高二物理競(jìng)賽課件：電荷及其相互作用

1第11章

靜電場(chǎng)2§11-4高斯定理§11-1電荷及其相互作用

第11章靜電場(chǎng)§11-2電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度§11-5靜電場(chǎng)的環(huán)路定理電勢(shì)能§11-3電力線電通量§10-6等勢(shì)面場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)的關(guān)系§10-7靜電場(chǎng)中的電偶極子3電磁學(xué)公元前500多年發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象。18世紀(jì)，電磁學(xué)迅速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了許多重要規(guī)律。19世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電和磁的相互聯(lián)系，電磁感應(yīng)、電磁場(chǎng)、電磁波等理論得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)，電磁學(xué)的應(yīng)用（電視、電話(huà)等）已成為人們生活不可缺少的一部分。當(dāng)前出現(xiàn)的新技術(shù)中，起帶頭作用的是在電磁學(xué)研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的微電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)。4§11-1電荷及其相互作用一、電荷(charge)電

你見(jiàn)過(guò)暴風(fēng)疾雨中的電閃雷鳴嗎？你在黑暗中見(jiàn)過(guò)脫下尼龍衣物放出的火花嗎？在干燥的地毯上行走時(shí)，遇到門(mén)把手是否有過(guò)觸電的感覺(jué)?在天氣干燥時(shí)用塑料梳子梳頭時(shí)，是否會(huì)發(fā)現(xiàn)梳子會(huì)吸引頭發(fā)，有時(shí)還會(huì)聽(tīng)到響聲？在你的生活中你還有哪些類(lèi)似的經(jīng)歷？56

關(guān)于自然界存在的電荷，我們了解哪些知識(shí)？1、自然界中存在正、負(fù)兩種電荷；電荷間具有相互作用：同性相斥、異性相吸

電荷的多少叫電荷量（用Q或q表示，單位：庫(kù)侖）用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶正電荷；用毛皮摩擦過(guò)的硬橡膠棒帶負(fù)電荷；中和……72）接觸起電3）感應(yīng)起電（導(dǎo)體）1）摩擦起電（絕緣體）2、使物體帶電的方式摩擦起電的原因：不同物質(zhì)的原子核束縛電子的能力不同；實(shí)質(zhì)：電子的轉(zhuǎn)移；起電的實(shí)質(zhì)：通過(guò)物理的或化學(xué)的力量，使物體中的正負(fù)電荷分開(kāi)，也就是將電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一物體。遵循規(guī)律：電荷守恒定律物理學(xué)重要的基本規(guī)律之一83、分立電荷（元電荷）1）密立根（R.A.millikan)用液滴法測(cè)定了電子電量，電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷,1986年的推薦值為：e

=1.60217733×10-19C

自然界中的微觀粒子有幾百種，其中帶電粒子所具有的電荷數(shù)均為+e或-e的整數(shù)倍。因此電荷量子化是普遍的量子化規(guī)律?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電荷量子化具有相當(dāng)高的精度，微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的，它只能是元電荷e

的整數(shù)倍,即粒子的電荷是量子化的：

Q=ne

元電荷是電荷量的單位,不是指某電荷，通?？扇∽鳎篹=1.60×10-19C9

近代物理中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子（如質(zhì)子、中子、介子等）是由夸克（quark）構(gòu)成的,夸克所帶電量為e的1/3或2/3。但是到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)以自由狀態(tài)存在的夸克。電量的最小單元不排除會(huì)有新的結(jié)論，但是電量量子化的基本規(guī)律是不會(huì)變的。2）比荷：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做比荷(Q/m)電子的比荷為：e/me=1.6×10-19/0.91×10-31=1.76×1011C/kg3）在相對(duì)論中物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)隨其運(yùn)動(dòng)速率而變化，但是實(shí)驗(yàn)證明一切帶電體的電量不因其運(yùn)動(dòng)而改變，電荷是相對(duì)論性不變量。10小結(jié)：（1）兩種電荷：自然界中存在著兩種電荷，它們分別為_(kāi)________和___________，用___________摩擦過(guò)的__________上帶的電荷叫負(fù)電荷；用__________摩擦過(guò)的_______上帶的電荷叫正電荷。（2）同種電荷互相_______，異種電荷互相________。（3）電荷量：電荷量是指___________________。單位是_____簡(jiǎn)稱(chēng)______，符號(hào)是_________。物體不帶電實(shí)質(zhì)是______________；物體帶電實(shí)質(zhì)是_____________。（4）元電荷：電子所帶電荷量e＝1.60X10-19C，實(shí)驗(yàn)表明：所有帶電體的電荷量均為_(kāi)___e或是____e的________，因此___稱(chēng)為元電荷。正電荷負(fù)電荷毛皮硬橡膠棒絲綢玻璃棒排斥吸引帶電物體所帶電荷的多少庫(kù)侖庫(kù)C正負(fù)電荷平衡正負(fù)電荷被分開(kāi)+-整數(shù)倍e11在近代物理中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子(如質(zhì)子、中子、介子等)是由夸克(quark)構(gòu)成的，夸克所帶電量為e的1/3或2/3。但是到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)以自由狀態(tài)存在的夸克。電量的最小單元不排除會(huì)有新的結(jié)論，但是電量量子化的基本規(guī)律是不會(huì)變的。在相對(duì)論中物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)隨其運(yùn)動(dòng)速率而變化，但是實(shí)驗(yàn)證明一切帶電體的電量不因其運(yùn)動(dòng)而改變.了解：自然界中的微觀粒子有幾百種,其中帶電粒子所具有的電荷數(shù)均為+e或-e的整數(shù)倍。因此電荷量子化是普遍的量子化規(guī)律?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電荷量子化具有相當(dāng)高的精度。電荷守恒定律：大量實(shí)驗(yàn)證明，在一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過(guò)程中始終保持不變，這叫電荷守恒定律，是物理學(xué)的重要規(guī)律之一。12例：有兩個(gè)完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B，分別帶有電量QA=6.4×10-9C，QB=-3.2×10-9C，讓兩絕緣金屬小球接觸，在接觸過(guò)程中，電子如何轉(zhuǎn)移?轉(zhuǎn)移了多少？分析：B帶負(fù)電荷，A帶正電荷，二者接觸后都將會(huì)帶(6.4-3.2)/2×10-9C=1.6×10-9C的正電荷。結(jié)果：電子從B轉(zhuǎn)移到A，轉(zhuǎn)移電子的電荷量為4.8×10-9C，電子的數(shù)量為3×1010個(gè)。13問(wèn)題：你認(rèn)為電荷間的相互作用力可能跟哪些因素有關(guān)呢？猜想與萬(wàn)有引力定律比較設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（思想、方法、過(guò)程）影響兩點(diǎn)電荷間作用力的可能因素：距離和電荷量。電量越大，距離越近，作用力就越大；反之電量越小，距離越遠(yuǎn)，作用力就越小。作用力的方向，可用同種電荷相斥，異種電荷相吸的規(guī)律確定。（與萬(wàn)有引力定律的比較。）14二、庫(kù)侖定律(Coulomblaw)

在真空中相對(duì)于觀察者靜止的兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力的大小與它們所帶電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，方向沿兩電荷的連線,同號(hào)相斥，異號(hào)相吸。

庫(kù)侖力滿(mǎn)足牛頓第三定律其中為q1

指向q2

的矢量設(shè)q2

受到q1

的作用力為F12

則：當(dāng)q2

與q1

異號(hào)時(shí)，F(xiàn)12

與r12方向相反15關(guān)于點(diǎn)電荷：(2)為了克服上述影響，引進(jìn)點(diǎn)電荷的概念。和質(zhì)點(diǎn)、剛體等一樣，它是一個(gè)理想化的物理模型，實(shí)際上是不存在的．(3)實(shí)際的帶電體在本身的大小跟帶電體間的距離相比小得多時(shí)可看做是點(diǎn)電荷．注意：是否可將帶電體看做點(diǎn)電荷不是看它本身的尺寸大?。疀](méi)有大小的帶電體。討論：(1)帶電體的大小、形狀以及帶電體上電荷分布影響它們之間的相互作用．(4)有時(shí)不能把一個(gè)帶電體看成點(diǎn)電荷，但總可以看成許多點(diǎn)電荷的集合體，仍然可以利用點(diǎn)電荷所服從的規(guī)律來(lái)解決問(wèn)題．16是國(guó)際單位制中的比例系數(shù)稱(chēng)為真空電容率或真空介電常量。

自然界存在四種力：強(qiáng)力、弱力、電磁力和萬(wàn)有引力，把10-15m的尺度上兩個(gè)質(zhì)子間的強(qiáng)力的強(qiáng)度規(guī)定為1，其它各力的強(qiáng)度是：電磁力為10-2，弱力為10-9，萬(wàn)有引力為10-39。在原子、分子的構(gòu)成以及固體和液體的凝聚等方面，庫(kù)侖力都起著主要的作用。這個(gè)定律首先是由庫(kù)侖于1785年從實(shí)驗(yàn)中確定的，它是現(xiàn)代電磁學(xué)的起始和基礎(chǔ)。17例1：三個(gè)點(diǎn)電荷q1=q2=2.0×10-6C,Q=4.0×10-6C，求q1

和q2

對(duì)Q的作用力。解：

q1

和q2對(duì)Q的作用力的方向雖然不同，但大小相等：由對(duì)稱(chēng)性可以看出兩個(gè)力在y方向的分力大小相等，方向相反而相互抵消，Q僅受沿x方向的作用力：q1q2Qyxor1rθFxF1F2Fy18【例2】半徑為R的兩個(gè)較大金屬球放在絕緣桌面上，若兩球都帶等量同種電荷Q時(shí)相互之間的庫(kù)侖力為F1，兩球帶等量異種電荷Q與-Q時(shí)庫(kù)侖力為F2，則()A.F1>F2B.F1<F2C.F1=F2D.無(wú)法確定討論：因?yàn)閮蓚€(gè)金屬球較大，相距較近，電荷間的相互作用力使電荷分布不均勻，不能簡(jiǎn)單地看成點(diǎn)電荷。帶同種電荷時(shí)，兩球的電荷在較遠(yuǎn)處分布得多一些，帶異種電荷時(shí)，在較近處分布得多一些，可見(jiàn)帶同種電荷時(shí)兩球電荷中心距離大于帶異種電荷時(shí)電荷中心間距離。B所以有F1<F2。19【例3】

：如圖所示，等邊三角形ABC，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，在頂點(diǎn)A、B處有等量異性點(diǎn)電荷QA,QB,QA=+Q,QB=-Q，求在頂點(diǎn)C處的點(diǎn)電荷QC所受的靜電力。

20【例4】

A、B兩個(gè)點(diǎn)電荷電量分別為＋Q和＋q，放在光滑絕緣水平面上，A、B之間用絕緣的輕彈簧連接。當(dāng)平衡時(shí)，彈簧的伸長(zhǎng)量為x0。若彈簧發(fā)生的是彈性形變，則()A.保持Q不變，將q變?yōu)?q，平衡時(shí)彈簧的伸長(zhǎng)量等于2x0B.保持q不變，將Q變?yōu)?Q，平衡時(shí)彈簧的伸長(zhǎng)量小于2x0C.保持Q不變，將q變?yōu)?q，平衡時(shí)彈簧的縮短量等于x0D.保持q不變，將Q變?yōu)?Q，平衡時(shí)彈簧的縮短