PDF《第一章 真空中的静电场》

第一章 真空中的静电场 ――研究静止电荷产生的电场的特性 §1.

库仑定律 §2. 电场与电场强度 §3. 高斯定理 §4. 静电场的环路定理与电势 §5. 电场对带电系统的作用力 一. 物理定律建立的一般过程 z 观察现象、提出问题;

z 猜测答案;

z 设计实验、测量;

z 归纳寻找关系、发现规律;

z 形成定理、定律(常常需要引进新的物理 量或模型,找出新的内容,正确表述);

z 考察成立条件、适用范围、精度、理论地 位及现代含义等 . §1. 库仑定律 二. 库仑定律的建立 z 观察现象、提出问题 z 猜测答案 z 设计实验 Cavendish实验 Coulomb电扭秤实验(1785年) 在真空中,两个静止的点电荷q1和q2之间的 相互作用力大小和q1 与q2的乘积成正比,和它 们之间的距离r平方成反比;

作用力的方向沿着 他们的连线,同性电荷相斥,异性电荷相吸. 三. 库仑定律的表述

12 2

12 2

1 12 ? r r q q k f r v =

21 2

21 2

1 21 ? r r q q k f r v = ) (

21 12 ΙΙΙ ? = 牛ffvv∧=rrqqkf221?→ ? ∝ ± ? ?

2 δ r f ? ? ? ? ? ∝ ∝ = ± ? 对称性的结果 定义了电量 类比于引力, 实验结果 ― ― ― r f q q f r f r r q q k f r r r //

2 1

2 2

2 1 ? δ k 是引进单位制后引入的常数 说明: 电量的守恒性、量子性、相对论不变性、正负性 1923年诺贝尔物理学奖授予 美国加利福尼亚州帕萨迪那加 州理工学院的密立根(Robert Andrews Millikan,1868― 1953),以表彰他对基本电荷 和光电效应的工作. 补充:密立根油滴实验和电荷的量子性 1909年密立根通过直接测量油滴的电荷,直 接证实了电荷的量子性. 带电油滴滴入匀强电场 重电FFrr=gV ) 空油ρρ?(空油ρρ>

>

qE C q

19 10

026 .

8 ? * ≈ ? 使油滴带不同电量,重复测量得油滴所带电量总 是一个最小电量e 的整数倍 ? 直接证实了电荷的量子性,e 的实验值为 ne q = C e

19 10 )

46 (

6021892 .

1 ? * = z 静止:点电荷相对静止,且相对于观察者也静止 点电荷相对静止,且相对于观察者也静止 作为运动源,有一个推迟效应 作为运动源,有一个推迟效应 z 真空:如果真空条件破坏会如何?由于力的独立 作用原理,两个点电荷之间的力仍遵循库仑定 律,因此可以推广到介质、导体 z 点电荷:忽略了带电体形状、大小以及电荷分布 情况的电荷.(理想模型:质点,刚体,平衡态) 四. 库仑定律成立条件、适用范围和精度 1. 条件: 静止、真空、点电荷 2. 适用范围和精度 原子核尺度――地球物理尺度 天体物理、空间物理 大概无问题 cm cm

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10 ~ 10?

2 10? <

δ

16 10? <

δ z 精度: Coulomb时代 1971年Williams z 适用范围: 3. 理论地位和现代含义 z 理论地位:库仑定律是静电学的基础,说明了带 电体的相互作用问题 原子结构,分子结构,固体、液体的结构化学作用的 微观本质都与电磁力有关,其中主要部分是库仑力 z 现代含义:

0 2 ≠ ∝ ± ? δ δ r f 静电场的基本定理―――高斯定理将不成立―― ―动摇了电磁理论的基础 五. 电磁学单位制 -MKSA制z基本量: MKSA单位制:长度(m)、质量(kg)、时间(s)和电 流(A)为基本量 z 导出量: 1库仑:当导线中通过1安培稳恒电流时,一秒钟内 通过导线某一给定截面的电量为 1C=1A・s 真空介电常量: k = 8.9880*109N・m2/C2 ≈ 8.99*109N・m2/C2

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