J物理学与人类文明J

1、2020/10/27,DUT 余 虹,1,从宇宙到夸克,作者 余 虹,2020/10/27,DUT 余 虹,2,矢量运算简介,矢量的表达形式 矢量表达形式中的要素 矢量的坐标分解 矢量的加法交换率 矢量的平行四边形运算证明 矢量加法运算的三角形表达 矢量的坐标分解运算 矢量加法的坐标分解运算,2020/10/27,DUT 余 虹,3,矢量有大小又有方向的量。,A,1.矢量加（减）法,2020/10/27,DUT 余 虹,4,2.矢量的正交分解,mg,2020/10/27,DUT 余 虹,5,3.矢量的标积（点积）,2020/10/27,DUT 余 虹,6,4.矢量的矢积（叉积）,方向,大小,2

2、020/10/27,DUT 余 虹,7,第3章 探索光与电的秘密,2020/10/27,DUT 余 虹,8,自然界中的闪电 宇宙中大规模的电荷迁移 身体上的静电 摩擦起电 神经活动电现象 电流传导,探索电现象-生活中的电现象,2020/10/27,DUT 余 虹,9,历史电现象-发展中的认识,西汉论衡中也有“顿牟掇芥”-摩擦起电 王充在论衡雷虚篇中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。 早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。 从天上取电-本杰明.富兰克林 1752年7月的一天，雷电交加，富兰克林

3、带着儿子，拿着风筝到野地，靠一要金属根把闪电引到铜钥匙上，他冒着生命危险把手指接近铜钥匙，二者之间立刻闪出了火花，他高兴地大喊起来：“我受到电击了！我终于证明了：闪电就是电！”之后，他又发明了避雷针,2020/10/27,DUT 余 虹,10,探索电现象原子结构和静电,原子是由原子核电子构成 不同种类原子作用力不同 问:是否所有的不同种类的原子之间半径相同 问:是否各种原子的核外电子数相同 问:是否各种原子核都有同样的质子数和中子数,2020/10/27,DUT 余 虹,11,静电的危害和应用,避免雷击 击穿电子元件 碰门把手受到惊吓 引起火灾 静电复印机 静电植绒 静电除尘,2020/10/

4、27,DUT 余 虹,12,静电现象的理论研究,单位正电荷 静电力库仑力 势能参考无穷远处势能为零 考虑 描述电流最少需要那些因素,2020/10/27,DUT 余 虹,13,宏观带电体电量 是e 的整数倍。,夸克 ,1. 电荷的量子性,电子电量,一、 电荷与 电现象,3.1 电与磁,3.1.1 “统治”现代世界的电,质子电量,同号电荷相排斥；异号电荷相吸引。,电场,通过场相互作用,2020/10/27,DUT 余 虹,14,2. 电荷守恒定律,电绝缘系统中，电荷 的代数和保持常量。,电子对湮灭,电子对产生,3. 电荷相对论不变性,电荷为Q,电荷为Q, ,2020/10/27,DUT 余 虹,

5、15,电荷1 受电荷2 的力,有理化,真空中的介电常数,两个点电荷之间的作用力，不会因为第三个电荷的存在而改变,叠加原理,二、电场强度,库仑定律,1.电相互作用,2020/10/27,DUT 余 虹,16,Q0 ,线度足够地小场点确定。,1. 要求试验电荷,大小：单位电荷受力,方向：正电荷受力,单位：N/C或V /m,空间一点的电场强度单位正电荷所受的力。,定义,2. Q0只是使场显露出来，即使无Q0 电场也存在。,电量充分地小不至于使源电荷重新分布。,说明,实验电荷,2.电场强度,2020/10/27,DUT 余 虹,17,氢原子原子中库仑力和万有引力的比较,2020/10/27,DUT 余

6、 虹,18,3. 点电荷的电场特点,电力线：起于正电荷至于负电荷,说 明,2.在电场中释放电荷，正电荷沿着电力线运动，负正电荷逆着电力线运动。,点电荷场的电力线射线,1.电力线切线方向是场强的方向，疏密程度表征场强的大小。任何两条电场线不会在无电荷处相交。,2020/10/27,DUT 余 虹,19,电场线的分布,2020/10/27,DUT 余 虹,20,方向,试验电荷受力,场强叠加原理,由定义,4.电场叠加原理,2020/10/27,DUT 余 虹,21,例题,已知电荷Q12C，位置（0，0，0）；Q23C，位置（0，-2，0）；求电场强度:（1）Pa点（0，1，0）（2）Pb点（0，0，

7、2）,Pb,Q2 Q1, ,Pa,Pa:,Pb:,2020/10/27,DUT 余 虹,22,例题,求：电偶极子中垂面上任意点的场强。,解,定义：偶极矩,r l,r+= r- r, ,2020/10/27,DUT 余 虹,23,例题,求：电荷线密度 为的无限长均匀带电细棒，离棒垂直距离为a处电场强度。,由对称性知道电场强度只能沿垂直棒的方向。,2020/10/27,DUT 余 虹,24,已知：总电量Q ；半径R 。 求： 均匀带电圆环轴线上的场强。,（2）R x,（1）,讨论：,R,例题,2020/10/27,DUT 余 虹,25,已知：总电量Q ；半径R 。 求： 均匀带电圆盘轴线上的场强。

8、,当R x,无 限 大 带电平面场强,例题,2020/10/27,DUT 余 虹,26,2带正电荷的质点，在电场力作用下运动轨迹如图所示，已知速率是递增，定性画出场强方向,例题,1.电量Q 相同， M、N处的粒子哪个受力大？,Q,2020/10/27,DUT 余 虹,27,二、电势,H2,2.电势能与电势,H1,M,重力做功,重力势能,电场力做功,电势能,电势,1.重力势能,把单位正电荷在电场中某处时，系统具有的电势能,1 Q,2 ,2020/10/27,DUT 余 虹,28,U 1 U 2,Q 0 A 0,Q 0 A 0,在静电场中释放正电荷向电势低处运动。,在静电场中释放正电荷沿电力线运动

9、。,结论 电力线指向电势减弱的方向。,3. 电势差与电场力的功,电势差单位正电荷从1到2，电场力做的功。,4. 电势叠加原理,点电荷电场的电势,N个点电荷电场的电势,2020/10/27,DUT 余 虹,29,3.1.2 雷电的形成与大气电场,电离层,一、大气电场,大气电场,二、雷电, , ,2020/10/27,DUT 余 虹,30,地南极 地北极,17世纪以前，人们普遍认为：电与磁无关！,1731年 英国商人,雷电后，刀叉带磁性！,1751年富兰克林,莱顿瓶放电后，缝衣针磁化了！,一、磁力与磁现象,3.1.3 无处不在的磁,N S,S N,11,2020/10/27,DUT 余 虹,31,

10、1820年4月奥斯忒在哥本哈根大学讲学,电与磁,奥斯忒,接通电源时，放在边上的磁针,I,1820年7月21日，以拉丁文报导了60次实验的结果。,二、电流产生磁场,2020/10/27,DUT 余 虹,32,I,毕奥-萨伐尔定律,真空磁导率,叠加原理,P,P点的磁感应强度=？,（1）一小段电流元的磁感应强度,（2）整根电流产生的磁感应强度,（3）多根电流产生的磁感应强度,2020/10/27,DUT 余 虹,33,求：无限长直线电流的磁场分布。,I,方向 ,O,方向： 右手定则,P,例题,2020/10/27,DUT 余 虹,34,求：圆电流轴线上的磁感应强度。,例题,2020/10/27,DU

11、T 余 虹,35,I,a,b,I dl,求：一段圆弧电流在其曲率中心处的磁场。,R,方向 ,解：, o,例题,想一想,2020/10/27,DUT 余 虹,36,由上题结果,I,例题,求：半径为R,电流强度为I的圆电流中心处的磁感应强度。,R,解：判断方向,定义磁矩,S N,吸引,排斥,同向电流相吸引,异向电流相排斥,2020/10/27,DUT 余 虹,37, ,1.在 均匀磁场,匀速直线运动,磁力提供向心力。,周期,匀速率圆周运动,轨迹？,三、磁场对带电粒子的作用,与速度无关。,返回2,洛伦兹力对带电粒子不做功,2020/10/27,DUT 余 虹,38, ,例题,利用带电粒子在磁场中的轨

12、迹，判断粒子的状况。,判断粒子带电的正负性,若m1=m2，判断粒子带电 量的大小,1 2,q10， q20,若q1q2，判断粒子质量的大小,R1q2, R1 R2 ， m1m2,2020/10/27,DUT 余 虹,39,螺旋运动,粒子束发散角不大、速度相近， v/ 几乎相等时,匀速率圆周运动+匀速直线运动,半径,周期,磁聚焦,螺距,2020/10/27,DUT 余 虹,40,（3）地磁场内的范艾仑辐射带,2.非均匀磁场,（1）磁镜,（2）磁瓶,60000km,800 km,4000km,用于高温等离子磁约束,（也是螺旋运动，R 、h 都在变化）,2020/10/27,DUT 余 虹,41,3.极光,2020/10/27,DUT 余 虹,42,用质谱仪测带电粒子的荷质比(q/m),实验：加速电压U，均匀磁场B，粒子垂直入射，进口到胶片记录位置间距为x，计算粒子的q/m值。,解：粒子进质谱仪时动能,进磁场后做匀速率圆周运动，,U,返回2,例题,S,2020/10/27,DUT 余 虹,43,1.电子的轨道运动小电流圈。,四、磁铁的磁性与电流,2.分子分子电流圈。,3.非铁磁质分子排