研究電荷,電流產生電場,磁場的規律, 電場和磁場相互聯絡; 電磁場對電荷,電流的作用,電磁場對物質的各種效應; 電磁波的產生與傳播. 電磁場是一種特殊的物質 物質的電結構是物質的基本組成形式; 電磁場是物質世界的重要組成部分; 電磁作用是物質的基本相互作用. 研究電磁運動現象及其規律 電磁學的應用 滲透到物理學的各個領域; 研究化學,生物學的重要基礎; 科學技術的理論基石. 力學,聲學,光學,固體物理,半導體物理,光電子學,鐳射物理,量子物理,地球物理,天體物理 …… 電化學,量子化學,生物電,參量探測…… 電機,電器,電氣,通訊,雷達,電腦,電測…… 電磁學概述 大量實驗事實表明,物體間的相互作用不是超距作用,而是由場傳遞的.電磁力就是由電磁場傳遞的.正是場與實物間的相互作用,才導致實物間的相互作用.電磁學:研究物質間電磁相互作用,研究電磁場的產生,變化和運動的規律. 關於電磁現象的觀察記錄 公元前約585年希臘學者泰勒斯觀察到用布摩擦過的琥珀能吸引輕微物體."電"(electricity)這個詞就是來源於希臘文琥珀. 中國,戰國時期《韓非子》中有關"司南" 的記載;《呂氏春秋》中有關"慈石召鐵"的記載東漢時期王充所著《論衡》一書記有"頓牟綴芥,磁石引針"字句 電和磁現象的系統研究 英國威廉·吉爾伯特在1600年出版的《論磁,磁體和地球作為一個巨大的磁體》一書中描述了對電現象所做的研究,把琥珀,金剛石,藍寶石,硫磺,樹脂等物質摩擦後會吸引輕小物體的作用稱為"電性",也正是他創造了"電"這個詞.吉爾伯特第一次明確區分了以前常被人混在一起的電和磁這兩種吸引.他指出這兩種吸引之間有深刻的差異. 電磁現象的定量研究 從1785年庫侖定律的建立開始,其後透過泊松,高斯等人的研究形成了靜電場(以及靜磁場)的(超距作用)理論.伽伐尼於1786年發現了電流,後經伏特,歐姆,法拉第等人發現了關於電流的定律.1820年奧斯特發現了電流的磁效應,一兩年內,畢奧,薩伐爾,安培,拉普拉斯等作了進一步定量的研究.1831年法拉第發現了有名的電磁感應現象,並提出了場和力線的概念,進一步揭示了電與磁的聯絡.在這樣的基礎上,麥克斯韋集前人之大成,再加上他極富創見的關於感應電場和位移電流的假說,建立了以一套方程組為基礎的完整的宏觀的電磁場理論. 電磁學內容按性質來分,主要包括"場"和"路"兩部分.大學物理偏重於從"場"的觀點來進行闡述."場"不同於實物物質,它具有空間分佈,但同樣具有質量,能量和動量,對向量場(包括靜電場和磁場)的描述通常用到"通量"和"環流"兩個概念及相應的通量定理和環路定理. 靜電場 相對於觀察者靜止的電荷所激發的電場. 第一節 電荷的量子化 電荷守恆定律 電荷的種類(極性) 1. 帶電 用摩擦或其它方法可使物體帶電. 2. 電荷的概念 把帶電體所帶的電稱為電荷. 3. 正電荷和負電荷 電荷有兩種:正電,負電.1750年,美國物理學家 富蘭克林(B.FrankLin)首先命名. 同性電荷相斥,異性電荷相吸. 帶電體所帶電荷的多少叫電量.單位:庫侖(C). 4. 物質的電結構理論 物質由原子組成,原子由原子核和核外電子組成,原子核又由中子和質子組成.中子不帶電,質子帶正電,電子帶負電.質子數和中子數相等,原子呈電中性.電荷是實物粒子的一種屬性,它描述了實物粒子的電性質. 物體帶電的本質是兩種物體間發生了電子的轉移.即一物體失去電子帶正電,另一物體得到電子帶負電. 二,電荷的量子性 1. 實驗證明,在自然界中,電荷總是以一個基本單元的整數倍出現, 即 n為1,2,3,…… 2. 電荷的這種只能取分立的,不連續量值的特性叫做電荷的量子性. 3. 電荷的基本單元就是一個電子所帶電量的絕對值—. 1890年斯通尼引入了"電子"(electron)這一名稱來表示帶有負的基元電荷的粒子. 1913年密立根設計了有名的油滴試驗,直接測定了此基元電荷的量值. 許多基本粒子都帶有正的或負的基元電荷.微觀粒子所帶的基元電荷數常叫做它們各自的電荷數,都是正整數或負整數. 近代物理從理論上預言基本粒子由若干種夸克或反夸克組成,每一個夸克或反夸克帶有或的電量.至今尚未從實驗中直接發現單獨存在的夸克或反夸克,僅在一些間接的實驗中得到驗證. 三,電荷守恆定律 由摩擦生電的實驗可見,當一種電荷出現時,必然有相等量值的異號電荷同時出現;一種電荷消失時,必然有相等量值的異號電荷同時消失.因此,在孤立系統中,不管其中的電荷如何遷移,系統的電荷的代數和保持不變——電荷守恆定律. 現代物理研究已表明,在粒子的相互作用過程中,電荷是可以產生和消失的.然而電荷守恆並未因此而遭到破壞. 例如,電子對的"產生" 電子對的"湮滅" 四,電荷的運動不變性 一個電荷的電量與它的運動狀態無關,即系統所帶電荷與參考系的選取無關. 第二節 庫侖定律 一,點電荷的概念 當一個帶電體本身的線度比所研究的問題中所涉及的距離小得多時,該帶電體的形狀與電荷在其上的分佈狀況均無關緊要,該帶電體就可看作為一個帶電的點,叫做點電荷. 二,庫侖定律 1. 表述 在真空中,兩個靜止的點電荷之間的相互作用力,其大小與它們電荷的乘積成正比,與它們之間距離的二次方成反比;作用力的方向沿著兩點電荷的連線,同號電荷相斥,異號電荷相吸. 2. 表示式 其中 稱為真空電容率. 說明: (1)在庫侖定律表示式中引入真空電容率和"4π"因子的作法,稱為單位制的有理化. (2)從式子可見,當和同號時,,即表現為排斥力;當和異號時,,即表現為吸引力.靜止電荷間的電作用力,又稱為庫侖力. (3)兩靜止點電荷之間的庫侖力遵守牛頓第三定律. (4)兩個以上的靜止的點電荷之間的作用力遵循電力的疊加原理:即兩個以上的點電荷對一個點電荷的作用力等於各個點電荷單獨存在時對該點電荷的作用力的向量和. (5)庫侖定律是直接由實驗總結出來的規律,它是靜電場理論的基礎,以它為基礎將匯出其他重要的電場方程. (6)庫侖定律為實驗定律,r 從廣大範圍內正確有效,且服從力的向量合成法則. 第三節 電場強度 引言:場的基本概念 按字義理解,所謂"場"是指某種物理量在空間的一種分佈.例如 溫度場, 速度場 而溫度和速度就稱為相應的場量. 標量場 向量場 均勻場 靜場 穩恆場 物理學中,"場"是指物質的一種特殊形態.實物和場是物質的兩種存在形態,它們具有不同的性質,特徵和不同的運動規律.場的物質性表現在場是一種客觀實在,不依賴人們的意識而存在著,為人們的意識所反映,而且與實物一樣,場也有質量,能量,動量和角動量. 實物是由原子分子組成的,一種實物佔據的空間,不能同時被其他實物所佔據,而場是一種瀰漫在空間的特殊物質,它遵從疊加性,即一種場佔據的空間,能為其他場同時佔有,互不發生影響.實物之間的各種相互作用總是透過各種場來傳遞的. 標量場的場量在空間各點只有大小,沒有方向.為描述場的整體分佈的特徵,通常採用等值面和等值線的方法.常常引入標量場的梯度. 向量場的場量在空間不同點上既可能有不同的量值也可能有不同的方向.為了描述向量場的性質,總是透過它的場線,通量和環流來進行研究的. 一,靜電場 1. 超距作用和近距作用(場的觀點) 2. 場論觀點(法拉第) 沒有物質,物體之間的相互作用是不可能發生的. 根據場論觀點: (1)特殊媒介物質—電場 (2)電場力 3. 靜電場 相對於觀察者靜止的電荷周圍所存在的場稱為靜電場(該電荷稱為場源電荷). (1)靜電場僅是電磁場的一種特殊形態. (2)電磁場與實物物質一樣具有質量,能量,動量等. (3)電磁場一經產生就能單獨存在,即使產生它的電荷已消失. (4)電磁場可同時在空間疊加. (5)場和實物雖然都是物質,但又有區別.是物質存在的兩種不同形式. (6)近代觀點:兩個點電荷是透過交換場量子而相互作用的,電磁場的場量子就是光子. 4. 靜電場的重要表現 引入電場的任何帶電體都將受到電場的作用力;當帶電體在電場中移動時,電場力將對帶電體作功. 二,電場強度 1. 如何描述電場對電荷的作用 引入試探電荷:是點電荷;所帶電量足夠小,以致在電場中不會影響原有的電場的分佈. 2. 實驗事實 (1)在場中不同點,受力的大小,方向均不同; (2)不同在場中確定點其受力的方向確定,大小與成正比; (3)比值/與無關,僅由電場本身的性質決定. 3. 定義電場強度(簡稱場強) 即電場強度定義為:電場中某點的電場強度在量值上等於放在該點的單位正試驗電荷所受的電場力,其方向與正試驗電荷受力方向一致. 4. 說明 (1)單位: (2)是空間座標的一個向量點函式,其方向與正試驗電荷所受力的方向相同. (3)在已知電場強度分佈的電場中,電荷在場中某點處所受的力為. 三,點電荷電場強度 根據庫侖定律,有 從上式可得出結論: 當時,的方向與的方向相同; 當時,的方向與的方向相反. 在以為原點,r為半徑所作的球面上,各處的大小相等,方向沿徑矢,具有球對稱性.即真空中點電荷的電場是非均勻場,但具有對稱性. 四,電場強度疊加原理 1. 場強疊加原理 設場源由n 個點電荷q1,q2,…,qn組成,作用在場中某點P 處試驗電荷q0上的力為各點電荷所產生的力,,的向量和. 相應的合場強為: 即點電荷系在某點產生的場強,等於每一個點電荷單獨存在時在該點分別產生的場強的向量和,這就是場強疊加原理. 2. 連續分佈電荷電場的場強 任何帶電體都可以看成是許多電荷元的集合,在電場中任一場點P處,每一電荷元在P點產生的場強為 整個帶電體在P點的場強為: 實際帶電體的電荷連續分佈的具體形式大致有三種: (1)體分佈: (2)面分布: (3)線分佈: 五,電偶極子的電場強度 1. 幾個概念: (1)兩個電荷相等,符號相反,相距為的點電荷和,若場點P到這兩個點電荷的距離比大得多時,這兩個點電荷構成的電荷系稱為電偶極子. (2)從指向的向量稱為電偶極子的軸. (3)電偶極矩: 2. 電偶極子的電場強度 (1)電偶極子軸線延長線上一點的電場強度 (2)電偶極子軸線的中垂線上一點的電場強度
研究電荷,電流產生電場,磁場的規律, 電場和磁場相互聯絡; 電磁場對電荷,電流的作用,電磁場對物質的各種效應; 電磁波的產生與傳播. 電磁場是一種特殊的物質 物質的電結構是物質的基本組成形式; 電磁場是物質世界的重要組成部分; 電磁作用是物質的基本相互作用. 研究電磁運動現象及其規律 電磁學的應用 滲透到物理學的各個領域; 研究化學,生物學的重要基礎; 科學技術的理論基石. 力學,聲學,光學,固體物理,半導體物理,光電子學,鐳射物理,量子物理,地球物理,天體物理 …… 電化學,量子化學,生物電,參量探測…… 電機,電器,電氣,通訊,雷達,電腦,電測…… 電磁學概述 大量實驗事實表明,物體間的相互作用不是超距作用,而是由場傳遞的.電磁力就是由電磁場傳遞的.正是場與實物間的相互作用,才導致實物間的相互作用.電磁學:研究物質間電磁相互作用,研究電磁場的產生,變化和運動的規律. 關於電磁現象的觀察記錄 公元前約585年希臘學者泰勒斯觀察到用布摩擦過的琥珀能吸引輕微物體."電"(electricity)這個詞就是來源於希臘文琥珀. 中國,戰國時期《韓非子》中有關"司南" 的記載;《呂氏春秋》中有關"慈石召鐵"的記載東漢時期王充所著《論衡》一書記有"頓牟綴芥,磁石引針"字句 電和磁現象的系統研究 英國威廉·吉爾伯特在1600年出版的《論磁,磁體和地球作為一個巨大的磁體》一書中描述了對電現象所做的研究,把琥珀,金剛石,藍寶石,硫磺,樹脂等物質摩擦後會吸引輕小物體的作用稱為"電性",也正是他創造了"電"這個詞.吉爾伯特第一次明確區分了以前常被人混在一起的電和磁這兩種吸引.他指出這兩種吸引之間有深刻的差異. 電磁現象的定量研究 從1785年庫侖定律的建立開始,其後透過泊松,高斯等人的研究形成了靜電場(以及靜磁場)的(超距作用)理論.伽伐尼於1786年發現了電流,後經伏特,歐姆,法拉第等人發現了關於電流的定律.1820年奧斯特發現了電流的磁效應,一兩年內,畢奧,薩伐爾,安培,拉普拉斯等作了進一步定量的研究.1831年法拉第發現了有名的電磁感應現象,並提出了場和力線的概念,進一步揭示了電與磁的聯絡.在這樣的基礎上,麥克斯韋集前人之大成,再加上他極富創見的關於感應電場和位移電流的假說,建立了以一套方程組為基礎的完整的宏觀的電磁場理論. 電磁學內容按性質來分,主要包括"場"和"路"兩部分.大學物理偏重於從"場"的觀點來進行闡述."場"不同於實物物質,它具有空間分佈,但同樣具有質量,能量和動量,對向量場(包括靜電場和磁場)的描述通常用到"通量"和"環流"兩個概念及相應的通量定理和環路定理. 靜電場 相對於觀察者靜止的電荷所激發的電場. 第一節 電荷的量子化 電荷守恆定律 電荷的種類(極性) 1. 帶電 用摩擦或其它方法可使物體帶電. 2. 電荷的概念 把帶電體所帶的電稱為電荷. 3. 正電荷和負電荷 電荷有兩種:正電,負電.1750年,美國物理學家 富蘭克林(B.FrankLin)首先命名. 同性電荷相斥,異性電荷相吸. 帶電體所帶電荷的多少叫電量.單位:庫侖(C). 4. 物質的電結構理論 物質由原子組成,原子由原子核和核外電子組成,原子核又由中子和質子組成.中子不帶電,質子帶正電,電子帶負電.質子數和中子數相等,原子呈電中性.電荷是實物粒子的一種屬性,它描述了實物粒子的電性質. 物體帶電的本質是兩種物體間發生了電子的轉移.即一物體失去電子帶正電,另一物體得到電子帶負電. 二,電荷的量子性 1. 實驗證明,在自然界中,電荷總是以一個基本單元的整數倍出現, 即 n為1,2,3,…… 2. 電荷的這種只能取分立的,不連續量值的特性叫做電荷的量子性. 3. 電荷的基本單元就是一個電子所帶電量的絕對值—. 1890年斯通尼引入了"電子"(electron)這一名稱來表示帶有負的基元電荷的粒子. 1913年密立根設計了有名的油滴試驗,直接測定了此基元電荷的量值. 許多基本粒子都帶有正的或負的基元電荷.微觀粒子所帶的基元電荷數常叫做它們各自的電荷數,都是正整數或負整數. 近代物理從理論上預言基本粒子由若干種夸克或反夸克組成,每一個夸克或反夸克帶有或的電量.至今尚未從實驗中直接發現單獨存在的夸克或反夸克,僅在一些間接的實驗中得到驗證. 三,電荷守恆定律 由摩擦生電的實驗可見,當一種電荷出現時,必然有相等量值的異號電荷同時出現;一種電荷消失時,必然有相等量值的異號電荷同時消失.因此,在孤立系統中,不管其中的電荷如何遷移,系統的電荷的代數和保持不變——電荷守恆定律. 現代物理研究已表明,在粒子的相互作用過程中,電荷是可以產生和消失的.然而電荷守恆並未因此而遭到破壞. 例如,電子對的"產生" 電子對的"湮滅" 四,電荷的運動不變性 一個電荷的電量與它的運動狀態無關,即系統所帶電荷與參考系的選取無關. 第二節 庫侖定律 一,點電荷的概念 當一個帶電體本身的線度比所研究的問題中所涉及的距離小得多時,該帶電體的形狀與電荷在其上的分佈狀況均無關緊要,該帶電體就可看作為一個帶電的點,叫做點電荷. 二,庫侖定律 1. 表述 在真空中,兩個靜止的點電荷之間的相互作用力,其大小與它們電荷的乘積成正比,與它們之間距離的二次方成反比;作用力的方向沿著兩點電荷的連線,同號電荷相斥,異號電荷相吸. 2. 表示式 其中 稱為真空電容率. 說明: (1)在庫侖定律表示式中引入真空電容率和"4π"因子的作法,稱為單位制的有理化. (2)從式子可見,當和同號時,,即表現為排斥力;當和異號時,,即表現為吸引力.靜止電荷間的電作用力,又稱為庫侖力. (3)兩靜止點電荷之間的庫侖力遵守牛頓第三定律. (4)兩個以上的靜止的點電荷之間的作用力遵循電力的疊加原理:即兩個以上的點電荷對一個點電荷的作用力等於各個點電荷單獨存在時對該點電荷的作用力的向量和. (5)庫侖定律是直接由實驗總結出來的規律,它是靜電場理論的基礎,以它為基礎將匯出其他重要的電場方程. (6)庫侖定律為實驗定律,r 從廣大範圍內正確有效,且服從力的向量合成法則. 第三節 電場強度 引言:場的基本概念 按字義理解,所謂"場"是指某種物理量在空間的一種分佈.例如 溫度場, 速度場 而溫度和速度就稱為相應的場量. 標量場 向量場 均勻場 靜場 穩恆場 物理學中,"場"是指物質的一種特殊形態.實物和場是物質的兩種存在形態,它們具有不同的性質,特徵和不同的運動規律.場的物質性表現在場是一種客觀實在,不依賴人們的意識而存在著,為人們的意識所反映,而且與實物一樣,場也有質量,能量,動量和角動量. 實物是由原子分子組成的,一種實物佔據的空間,不能同時被其他實物所佔據,而場是一種瀰漫在空間的特殊物質,它遵從疊加性,即一種場佔據的空間,能為其他場同時佔有,互不發生影響.實物之間的各種相互作用總是透過各種場來傳遞的. 標量場的場量在空間各點只有大小,沒有方向.為描述場的整體分佈的特徵,通常採用等值面和等值線的方法.常常引入標量場的梯度. 向量場的場量在空間不同點上既可能有不同的量值也可能有不同的方向.為了描述向量場的性質,總是透過它的場線,通量和環流來進行研究的. 一,靜電場 1. 超距作用和近距作用(場的觀點) 2. 場論觀點(法拉第) 沒有物質,物體之間的相互作用是不可能發生的. 根據場論觀點: (1)特殊媒介物質—電場 (2)電場力 3. 靜電場 相對於觀察者靜止的電荷周圍所存在的場稱為靜電場(該電荷稱為場源電荷). (1)靜電場僅是電磁場的一種特殊形態. (2)電磁場與實物物質一樣具有質量,能量,動量等. (3)電磁場一經產生就能單獨存在,即使產生它的電荷已消失. (4)電磁場可同時在空間疊加. (5)場和實物雖然都是物質,但又有區別.是物質存在的兩種不同形式. (6)近代觀點:兩個點電荷是透過交換場量子而相互作用的,電磁場的場量子就是光子. 4. 靜電場的重要表現 引入電場的任何帶電體都將受到電場的作用力;當帶電體在電場中移動時,電場力將對帶電體作功. 二,電場強度 1. 如何描述電場對電荷的作用 引入試探電荷:是點電荷;所帶電量足夠小,以致在電場中不會影響原有的電場的分佈. 2. 實驗事實 (1)在場中不同點,受力的大小,方向均不同; (2)不同在場中確定點其受力的方向確定,大小與成正比; (3)比值/與無關,僅由電場本身的性質決定. 3. 定義電場強度(簡稱場強) 即電場強度定義為:電場中某點的電場強度在量值上等於放在該點的單位正試驗電荷所受的電場力,其方向與正試驗電荷受力方向一致. 4. 說明 (1)單位: (2)是空間座標的一個向量點函式,其方向與正試驗電荷所受力的方向相同. (3)在已知電場強度分佈的電場中,電荷在場中某點處所受的力為. 三,點電荷電場強度 根據庫侖定律,有 從上式可得出結論: 當時,的方向與的方向相同; 當時,的方向與的方向相反. 在以為原點,r為半徑所作的球面上,各處的大小相等,方向沿徑矢,具有球對稱性.即真空中點電荷的電場是非均勻場,但具有對稱性. 四,電場強度疊加原理 1. 場強疊加原理 設場源由n 個點電荷q1,q2,…,qn組成,作用在場中某點P 處試驗電荷q0上的力為各點電荷所產生的力,,的向量和. 相應的合場強為: 即點電荷系在某點產生的場強,等於每一個點電荷單獨存在時在該點分別產生的場強的向量和,這就是場強疊加原理. 2. 連續分佈電荷電場的場強 任何帶電體都可以看成是許多電荷元的集合,在電場中任一場點P處,每一電荷元在P點產生的場強為 整個帶電體在P點的場強為: 實際帶電體的電荷連續分佈的具體形式大致有三種: (1)體分佈: (2)面分布: (3)線分佈: 五,電偶極子的電場強度 1. 幾個概念: (1)兩個電荷相等,符號相反,相距為的點電荷和,若場點P到這兩個點電荷的距離比大得多時,這兩個點電荷構成的電荷系稱為電偶極子. (2)從指向的向量稱為電偶極子的軸. (3)電偶極矩: 2. 電偶極子的電場強度 (1)電偶極子軸線延長線上一點的電場強度 (2)電偶極子軸線的中垂線上一點的電場強度