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高中物理简明讲义—静电场

更新时间:作者:小小条

高中物理简明讲义—静电场

一、静电场的基本概念

(一)电荷与电荷守恒定律

在我们生活的世界里,电荷是一种基本的物理量。自然界中只存在两种电荷:正电荷和负电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。电荷的多少叫做电荷量,单位是库仑,简称库,符号是 C。

电荷既不会创生,也不会消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分;在转移过程中,电荷的总量保持不变,这就是电荷守恒定律。这就好比一个封闭的系统里,物资的总数是固定的,只是在不同的地方进行分配而已。

(二)库仑定律

电荷之间存在着相互作用力,法国物理学家库仑通过实验研究,总结出了真空中两个静止点电荷之间的相互作用力的规律,称为库仑定律。

高中物理简明讲义—静电场

内容为:真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。其公式为 (F = k\frac{Q_1Q_2}{r^2}),其中 (k) 是静电力常量,(k = 9.0×10^9N·m^2/C^2)。点电荷是一种理想化的物理模型,当带电体间的距离比它们自身的大小大得多,以至带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略不计时,这样的带电体就可以看作点电荷。


二、电场的描述

(一)电场

电荷周围存在着一种特殊的物质,叫做电场。只要有电荷存在,电荷周围就存在电场。电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用,这种力叫做电场力。

(二)电场强度

为了描述电场的强弱和方向,我们引入了电场强度这个物理量。放入电场中某点的电荷所受的电场力 (F) 跟它的电荷量 (q) 的比值,叫做该点的电场强度,简称场强,用 (E) 表示,公式为 (E=\frac{F}{q}),单位是牛每库,符号是 (N/C)。电场强度是矢量,规定正电荷在电场中某点所受电场力的方向为该点电场强度的方向。

如果场源电荷是点电荷 (Q),在距离 (Q) 为 (r) 的地方的电场强度 (E = k\frac{Q}{r^2})。电场强度是电场本身的性质,与放入的试探电荷无关。

(三)电场线

为了形象地描述电场,我们引入了电场线的概念。电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线,曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向。电场线的疏密程度表示电场的强弱,电场线越密的地方,电场强度越大。

电场线有以下特点:电场线从正电荷或无限远出发,终止于无限远或负电荷;任意两条电场线都不相交。常见的电场线分布有:正点电荷的电场线是以正点电荷为中心向四周辐射的直线;负点电荷的电场线是从四周指向负点电荷的直线;等量同种电荷和等量异种电荷的电场线分布则更为复杂,但都可以通过电场线的基本性质来理解和分析。


三、电势能与电势

(一)电势能

电荷在电场中具有的势能叫做电势能,用 (E_p) 表示。电场力做功与电势能变化的关系是:电场力做正功,电势能减少;电场力做负功,电势能增加。电场力做功的多少等于电势能的变化量,即 (W_{AB}=E_{pA}-E_{pB})。

(二)电势

电场中某点的电荷的电势能跟它的电荷量的比值,叫做该点的电势,用 (\varphi) 表示,公式为 (\varphi=\frac{E_p}{q}),单位是伏特,简称伏,符号是 (V)。电势是标量,只有大小,没有方向。电势的高低与零电势点的选取有关,通常选取无限远处或大地的电势为零。沿电场线方向,电势逐渐降低。

(三)等势面

电场中电势相等的点构成的面叫做等势面。等势面有以下特点:等势面一定与电场线垂直,即跟场强的方向垂直;电场线总是由电势高的等势面指向电势低的等势面;任意两个等势面都不相交;等差等势面越密的地方电场强度越大。

四、电势差

电场中两点间电势的差值叫做电势差,也叫电压,用 (U_{AB}) 表示,(U_{AB}=\varphi_A - \varphi_B)。电势差是标量,但有正负之分,(U_{AB}=-U_{BA})。

电场力做功与电势差的关系是 (W_{AB}=qU_{AB})。这一公式在解决电场中电荷运动的问题时非常重要,它将电场力做功、电势差和电荷量联系在了一起。


五、电容器与电容

(一)电容器

电容器是一种储存电荷的装置,它由两个彼此绝缘又相距很近的导体组成。这两个导体称为电容器的两极。当电容器的两个极板与电源相连时,两个极板就会分别带上等量的异种电荷,这个过程叫做充电。充电后的电容器失去电荷的过程叫做放电。

(二)电容

电容器所带的电荷量 (Q) 与电容器两极板间的电势差 (U) 的比值,叫做电容器的电容,用 (C) 表示,公式为 (C=\frac{Q}{U}),单位是法拉,简称法,符号是 (F)。电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,它由电容器本身的结构决定,与电容器所带电荷量和两极板间的电势差无关。

平行板电容器是一种常见的电容器,其电容 (C=\frac{\varepsilon_rS}{4\pi kd}),其中 (\varepsilon_r) 是电介质的相对介电常数,(S) 是两极板的正对面积,(d) 是两极板间的距离。

静电场这部分知识是高中物理的重要内容,它为我们理解电磁学的其他知识奠定了基础。在学*过程中,要注重对基本概念的理解,掌握好各个物理量之间的关系,多通过练*来加深对知识的运用和掌握。




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