高中物理 第1章 靜電場(chǎng) 第3節(jié) 電場(chǎng)及其描述 電場(chǎng)素材 魯科版選修3-1（通用）

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1、電場(chǎng)[electric field] 電場(chǎng)是電荷及變化磁場(chǎng)周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。電場(chǎng)這種物質(zhì)與通常的實(shí)物不同，它不是由分子原子所組成，但它是客觀存在的。電場(chǎng)具有通常物質(zhì)所具有的力和能量等客觀屬性。電場(chǎng)的力的性質(zhì)表現(xiàn)為：電場(chǎng)對(duì)放入其中的電荷有作用力，這種力稱為電場(chǎng)力。電場(chǎng)的能的性質(zhì)表現(xiàn)為：當(dāng)電荷在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電荷作功（這說明電場(chǎng)具有能量）。 靜止電荷在其周圍空間產(chǎn)生的電場(chǎng)，稱為靜電場(chǎng)；隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在其周圍空間激發(fā)的電場(chǎng)稱為有旋電場(chǎng)[1]（也稱感應(yīng)電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)）。靜電場(chǎng)是有源無旋場(chǎng)，電荷是場(chǎng)源；有旋電場(chǎng)是無源有旋場(chǎng)。普遍意義的電場(chǎng)則是靜電場(chǎng)和有旋電場(chǎng)兩者之和。 電場(chǎng)

2、是一個(gè)矢量場(chǎng)，其方向?yàn)檎姾傻氖芰Ψ较?。電?chǎng)的力的性質(zhì)用電場(chǎng)強(qiáng)度來描述。 一、靜電場(chǎng) 靜電場(chǎng)是由靜止電荷激發(fā)的電場(chǎng)。靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線起始于正電荷或無窮遠(yuǎn)，終止于負(fù)電荷或無窮遠(yuǎn)。其電場(chǎng)力移動(dòng)電荷做功具有與路徑無關(guān)的特點(diǎn)。用電勢(shì)差描述電場(chǎng)，或用等勢(shì)面形象地說明電場(chǎng)的分布。 二、感應(yīng)電場(chǎng) 變化磁場(chǎng)激發(fā)的電場(chǎng)叫感應(yīng)電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)。 感渦旋電場(chǎng)磁場(chǎng)變化時(shí)線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體的種類、形狀、性質(zhì)和構(gòu)成均無關(guān)，是由磁場(chǎng)本身的變化引起的。因此麥克斯韋提出了“變化的磁場(chǎng)會(huì)在其周圍的空間激發(fā)一種電場(chǎng)，正式這種電場(chǎng)使得閉合回路中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)和感生電流”的理論，并將這種電場(chǎng)稱為渦旋電場(chǎng)。 感應(yīng)電場(chǎng)的

3、電場(chǎng)線是閉合的，沒有起點(diǎn)、終點(diǎn)。閉合的電場(chǎng)線包圍變化的磁場(chǎng)。 電場(chǎng)強(qiáng)度?：描述某點(diǎn)電場(chǎng)特性的物理量，符號(hào)是E，E是矢量。電場(chǎng)強(qiáng)度簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng)，定義為放入電場(chǎng)中某點(diǎn)的電荷所受的電場(chǎng)力F跟它的電荷量q的比值，場(chǎng)強(qiáng)的方向與正檢驗(yàn)電荷的受力方向相同。場(chǎng)強(qiáng)的定義是根據(jù)電場(chǎng)對(duì)電荷有作用力的特點(diǎn)得出的。對(duì)電荷激發(fā)的靜電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)激發(fā)的渦旋電場(chǎng)都適用。場(chǎng)強(qiáng)的單位是牛／庫或伏／米，兩個(gè)單位名稱不同大小一樣。場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值上等于單位電荷在該點(diǎn)受的電場(chǎng)力，場(chǎng)強(qiáng)的方向與正電荷受力方向相同。 電場(chǎng)的特性是對(duì)電荷有作用力，電場(chǎng)力，與正電荷受力方向相同，與負(fù)電荷受力方向相反。電場(chǎng)是一種物質(zhì)，具有能量，場(chǎng)強(qiáng)大處電場(chǎng)的能量大。

4、已知電場(chǎng)強(qiáng)度可判定電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力，電介質(zhì)(絕緣體)的電擊穿與場(chǎng)強(qiáng)大小有關(guān)。 點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度由點(diǎn)電荷決定,與試探電荷無關(guān). 真空中點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式:E=k*Q/r^2 勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)公式：E=U/d 任何電場(chǎng)中都適用的定義式：E=F/q 介質(zhì)中點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)：kQ/(ε*r^2) 注：勻強(qiáng)電場(chǎng)。在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)強(qiáng)大小相等，方向相同，勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線 是一組疏密相同的平行線. 在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，有E=U/d（只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)），U為電勢(shì)差，單位：伏特/米。電荷在此電場(chǎng)中受到的力為恒力，帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中作勻變速運(yùn)動(dòng)。而此電場(chǎng)的等勢(shì)面與電場(chǎng)線相垂直。 電場(chǎng)線：為形象地描述場(chǎng)強(qiáng)的分布，在

5、電場(chǎng)中人為地畫出一些有方向的曲線，曲線上一點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的方向。電場(chǎng)線的疏密程度與該處場(chǎng)強(qiáng)大小成正比。???電場(chǎng)是一種物質(zhì)，電場(chǎng)線是我們?nèi)藶楫嫵龅谋阌谛蜗竺枋鲭妶?chǎng)分布的輔助工具，并不是客觀存在的。 在沒有電荷的空間，電場(chǎng)線具有不相交、不中斷的特點(diǎn)。靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線還具有下列特性： 1、電場(chǎng)線不閉合，始于正電荷終止于負(fù)電荷；???2、電場(chǎng)線垂直于導(dǎo)體表面；???3、電場(chǎng)線與等勢(shì)面垂直。???感應(yīng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線具有下述特性：???1、電場(chǎng)線是閉合的； 2、閉合的電場(chǎng)線包圍磁感線。 知道一個(gè)電場(chǎng)的電場(chǎng)線，就可判定場(chǎng)強(qiáng)的方向和大小，就可畫出等勢(shì)面，能判定電勢(shì)高低(沿電場(chǎng)線方向電勢(shì)降低)。

6、 應(yīng)該注意，電場(chǎng)線不是電荷的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)電場(chǎng)線方向能確定電荷的受力方向和加速度方向，不能確定電荷的速度方向、運(yùn)動(dòng)的軌跡。電場(chǎng)線是直線時(shí)，電荷運(yùn)動(dòng)速度與電場(chǎng)線平行，電荷運(yùn)動(dòng)軌跡與電場(chǎng)線重合。 電場(chǎng)力 （1）定義：電荷之間的相互作用是通過電場(chǎng)發(fā)生的.只要有電荷存在,電荷的周圍就存在著電場(chǎng),電場(chǎng)的基本性質(zhì)是它對(duì)放入其中的電荷有力的作用,這種力就叫做電場(chǎng)力。 （2）方向：正電荷沿電場(chǎng)線的切線方向，負(fù)電荷沿電場(chǎng)線的切線方向的反方向。 （3）計(jì)算：電場(chǎng)力的計(jì)算公式是F=qE，其中q為點(diǎn)電荷的帶電量，E為場(chǎng)強(qiáng)?；蛴蒞=Fd，也可以根據(jù)電場(chǎng)力做功與在電場(chǎng)力方向上運(yùn)動(dòng)的距離來求。電磁學(xué)中另一個(gè)重要公

7、式W=qU（其中U為兩點(diǎn)間電勢(shì)差），就是由此公式推導(dǎo)得出。 電場(chǎng)力的功能： 由于電場(chǎng)力的作用廣泛，它應(yīng)用到離子加速器,航天事業(yè)中導(dǎo)航修正.對(duì)新物質(zhì)的加工.對(duì)物質(zhì)排列改變.在未來可能是主要?jiǎng)恿χ坏鹊取? 電場(chǎng)力的研究方向： 在未來有電場(chǎng)力的存在航空航天事業(yè)會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展，例如利用電場(chǎng)保護(hù)層（可以讓飛行器更輕）；以及讓飛行器依賴電場(chǎng)飛行（而取代現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)）；電場(chǎng)在核物質(zhì)的衰變起作用（讓我們能更好的利用能源）。 三、摩擦起電（electrification?by?friction) 用摩擦的方法使物體帶電的過程，叫做摩擦起電（或兩種不同的物體相互摩擦后,一種物體帶正電,另一種物體帶負(fù)電

8、的現(xiàn)象）。 摩擦起電的原因，是因?yàn)槟Σ量梢允刮矬w得到多余的電子或失去原有的電子。得到多余電子的物體帶負(fù)電，失去原有電子的物體帶正電。 四、電荷量(quantity?of?electricity) 物體所帶電荷的多少叫做電荷量。電荷量用Q或q來表示。電荷量的國際單位是C，讀作庫侖，簡(jiǎn)稱庫。 五、元電荷（elementary?charge) 帶電體的電荷量都等于最小電荷量e的整倍數(shù)。最小電荷量e就叫做元電荷???e=1.6X10-19 到現(xiàn)在為止，也許人們都這么認(rèn)為：分子之間什么都沒有。其實(shí)大多數(shù)情況分子是由原子組成的。如果我們把它轉(zhuǎn)為“原子之間有什么”的話也許會(huì)讓這個(gè)問題更科學(xué)。

9、???什么是電場(chǎng)？也許很多人都把它忽略了，覺得它只是物理學(xué)的一個(gè)很小的領(lǐng)域。但我覺得電場(chǎng)是一個(gè)非常了不起的東西。他是世界上一切力量之源。他是一切物理、工業(yè)、化學(xué)、能源、電子、信息、生物等學(xué)科研究的本質(zhì)對(duì)象。為什么呢？讓我們?cè)敿?xì)分析一下： 1、壓力、推力、彈力、摩擦力的本質(zhì)是電場(chǎng)； 2、分子之間的力由電場(chǎng)力組成； 3、 生化反應(yīng)的動(dòng)力源泉是電場(chǎng)； 4、電流，電壓由電場(chǎng)力引起； 5、光、電磁波由電場(chǎng)引起； 6、信息技術(shù)也是研究電場(chǎng)的特性。 我們所見到的一切運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)，變化都是電場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，相互作用的結(jié)果。如果學(xué)過大學(xué)物理你就會(huì)知道，電場(chǎng)到底是什么，其實(shí)電場(chǎng)就是原子核對(duì)核外電子的吸引力

10、。當(dāng)這種力分布不均勻時(shí)，物質(zhì)就會(huì)對(duì)外界體現(xiàn)一些宏觀力。我們就會(huì)感覺到有電場(chǎng)的存在。比如靜電、電勢(shì)等。這樣一來。我們就可以說原子核對(duì)電子的引力是世界上一切運(yùn)動(dòng)的力量來源（當(dāng)然外有引力除外）。 那為什么原子核會(huì)對(duì)電子有引力呢？這是目前科學(xué)界沒有回答的問題。就這個(gè)問題我曾經(jīng)問過一位中科院院士（胡海巖，北京理工大學(xué)校長(zhǎng)）。他回答說，目前認(rèn)為自然界中一共有四種力：分別是電場(chǎng)力，萬有引力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力；至于電場(chǎng)是什么，他也沒有給出回答。只是說如果有人解決了這個(gè)問題，那必須是一個(gè)公認(rèn)程度比較高的諾貝爾獎(jiǎng)。因?yàn)樗婕暗搅艘Φ钠鹪础? 保守場(chǎng) 保守場(chǎng)，電場(chǎng)做功與路徑無關(guān)，只與始末位置有關(guān)。 渦旋電場(chǎng) 磁場(chǎng)變化時(shí)線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體的種類、形狀、性質(zhì)和構(gòu)成均無關(guān)，是由磁場(chǎng)本身的變化引起的。因此麥克斯韋提出了“變化的磁場(chǎng)會(huì)在其周圍的空間激發(fā)一種電場(chǎng)，正式這種電場(chǎng)使得閉合回路中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)和感生電流”的理論，并將這種電場(chǎng)稱為渦旋電場(chǎng)。