴的分量分别为按按 库库 仑仑 定定 律律 可可 算算 得得q q1 1作作 用用 于于 电电 荷荷q q3 3上上 的的 的大小为的
11、大小为库仑定律库仑定律力力 沿沿x x轴和轴和y y轴的分量分别为轴的分量分别为库仑定律库仑定律电荷电荷q2作用于电荷作用于电荷q3上的力上的力 的大小为的大小为根据静电力的叠加原理根据静电力的叠加原理, ,作用于电荷作用于电荷q q3 3上的合力为上的合力为合力合力 的大小为的大小为合力合力 与与x轴的夹角为轴的夹角为 可可见见, ,由由库库仑仑定定律律算算出出的的作作用用力力是是不不小小的的, ,在在距距离离一一定定时时, ,它它与与带带电电体体所所带带电电荷荷量量相相关关。例例如如两两个个各各带带电电荷荷量量为为1 1C C的的带带电电体体, ,当当它它们们相相距距1m1m时时, ,根根
12、据据库库仑仑定定律律算算出出其其作作用用力力达达9.0109.0109 9 N N, ,然然而而, ,通通常常在在实实验验室室里里, ,利利用用摩摩擦擦起起电电使使物物体体能能获获得得的的电电荷荷量量的的数数量量级级只只是是1010-6-6C,C,此此时时相相距距1m1m时时的的静静电电力力仅仅为为1010-2-2 N N的的数数量量级级, ,这这就就是是说说, ,实实际际上上我我们们利利用用通通常常的的起起电电方方法法不不可可能能使使一一个个有有限限大大( (例例如如半半径径为为1m1m的的球球体体) )的的物物体体的的带带电电量量达达到到1 1C C或或接接近近1 1C C, ,因因为为早
13、早在在电电荷荷量量聚聚集集到到此此值值前前, ,周周围围的的绝绝缘缘体体已已被被击击穿穿, ,物物体体上上的的电电荷荷早早已已漏漏掉掉。所所以以通通常常遇遇到到的的静静电电力力还还是是很小的很小的, ,只能吸引轻微的物品。只能吸引轻微的物品。库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律 可可见见, ,由由库库仑仑定定律律算算出出的的作作用用力力是是不不小小的的, ,在在距距离离一一定定时时, ,它它与与带带电电体体所所带带电电荷荷量量相相关关。例例如如两两个个各各带带电电荷荷量量为为1 1C C的的带带电电体体, ,当当它它们们相相距距1m1m时时, ,根根据据库库仑仑定定律律算算出出其其作作用用力力达达
14、9.0109.0109 9 N N, ,然然而而, ,通通常常在在实实验验室室里里, ,利利用用摩摩擦擦起起电电使使物物体体能能获获得得的的电电荷荷量量的的数数量量级级只只是是1010-6-6C,C,此此时时相相距距1m1m时时的的静静电电力力仅仅为为1010-2-2 N N的的数数量量级级, ,这这就就是是说说, ,实实际际上上我我们们利利用用通通常常的的起起电电方方法法不不可可能能使使一一个个有有限限大大( (例例如如半半径径为为1m1m的的球球体体) )的的物物体体的的带带电电量量达达到到1 1C C或或接接近近1 1C C, ,因因为为早早在在电电荷荷量量聚聚集集到到此此值值前前, ,周周围围的的绝绝缘缘体体已已被被击击穿穿, ,物物体体上上的的电电荷荷早早已已漏漏掉掉。所所以以通通常常遇遇到到的的静静电电力力还还是是很小的很小的, ,只能吸引轻微的物品。只能吸引轻微的物品。
