1、电磁学电磁学一、电磁学发展历史一、电磁学发展历史二、电磁学的研究对象、方法、内容二、电磁学的研究对象、方法、内容三、电磁学于科学技术的密切关系三、电磁学于科学技术的密切关系1、古代、古代18世纪世纪 人们对电磁现象只是人们对电磁现象只是原始认识、零星记载原始认识、零星记载。如摩。如摩擦起电、雷电、磁铁、指南针等。擦起电、雷电、磁铁、指南针等。无实验，不系统无实验，不系统。公元前公元前6世纪希腊学者世纪希腊学者泰勒斯泰勒斯观察到观察到：布擦过的布擦过的琥珀能吸引轻小物体。（琥珀能吸引轻小物体。（电现象）电现象）四个阶段：四个阶段：1、古代、古代18世纪；世纪；2、18世纪世纪18193.1820
2、19世纪末世纪末；4、20世纪世纪一、电磁学发展历史一、电磁学发展历史 中国在公元前中国在公元前43世纪，战国世纪，战国韩非子韩非子中记载：中记载：“司南司南”（天然磁（天然磁石做成的指向工具）；石做成的指向工具）；吕氏春秋吕氏春秋：“磁石召铁磁石召铁”。公元前公元前1世纪，世纪，王充王充论衡论衡中记有：中记有：“顿牟缀顿牟缀芥，磁石引针芥，磁石引针”字句（顿牟即琥珀，缀芥即吸拾轻小字句（顿牟即琥珀，缀芥即吸拾轻小物体）。物体）。宋代宋代沈括沈括改进指南形制，发明了改进指南形制，发明了指南针指南针，还发，还发现了现了地磁偏现象地磁偏现象。12世纪，指南针传入阿拉伯和欧世纪，指南针传入阿拉伯和欧
3、洲，为世界文明做出了贡献。洲，为世界文明做出了贡献。（电、磁现象电、磁现象）（磁现象磁现象）16世纪，英国的世纪，英国的吉尔伯特吉尔伯特：制作了：制作了第一个验电第一个验电器器以检验物体是否带电；发现了以检验物体是否带电；发现了磁石对铁块吸引力与磁石对铁块吸引力与磁石大小成正比磁石大小成正比；发现了多种物质具有；发现了多种物质具有摩擦起电摩擦起电性质；性质；创造创造Electricity（电）术语。（电）术语。美国伟大的科学家、政治家和美国美国伟大的科学家、政治家和美国独立之父独立之父富兰克林富兰克林（1706-1790）：发）：发现了现了尖端放电尖端放电；发明了；发明了避雷针避雷针；用风筝；
4、用风筝从雷云中收集电荷给莱顿瓶充电而得到从雷云中收集电荷给莱顿瓶充电而得到电火花，证明了电火花，证明了闪电是一种电现象闪电是一种电现象，统，统一了天电和地电。一了天电和地电。富兰克林认为：摩擦起电是电在物体之间的转移，富兰克林认为：摩擦起电是电在物体之间的转移，从而发现了电荷从而发现了电荷守恒原理守恒原理。他第一个用数学上的正负表。他第一个用数学上的正负表示示两种电荷两种电荷，首创了，首创了导体、充电、放电导体、充电、放电的术语。的术语。中国古代对雷电的成因、摩擦起电、磁现象都有中国古代对雷电的成因、摩擦起电、磁现象都有大量的记载和研究。大量的记载和研究。“电电”字最早见于西周时期的青铜器上字
5、最早见于西周时期的青铜器上的铭文中，的铭文中，实际上是对雷电现象的记录。对实际上是对雷电现象的记录。对“电电”赋予科学含义赋予科学含义则是在近代西学东渐之后。则是在近代西学东渐之后。2、18世纪世纪1819 18世纪中叶，牛顿力学正当辉煌。人们对电力和世纪中叶，牛顿力学正当辉煌。人们对电力和磁力又有许多猜测。磁力又有许多猜测。许多科学家意识到许多科学家意识到“电的吸引遵循与万有引力定电的吸引遵循与万有引力定律相同的平方反比定律律相同的平方反比定律”，但都没有严格的科学论证。，但都没有严格的科学论证。库伦定律的发现才使电磁学真正进入了定量的研库伦定律的发现才使电磁学真正进入了定量的研究，是电磁学
6、真正成为一门学科的开始。究，是电磁学真正成为一门学科的开始。122q qFkr122m mFGr 库伦设计了精密的库伦设计了精密的扭秤实验和电摆实验扭秤实验和电摆实验，得到了完，得到了完整的整的与万有引力定律惊人地相似的库伦定律与万有引力定律惊人地相似的库伦定律（电荷相互（电荷相互作用的作用的平方反比定律平方反比定律）实际上，苏格兰的罗实际上，苏格兰的罗比森和比森和卡文迪许卡文迪许在库伦之在库伦之前十多年就已经做过电力前十多年就已经做过电力的定量实验研究，确定了的定量实验研究，确定了电力平方反比定律，可惜没有及时发表电力平方反比定律，可惜没有及时发表而未对科学发展起到应有的推动作用。而未对科学
7、发展起到应有的推动作用。库伦定律是电磁学基本定律之一。库伦定律是电磁学基本定律之一。122q qFkr 在库伦以后，通过在库伦以后，通过泊松、高斯泊松、高斯等科学家的研究，等科学家的研究，形成了形成了静电场和静磁场的（超距作用）理论静电场和静磁场的（超距作用）理论。伽伐尼伽伐尼于于1786年发现了电流，后经年发现了电流，后经伏特、欧姆伏特、欧姆等等人发现了关于电流的定律，使电学从静电发展到人发现了关于电流的定律，使电学从静电发展到动电动电领域。领域。在在1820年以前，电和磁是独立研究年以前，电和磁是独立研究的。此前，的。此前，库伦、库伦、安培、托马斯安培、托马斯.杨、毕奥杨、毕奥等都坚持电和
8、磁的独立性，尽等都坚持电和磁的独立性，尽管电作用和磁作用有相似性。管电作用和磁作用有相似性。然而，然而，电和磁的联系还是受到了关注电和磁的联系还是受到了关注。富兰克林富兰克林在在1751年发现莱顿瓶年发现莱顿瓶放电可以使钢针磁化放电可以使钢针磁化，英国戴维斯发，英国戴维斯发现现磁铁能吸引或排斥碳棒电极间的弧光磁铁能吸引或排斥碳棒电极间的弧光。电和磁究竟有没有联系？电和磁究竟有没有联系？奥斯特奥斯特做出了一项划时代意义的发现！做出了一项划时代意义的发现！3.182019世纪末世纪末 奥斯特认为自然界各种基本力是可以相互转化的，奥斯特认为自然界各种基本力是可以相互转化的，深信电和磁有某种联系深信电
9、和磁有某种联系。1820年，他做起了电生磁的年，他做起了电生磁的实验。实验。开始以为电流磁效应是纵向的，企图用通电导线开始以为电流磁效应是纵向的，企图用通电导线吸引前方的磁针，结果毫无动静。后来在演讲时，把吸引前方的磁针，结果毫无动静。后来在演讲时，把磁针放在导线侧面，接通电源时，突然发现磁针向垂磁针放在导线侧面，接通电源时，突然发现磁针向垂直于导线的方向偏转。直于导线的方向偏转。经过反复实验，终于发现经过反复实验，终于发现电流磁效应沿着围绕导线的电流磁效应沿着围绕导线的螺旋方向螺旋方向。奥斯特奥斯特的发现，为物理学新的大综合（的发现，为物理学新的大综合（电和磁电和磁）开辟了道路。法拉第评价说
10、：开辟了道路。法拉第评价说：“猛然打开了科学中黑猛然打开了科学中黑暗领域的大门暗领域的大门”。（。（大量的未知物理现象及规律！大量的未知物理现象及规律！）此后，此后，毕奥、萨伐尔、拉普拉斯、安培毕奥、萨伐尔、拉普拉斯、安培又对电流磁又对电流磁效应做了进一步定量研究，形成了更系统的理论体系。效应做了进一步定量研究，形成了更系统的理论体系。电流的磁效应又引起了逆向思考：电流的磁效应又引起了逆向思考：磁能否生电？磁能否生电？菲涅耳、安培、阿拉果菲涅耳、安培、阿拉果等做了大量实验。直到十年后，等做了大量实验。直到十年后，英国的法拉第英国的法拉第和美国的亨利才发现磁生电即电磁感应和美国的亨利才发现磁生电
11、即电磁感应现象。现象。亨利亨利比法拉第早一年发现电磁感应，但没有发表。比法拉第早一年发现电磁感应，但没有发表。法拉第不但独立地发现了电磁感应，而且其工作深法拉第不但独立地发现了电磁感应，而且其工作深度和广度远远超过亨利。因此，人们把发现电磁感度和广度远远超过亨利。因此，人们把发现电磁感应的功劳归于法拉第。应的功劳归于法拉第。法拉第法拉第1821年研制出电旋转器（历史上第一台电年研制出电旋转器（历史上第一台电动机）。以后年复一年进行一系列磁生电的实验。直动机）。以后年复一年进行一系列磁生电的实验。直到到1831年年8月月29日，终于发现了电磁感应。日，终于发现了电磁感应。1831年年11月月24
12、日，他向皇家学会系统地报告了他的发现：日，他向皇家学会系统地报告了他的发现：变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流、运变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁铁、磁极附近的导线都可以感生出电流动的磁铁、磁极附近的导线都可以感生出电流。法拉第还提出了法拉第还提出了力线和场力线和场的概念，的概念，进一步揭示了电与磁的联系，对电磁学进一步揭示了电与磁的联系，对电磁学乃至整个物理学的发展都有重要影响。乃至整个物理学的发展都有重要影响。在库伦、安培、毕奥、法拉第等研究的基础上，在库伦、安培、毕奥、法拉第等研究的基础上，麦克斯韦麦克斯韦集前人之大成，于集前人之大成，于19世纪世纪80年代，创造性地
13、年代，创造性地提出了提出了感生电场和位移电流感生电场和位移电流的假说，以他的数学天赋，的假说，以他的数学天赋，建立了一套电磁学方程组（麦克斯韦方程组），形成建立了一套电磁学方程组（麦克斯韦方程组），形成了了完整的电磁学理论完整的电磁学理论，使人类对电磁现象的认识达到，使人类对电磁现象的认识达到了一个前所未有的高度。了一个前所未有的高度。所有电磁学问题都归结于解麦克斯韦方程所有电磁学问题都归结于解麦克斯韦方程，其地，其地位相当于力学中的牛顿定律地位。由该方程组还预言位相当于力学中的牛顿定律地位。由该方程组还预言了电磁波的存在，并且得到了电磁波的传播速度与光了电磁波的存在，并且得到了电磁波的传播速
14、度与光速相同，从而把速相同，从而把电、磁、光统一于一体电、磁、光统一于一体。麦克斯韦电磁理论是自牛顿实现天麦克斯韦电磁理论是自牛顿实现天上和地上物体运动的统一后的又一次大上和地上物体运动的统一后的又一次大统一统一。他的理论成果也是现代无线电电。他的理论成果也是现代无线电电子技术和通信技术的理论基础。（麦克子技术和通信技术的理论基础。（麦克斯韦斯韦牛顿、爱因斯坦以外的第三位牛顿、爱因斯坦以外的第三位为巨人）。为巨人）。4、20世纪世纪 20世纪初，现代物理（世纪初，现代物理（相对论和量子力学相对论和量子力学）的）的诞生，又使电磁学得到了进一步的发展。诞生，又使电磁学得到了进一步的发展。爱因斯坦的
15、相对论不但使人们对牛顿力学有了更爱因斯坦的相对论不但使人们对牛顿力学有了更全面的认识，也使人们对电磁现象和理论有了更深刻全面的认识，也使人们对电磁现象和理论有了更深刻的理解。的理解。由相对论可以证明，由相对论可以证明，电磁规律遵守洛仑玆变换，电磁规律遵守洛仑玆变换，从不同的参考系观测，同一电磁场可以表现为只有磁从不同的参考系观测，同一电磁场可以表现为只有磁场、或只有电场、或电场与磁场并存。说明电磁场是场、或只有电场、或电场与磁场并存。说明电磁场是一个高度统一的实体，电场和磁场不可分割。一个高度统一的实体，电场和磁场不可分割。将量子力学和电磁学结合又形成了将量子力学和电磁学结合又形成了量子电动力
16、学量子电动力学，可以解决微观系统的运动问题，结合相对论理论，可可以解决微观系统的运动问题，结合相对论理论，可以处理微观高速运动问题。以处理微观高速运动问题。对象对象：电磁场规律及物质电磁性质：电磁场规律及物质电磁性质 方法方法：实验事实：实验事实抽象概念抽象概念-总结规律总结规律-逻辑推理逻辑推理-用于实例用于实例 主要内容主要内容：（1）静电场、稳恒磁场、变化的电磁场等；）静电场、稳恒磁场、变化的电磁场等；（2）电磁场与物质的相互作用；）电磁场与物质的相互作用；（3）电路）电路二、电磁学的研究对象、方法、内容二、电磁学的研究对象、方法、内容 没有麦克斯韦，就没有现代通讯和电子技术，许没有麦克
17、斯韦，就没有现代通讯和电子技术，许多高新技术也只是空谈。没有法拉第，就没有电力照多高新技术也只是空谈。没有法拉第，就没有电力照明。一句话，明。一句话，没有物理学就不可能有现代社会文明。没有物理学就不可能有现代社会文明。社会进步依赖于物理学的发展社会进步依赖于物理学的发展。三、电磁学于科学技术的密切关系三、电磁学于科学技术的密切关系 电磁学与科学技术的关系主要体现在：电磁学与科学技术的关系主要体现在：1.电能易转化和远距离输送（方便电能易转化和远距离输送（方便）2.电磁仪表灵敏度高（便于测量）电磁仪表灵敏度高（便于测量）3.电磁波传播迅速（通讯）电磁波传播迅速（通讯）4.物质微观结构基础物质微观
18、结构基础（与材料、物质科学密切相关）（与材料、物质科学密切相关）量子力学结合电磁学。研究材料性能必然涉及微观电磁结构。量子力学结合电磁学。研究材料性能必然涉及微观电磁结构。带电系统带电系统大自然的一个奥妙大自然的一个奥妙平方反比定平方反比定律律122m mFGr万有引力万有引力 宇宙中天体的运行（地球上物体的重力）受引力宇宙中天体的运行（地球上物体的重力）受引力平方反比定律支配。是保守力、有心力，机械能守恒、平方反比定律支配。是保守力、有心力，机械能守恒、角动量守恒成立。角动量守恒成立。如果不是如果不是平方平方反比，如果是反比，如果是3次方反比呢？宇宙还次方反比呢？宇宙还会是现在的摸样吗？卫星
19、、航天器还会稳定地运行吗？会是现在的摸样吗？卫星、航天器还会稳定地运行吗？想一想！想一想！122q qFkr奇特的是：奇特的是：电相互作用遵循的库仑定律也是电相互作用遵循的库仑定律也是平方反比定律平方反比定律：磁相互作用遵循的规律也是磁相互作用遵循的规律也是平方反比定律平方反比定律以上是电磁学中最基本的实验规律？以上是电磁学中最基本的实验规律？由由以上基本的实验规律可以分别得到电的、磁的环以上基本的实验规律可以分别得到电的、磁的环流定理和高斯定理，加上法拉第定律流定理和高斯定理，加上法拉第定律（是磁的环流定理（是磁的环流定理的一部分）。引进电、磁场的概念后，又得到麦克斯韦的一部分）。引进电、磁
20、场的概念后，又得到麦克斯韦方程组。方程组。01 124qrBr22FqB 如果不是平方反比？是其他次方反比或别的形式？如果不是平方反比？是其他次方反比或别的形式？现在形式的高斯定理和环流定理就不存在（推导高斯现在形式的高斯定理和环流定理就不存在（推导高斯定理时，正好是平方反比，能约掉一些东西），就没定理时，正好是平方反比，能约掉一些东西），就没有麦克斯韦方程组。有麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组的意义在于预言电磁波的存在且麦克斯韦方程组的意义在于预言电磁波的存在且电磁波传播速度是光速。电磁波传播速度是光速。试问：如果没有电磁平方反比定律，电磁光能统一试问：如果没有电磁平方反比定律，电磁光能统一吗
21、？还有现代通信技术吗？还有电视台、电视机、收音吗？还有现代通信技术吗？还有电视台、电视机、收音机、手机等通信手段吗？机、手机等通信手段吗？物理知识的重要可见一斑！物理知识的重要可见一斑！想一想想一想！为什么宇宙中引力、电磁力都一样遵守平方反比定为什么宇宙中引力、电磁力都一样遵守平方反比定律呢？它们有内在联系吗？能统一吗？是否在本质上属律呢？它们有内在联系吗？能统一吗？是否在本质上属于一种力呢？于一种力呢？宇宙中物质相互作用归纳起来有四种，宇宙中物质相互作用归纳起来有四种，引力相互作引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。弱电相用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。弱电相互作用已
22、经统一。互作用已经统一。实际上在宇宙诞生初期，四种相互作实际上在宇宙诞生初期，四种相互作用是统一的，宇宙是混沌的。后来逐渐分化为四种相互用是统一的，宇宙是混沌的。后来逐渐分化为四种相互作用，以后出现各种基本粒子、原子、分子、组成天体、作用，以后出现各种基本粒子、原子、分子、组成天体、宇宙演变成现在状态，我们生存的地球呈现出千姿百态宇宙演变成现在状态，我们生存的地球呈现出千姿百态的景象。的景象。想一想想一想！爱因斯坦相信四种相互作用爱因斯坦相信四种相互作用能统一能统一大统一理论。大大统一理论。大统一理统一理论是物理学家追求的一个目标！论是物理学家追求的一个目标！电磁学理论建立在三大实验定律基础之
23、上。三大电磁学理论建立在三大实验定律基础之上。三大实验定律是库伦定律、毕奥实验定律是库伦定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第定律。萨伐尔定律、法拉第定律。由此得出电场高斯定理、磁场高斯定理。最后是麦克由此得出电场高斯定理、磁场高斯定理。最后是麦克斯韦方程组。斯韦方程组。学习电磁学的大框架。学习电磁学的大框架。电磁学的主线条电磁学的主线条 1.基本电现象、库仑定律基本电现象、库仑定律电场概念及其描述电场概念及其描述（电场强度、电势及计算）（电场强度、电势及计算）电场性质（高斯定理、电场性质（高斯定理、环流定理及其应用）环流定理及其应用）电场与物质相互作用规律电场与物质相互作用规律（导体、电介质）（导体
24、、电介质）电场和非静电场作用下导体中电场和非静电场作用下导体中的电流及其规律。的电流及其规律。2.基本磁现象基本磁现象磁场概念及描述（磁感应强度磁场概念及描述（磁感应强度及计算、毕奥萨伐尔定律）及计算、毕奥萨伐尔定律）磁场性质（高斯定磁场性质（高斯定理、环流定理及应用）理、环流定理及应用）磁场对电流、运动电荷磁场对电流、运动电荷的作用的作用磁场与物质相互作用（磁介质）。磁场与物质相互作用（磁介质）。3.法拉第定律法拉第定律感应电动势及本质、感生电场感应电动势及本质、感生电场静电场、稳恒磁场、变化的电磁场高斯定理和环静电场、稳恒磁场、变化的电磁场高斯定理和环流定理流定理 麦克斯韦方程麦克斯韦方程
25、电磁学理论体系。电磁学理论体系。第一章第一章 静电场的基本规律静电场的基本规律本章学习思路本章学习思路 1、什么是电荷、带电体；电荷有何性质；带电体之间的作、什么是电荷、带电体；电荷有何性质；带电体之间的作用遵守什么规律（与万有引力作用有何相似之处）；电相互作用遵守什么规律（与万有引力作用有何相似之处）；电相互作用通过什么传递；用通过什么传递；2、电场有何性质，如何描述电场（电场看不见，从什么角、电场有何性质，如何描述电场（电场看不见，从什么角度描述）。度描述）。反映电场性质的基本数学定理？（两个定理）反映电场性质的基本数学定理？（两个定理）3、两个描述电场的基本物理量、两个描述电场的基本物理
26、量场强、电势。场强、电势。场强、电势图示法场强、电势图示法 场强、电势的基本计算方法如何？场强、电势的基本计算方法如何？1-1 静电场基本现象和基本实验规律静电场基本现象和基本实验规律一、电荷及基本性质一、电荷及基本性质 很久以前，人们发现两种不同材料摩檫后，可以吸很久以前，人们发现两种不同材料摩檫后，可以吸引轻小物体（如纸屑、毛发等）。引轻小物体（如纸屑、毛发等）。物体具有这种吸引轻物体具有这种吸引轻小物体的性质，就说它小物体的性质，就说它“带了电带了电”或或“有了电荷有了电荷”，带，带电的物体叫电的物体叫带电体（电荷）带电体（电荷）使物体带电叫使物体带电叫起电起电，如摩檫起电、感应起电。研
27、究，如摩檫起电、感应起电。研究发现，电荷有如下性质：发现，电荷有如下性质：1、电荷两种，、电荷两种，+同斥异吸同斥异吸+历史上规定：玻璃棒被丝绸摩擦带历史上规定：玻璃棒被丝绸摩擦带“+”电，被毛皮电，被毛皮摩擦带摩擦带“”电。带电多少电。带电多少电量电量 Q或或q 单位单位C2、电荷量子化电荷量子化 实验证明，宏观物体带电本质是微观带电粒子的转实验证明，宏观物体带电本质是微观带电粒子的转移，带电种类源于微观粒子电荷种类。移，带电种类源于微观粒子电荷种类。物质物质分子分子原子原子 现代物理证明：现代物理证明：原子核原子核核外电子核外电子质子质子中子中子()e()e 质子、电子质子、电子电荷携带者
28、电荷携带者，自然界还有反质子，自然界还有反质子和正电子。和正电子。如果规定相反？如果规定相反？反物质？反物质？1911.602 10eC密里根密里根1913年测出年测出（油滴实验）：（油滴实验）：,QneQne 任何带电体任何带电体 电量是最小单元电量是最小单元 的整数倍的整数倍e电荷的变化是不连续的电荷的变化是不连续的,(0)Qe ne 当，视为连续视为连续12,33ee理论上预言存在分数电荷：理论上预言存在分数电荷：至今未发现。至今未发现。正常情况下，物体任何宏观小部分显中性正常情况下，物体任何宏观小部分显中性巧妙的测量方法巧妙的测量方法！（物理实验）（物理实验）3、电荷守恒、电荷守恒 实
29、验证明：在一个与外界无电荷交换的系统内，实验证明：在一个与外界无电荷交换的系统内，正负电荷代数和在任何物理过程中保持不变。正负电荷代数和在任何物理过程中保持不变。电荷守恒定电荷守恒定律律4、相对论不变性、相对论不变性 实验证明：在不同参照系中观察，同一电荷电量不实验证明：在不同参照系中观察，同一电荷电量不变。变。二、库仑定律二、库仑定律 库仑定律库仑定律是电磁学的一条基本实验定律，与是电磁学的一条基本实验定律，与毕奥毕奥萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律一道构成了电磁学理一道构成了电磁学理论的实验基础。电磁学理论体系在此基础上形成。论的实验基础。电磁学理论体系在此基础
30、上形成。1785年，法国的库仑通过实验总结了两年，法国的库仑通过实验总结了两点电荷点电荷之之间的作用力公式间的作用力公式库仑定律库仑定律。点电荷点电荷理想模型理想模型 即电荷集中于一点的带电体。即电荷集中于一点的带电体。当一个带电体的线度相对于它到其它带电体的距离当一个带电体的线度相对于它到其它带电体的距离而言，足够小时，其形状大小对相互作用力的影响可而言，足够小时，其形状大小对相互作用力的影响可以忽略不计时，可以视为点电荷。目的是使问题简化。以忽略不计时，可以视为点电荷。目的是使问题简化。类似于质点模型。类似于质点模型。18世纪中叶以后，人们着手研究电荷之间的相互世纪中叶以后，人们着手研究电
31、荷之间的相互作用力的定量规律，最先研究的是静止电荷之间的作作用力的定量规律，最先研究的是静止电荷之间的作用力。研究静止电荷之间相互作用的理论叫用力。研究静止电荷之间相互作用的理论叫静电学静电学。库仑定律表述：库仑定律表述：自由空间中两个静止点电荷之间的作用力（斥力自由空间中两个静止点电荷之间的作用力（斥力或吸力，称库仑力）与它们的电量成正比，与它们或吸力，称库仑力）与它们的电量成正比，与它们之间的距离成反比，方向沿着它们的连线。之间的距离成反比，方向沿着它们的连线。库仑力库仑力大小大小：12122204q qq qFkrr8229 10()kNm CSI 122208.85 10/CNm方向方
32、向：连线，同斥异吸：连线，同斥异吸12122204q qq qFkrr方向：连线，同斥异吸方向：连线，同斥异吸矢量公式：1212121212212300,44q qq qFrrFrr同理1221FF、可以统一表示为12204q qFrr rrF2q1qrrF2q1q012q q12204q qFrr rrF2q1qrrF2q1q0,12q q/()Fr引力0,12q q/()Fr斥力r2q1qrF012q q012q q三、静电力叠加原理三、静电力叠加原理 库仑定律是两个点电荷之间的作用力规律。当空库仑定律是两个点电荷之间的作用力规律。当空间存在多个电荷时，其中间存在多个电荷时，其中两个电荷之
33、间的作用力是否两个电荷之间的作用力是否会受另外其它电荷的影响呢会受另外其它电荷的影响呢？实验表明：实验表明：两个点电荷间的作用力将不受第三个两个点电荷间的作用力将不受第三个电荷的影响。作用于某点电荷的总静电力等于其它电电荷的影响。作用于某点电荷的总静电力等于其它电荷单独存在时作用于该电荷的矢量和。荷单独存在时作用于该电荷的矢量和。静电力叠加原理（静电力叠加原理（独立于库仑定律之外）独立于库仑定律之外）F1F2F1q2qq1q2qiqnq1F2FiFnFq11120 12,4q qFrrF同理 12FFF1r2rFiiFF推广推广：电荷或带电体之电荷或带电体之间的相互作用力是间的相互作用力是如何
34、传递的？如何传递的？rrF2q1qrrF2q1q 1-2 静电场及其描述静电场及其描述一、电场的概念一、电场的概念 在非接触的两电荷间的作用力是如何传递的呢？在非接触的两电荷间的作用力是如何传递的呢？日常中，手推车、马拉车、两物体摩擦都有接触。日常中，手推车、马拉车、两物体摩擦都有接触。宏观上，弹性力、摩擦力都是接触力。这种力的作用宏观上，弹性力、摩擦力都是接触力。这种力的作用叫叫“接触作用接触作用”或或“近距作用近距作用”而电磁力、重力不需要接触能够发生。这种宏观而电磁力、重力不需要接触能够发生。这种宏观非接触力如何发生？历史上有过两种观点：非接触力如何发生？历史上有过两种观点：“超距作用观
35、超距作用观”无需媒质、时间，直接作用无需媒质、时间，直接作用 “近距作用观近距作用观”通过媒质通过媒质“以太以太”传递（以太绝传递（以太绝对静止，无处不在）对静止，无处不在）现代物理证明：上述两种观点都错。电磁力传递现代物理证明：上述两种观点都错。电磁力传递快（以光速快（以光速 传递），并非不需要时间，传递），并非不需要时间，“以以太太”也不存在。也不存在。83 10/m s 电磁力是通过电磁力是通过“场场”来传递的（实际上媒介是光来传递的（实际上媒介是光子子电磁场的量子）电磁场的量子）电荷电荷电荷电荷电场电场 电场是存在于电荷周围的一种特殊物质。电场是存在于电荷周围的一种特殊物质。对引入对引
36、入场中的其它电荷以作用。虽与实物（电子、质子、中场中的其它电荷以作用。虽与实物（电子、质子、中子构成的物质）不同，却是一种物质形态。子构成的物质）不同，却是一种物质形态。物质性物质性表现在：表现在：（1）具有能量、质量、动量，且）具有能量、质量、动量，且在场中过程，能量、质量、动量守恒。（在场中过程，能量、质量、动量守恒。（2）与实物可）与实物可以转换，如以转换，如,ee 与实物有别与实物有别：实物具有不可入性实物具有不可入性场可以叠加，可以同时占据同一空间场可以叠加，可以同时占据同一空间静电场静电场相对于观察者静止的电荷产生的电场相对于观察者静止的电荷产生的电场如何描述电场及其性质？如何描述
37、电场及其性质？电场的主要表现：电场的主要表现：（1）对引入场中的带电体有作用力（）对引入场中的带电体有作用力（力的性质力的性质）（2）对在场中移动的带电体做功（）对在场中移动的带电体做功（能量的性质能量的性质）本章将从本章将从力和能量的角度力和能量的角度分别对静电场进行定量描分别对静电场进行定量描述与研究，从而引进述与研究，从而引进电场强度和电势电场强度和电势两个重要的物理量。两个重要的物理量。二、电场强度（从力的角度描述电场）二、电场强度（从力的角度描述电场）现用试探电荷现用试探电荷 在场中的受力情况研究各点场的在场中的受力情况研究各点场的性质。为保证测量准确，性质。为保证测量准确，须须满足
38、两个条件满足两个条件：0q0q（1）数值足够小，不影响原有电荷分布。数值足够小，不影响原有电荷分布。0q（2）线度足够小，能反映线度足够小，能反映某点某点的场的性质。的场的性质。0q 试验结果试验结果：00,FFqqq0恒量 与 无关（1）某点）某点（2）不同点）不同点F不同，不同，0Fq不同（反映了场中各点力的性质）（反映了场中各点力的性质）定义：定义：0FEq称为称为电场强度电场强度即单位正电荷所即单位正电荷所受的电场力（受的电场力（N/C,V/m)注意：注意：000,0,/0,/(-),EqQFq E qFEqFEEEE x y z0客观存在,与 无关,只与 有关，是空间矢量点函数 数值
39、应足够小，否则数值应足够小，否则0q0FEq例如：带电金属球例如：带电金属球EF0q不足够小不足够小0q0FEq1qnq2qiq?E 空间存在多个空间存在多个带电体，某点的电带电体，某点的电场强度如何计算？场强度如何计算？三、电场强度叠加原理三、电场强度叠加原理iiFF根据电场力叠加原理00iiiiFFEEqq得1qnqiE1Eir2qiqnEE0q n个点电荷产生的电场中某点的电场强度等于每个点电荷产生的电场中某点的电场强度等于每个电荷单独存在时在该点所产生的电场强度的矢量和。个电荷单独存在时在该点所产生的电场强度的矢量和。电场强度叠加原理电场强度叠加原理四、电场强度计算基本方法（叠加法）四
40、、电场强度计算基本方法（叠加法）1、点电荷电场强度、点电荷电场强度0qqFrrEE0204qqFrr由库伦定律由库伦定律2004FqErqr,00,.rErE ；/(0)/()(0)Er qErq方向（基础）（基础）2、点电荷组电场强度、点电荷组电场强度204iiiiqErr204iiiiiiqEErr1qnqiE1Eir2qiqnEE 方法一方法一：多边形法则或多次：多边形法则或多次平行四边形法则。平行四边形法则。xyzi麻烦！麻烦！根据叠加原理：根据叠加原理：方法二方法二：正交投影分解合成：正交投影分解合成204iiiqErixEiiixyziEiyEizE123.xixxxxiEEEEE
41、,y z同理xyzEE iE jE k1qnqiE1Eir2qiqnEExyzicosixiiEE222xyzEEEEcosxEExyzEE iE jE kcosyEEcoszEExExyzEyEzE1qnqiEir2qiqExziyxEyEixEiyE3、连续带电体电场强度、连续带电体电场强度xyz,iq dq,iE dExdEirr 视为视为无限多无限多点电荷点电荷 组成。组成。iqiqdqdq元电荷1limniniEE210lim4niiniiqrr204dqEdErr即 20coscos4cosxyzdEdEdqdEdEdErdEdE“点电荷组点电荷组”204iiiiiiqEErr对对
42、 照照xixiEE204dqEdErr20cos4xdqdEdEdErxxEdE20cos4iiixiiqEEEr点电荷组点电荷组连续带电体连续带电体xExyzEyEzExyzEE iE jE kcosxEE xyz,iq dq,iE dExdEirr20coscos4cosxyzdEdEdqdEdEdErdEdExxEdEyyEdEzzEdEcosyEE coszEE 五、由五、由 分布求带电体在电场中的受力分布求带电体在电场中的受力E点电荷点电荷FqE连续带电体连续带电体 EdFdqxyzdFEdq,xxxxdFE dq FE dqxyzFF iF jF kFEdq,y z同理六、电场图示
43、法（形象描述）六、电场图示法（形象描述）电力线电力线(,),EE x y z由可知可知 空间分布，但不直观空间分布，但不直观E 为了直观地反映空间各点的为了直观地反映空间各点的 大小和方向，引入大小和方向，引入电力线概念形象地描述电力线概念形象地描述 分布。分布。EE电力线绘制规则：电力线绘制规则：切向/,dNE EdS dSdNEdS几种典型的电力线：几种典型的电力线：正电荷正电荷负电荷负电荷等量异号平行带电板等量异号平行带电板 带电直线带电直线 电力线实验显示电力线实验显示等量同号电荷等量同号电荷 等量异号电荷等量异号电荷 电力线性质：电力线性质：（1）从正电荷（或无穷）从正电荷（或无穷远
44、）发出终止于负电荷（或远）发出终止于负电荷（或伸向无穷远）。伸向无穷远）。（2）在没有电荷存在的地方，）在没有电荷存在的地方，任何两电力线不相交（因为任任何两电力线不相交（因为任一点场强只有一个方向）。一点场强只有一个方向）。（3）电力线不闭合，不会在没有电荷的地方中断。）电力线不闭合，不会在没有电荷的地方中断。思考：电力线是电场强度方向，与电荷受力方思考：电力线是电场强度方向，与电荷受力方向平行。那么，电力线与电荷运动轨迹相同吗？向平行。那么，电力线与电荷运动轨迹相同吗？电力线切向是电场强度电力线切向是电场强度方向，在电场中运动的电荷方向，在电场中运动的电荷受力方向沿切向即加速度方受力方向沿
45、切向即加速度方向；向；运动轨迹的切向是速度运动轨迹的切向是速度方向。方向。E七、电偶极子问题七、电偶极子问题 电偶极子是一个特殊的点电荷组，也是一种理想模电偶极子是一个特殊的点电荷组，也是一种理想模型型 1、等量异号电荷系统的电场、等量异号电荷系统的电场rrQPOlqqEEEEQEPE22004()4()22PqqEllrr2202114()()22qrlrr延线延线P点点中中线上线上Q点：点：22220122cos24()44QqEEllrr223/204()4qllrrrQPOlqqEEEEQEPE22024()()22PqrlEllrr223/204()4QqlElr2、电偶极子、电偶极
46、子 rl当，3024PqlEr304QqlErpqlqqpql令pql两相距很近的等量异号电荷系统两相距很近的等量异号电荷系统pql叫电偶极矩电偶极矩。叫电偶极子电偶极子。（理想模型）理想模型）303302,414PQpErpEErr rrQPOlqqEEEEQEPEpqlqq3024PqlEr304QqlErrl（）QEPErrp任一点任一点E：qqp1p2pnrPrl（）33002 cossin44ppEnrrQEPErrp303302,414PQpErpEErr 1cospp2sinpp12ppp3、偶极子在外电场中的力矩、偶极子在外电场中的力矩pEFFdq0F sinsinMFdqEl
47、pEMpEpE使/q1-3 电场强度电场强度 、电场力、电场力 计算举例计算举例EF掌握基本掌握基本方法！方法！204qErr利用点电荷利用点电荷公式叠加公式叠加rqE（叠加法）（叠加法）204iiiiiiqEErr,cosxixixiiiEEEE1qnqiEir2qiqExziyxEyEixEiyE204iiqErr,y z同理xyzEE iE jE k204dqEdErrxxEdEcosxdEdE,y z同理xyzEE iE jE kxyz,iq dq,iE dExdEirr,xxxxdFE dq FE dqxyzFF iF jF k204qErrrqE利用点电荷利用点电荷公式叠加公式叠加
48、204dqdErr一、点电荷组一、点电荷组例题例题1：求右图中垂线上最大场强：求右图中垂线上最大场强qqr2axy解：22223/200cos0,24()2()xyqqrEEErara223/202,0,2()2yqrdEEE jjraradr max203qEa204iiiiiiqEErr,cosxixixiiiEEEExyEE iE jy,cosiyiyiiiEEEE例题例题2：求图中：求图中P点场强点场强aaqq2qxyPE222000cos452(1)4444(2)xqqqEaaa解：220002sin452(2)44442yqqqEaaaxyEE iE j202(2)44qja202
49、(1)44qia,cosxixixiiiEEEEy,cosiyiyiiiEEEErrqqqqqqqq?E 思考：二、连续带电体二、连续带电体204dqEdErrOdxydExdE例题例题1：右图，四分之一圆弧带：右图，四分之一圆弧带电电 ，半径，半径 ，求圆心处场强。，求圆心处场强。qqdq解：解：xxEdEcosxdEdEyyEdEcosydEdExyEE iE j204dqdErROdxydExdEqdq2/2dqddqq解：2222000coscos42xxdqqdEdERR 222200,22yqqERR 同理220()2qEijR 22022qER xxEdEcosxdEdEyyEd
50、EcosydEdExyEE iE j204dqdEr例题例题2：求均匀带电直线（电量：求均匀带电直线（电量 ）延长线上的场强）延长线上的场强qdxxLdPdE解：qdqqdqdxL2200011()444dLddqqdxqExx LL ddLxxEdE204dqdEr?E xydE12arldlPdqdl例题例题3：右图：右图 均匀带电直线（电荷线密度均匀带电直线（电荷线密度 ）求任一点求任一点 的场强。的场强。PxxEdEyyEdE204dldEr204dqdEr解：解：cosxdEdEsinydEdE20coscos4xdldEdEr20sinsin4ydldEdErdq204dldEr2
