清华大学物理学课件--静电现象和静磁现象的研究

请问：雷电怎么形成的？ 请问：雷电怎么形成的？
富兰克林根据实验提出： 富兰克林根据实验提出： 在正常条件下电是以一定的量 存在于所有物质中的一种元素； 存在于所有物质中的一种元素； 电跟流体一样， 电跟流体一样，摩擦的作用可 以使它从一物体转移到另一物体， 以使它从一物体转移到另一物体， 但不能创造； 但不能创造； 任何孤立物体的电总量是不变的； 任何孤立物体的电总量是不变的； 摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电， 摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电， 物体失去电而不足的部分叫做带负电。 物体失去电而不足的部分叫做带负电。
库仑用扭秤测量电 相吸． 相吸． 场力和磁场力， 场力和磁场力，导 出著名的库仑定律。 出著名的库仑定律。
它们的联线，同号相斥， 它们的联线，同号相斥，异号
如果令F 表示q 的作用力， 如果令 12表示 2对q1的作用力，r12=r1-r2表示 指向q 的矢量， 表示其单位矢量， 由q2指向 1的矢量，e表示其单位矢量，库仑定律 可以表示为： 可以表示为：
有时简单的类比也会导致错误的结果。 有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠 更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。 更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见 类比结果是否正确还得由实验检验。 类比结果是否正确还得由实验检验。
§3.1 静电和静磁现象的研究
一、静磁和静电现象的早期研究 1. 我国古代电磁学 商周时期的甲骨文中出现“ 商周时期的甲骨文中出现“雷”，“电”二字 战国末年的《韩非子·有度》 有度》 战国末年的《韩非子 有度 “故先王立司南，以端朝夕” 故先王立司南， 故先王立司南 以端朝夕” 东汉的王充《论衡 乱龙篇 乱龙篇》 东汉的王充《论衡·乱龙篇》 “顿牟(即玳瑁)掇芥，磁石引针” 顿牟( 顿牟 即玳瑁)掇芥，磁石引针” 宋代沈括《梦溪笔谈》 宋代沈括《梦溪笔谈》 “常微偏东，不全南也” 常微偏东， 常微偏东 不全南也”
从静电现象到电磁波
“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理 自从牛顿奠定理论物理学基础以来， 自从牛顿奠定理论物理学基础以来 学的公理基础——换句话说， 学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在 换句话说 结构的概念——最伟大的变革，是由法拉第和麦 最伟大的变革， 结构的概念 最伟大的变革 克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。” 克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。 ——爱因斯坦 爱因斯坦
同号电荷彼此相斥, 号电荷彼此相引 同号电荷彼此相斥,异号电荷彼此相引
为了寻找一种保存电的方法，莱顿大学物理学 为了寻找一种保存电的方法，莱顿大学物理学 教授马森布罗克 教授马森布罗克(Pieter von Musschen)在1746年发 马森布罗克 在 年发 明了能收集电荷的“莱顿瓶” 明了能收集电荷的“莱顿瓶”。
电磁理论的发展历程 公元前600年 公元前600年 600 1820年 1820年 1831年 1831年
奥斯特发现 法拉第发现 古希腊泰勒斯 电磁感应 第一次记载电现 电流对磁针的作用 1865年麦克斯韦提出 1865年麦克斯韦提出 电磁场理论 1905年爱因斯坦建立 1905年爱因斯坦建立 狭义相对论
本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发 他们是：库仑、奥斯特、安培、 现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克 斯韦等。 斯韦等。
库 仑 奥 斯 特
安 培
法 拉 第
麦 克 斯 韦
内容提要: 内容提要: §3-1 静电和静磁现象的研究 §3-2 电流的产生及其磁效应 §3-3 电磁感应定律 §3-4 麦克斯韦电磁场理论的建立 与电磁波的发现
结论： 结论：库仑力远大于万有引力
三、从库仑定律的建立看类比方法的重要性 库仑测得δ=0.04，但他断定力与距离成平方反 ， 库仑测得 比，是成功运用类比方法的结果。 是成功运用类比方法的结果。 麦克斯韦对类比法的论述： 麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理 论而得到物理思想， 论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存 所谓物理类比， 在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另 一种科学定律之间的部分相似性。 一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种 科学可以相互说明。 科学可以相互说明。”
吉尔伯特
3.静电现象的早期研究 3.静电现象的早期研究 1660年德国工程师格里克(Guericke,Otto von) 年德国工程师格里克 年德国工程师格里克 发明了第一台摩擦起电机， 发明了第一台摩擦起电机，之后对静电研究才迅 速开展起来。 速开展起来。
1729年英国科学 年英国科学 家格雷(Gray)发现了 格雷 发现了 导体与绝缘体的区别。 导体与绝缘体的区别。
f ∝
δ=0.06
1 r
2+δ
罗比逊实验装置
指数偏差
1777年法国科学院悬赏征求改良航海指南针中 年法国科学院悬赏征求改良航海指南针中 的磁针问题。 的磁针问题。 库仑认为磁针支架在轴上， 库仑认为磁针支架在轴上， 必然会带来摩擦， 必然会带来摩擦，提出用细头发 丝或丝线悬挂磁针。研究中发现 丝或丝线悬挂磁针。 线扭转时的扭力和针转过的角度 成比例关系， 成比例关系，从而可利用这种装 置测出静电力和磁力的大小， 置测出静电力和磁力的大小，这 导致他发明扭秤。 导致他发明扭秤。
动画
二、库仑定律 (Coulomb’s law) 1767年普里斯特利 (Priestley ) 年 《电学历史和现状及原始实验》 电学历史和现状及原始实验》 “电的吸引力与万有引力服从同 电的吸引力与万有引力服从同 一规律，即与距离平方成反比” 一规律，即与距离平方成反比” 1769年苏格兰人罗比逊(Robison) 年苏格兰人罗比逊 年苏格兰人罗比逊 实验证明： 实验证明：
动画
５.富兰克林著名风筝实验 富兰克林著名风筝实验 1749年美国人富兰克 年美国人富兰克 年美国人 林(Franklin)注意到雷闪与 注意到雷闪与 放电有许多相同之处。 放电有许多相同之处。 1752年他通过在雷雨 年他通过在雷雨 天气将风筝放入云层， 天气将风筝放入云层，来 进行雷击实验， 进行雷击实验，证明了雷 闪就是放电现象。 闪就是放电现象。
动画 富兰克林
范德格拉夫起电机 1931年由荷兰人 年由荷兰人 范德格拉夫 ( Van de Graaff)发明，将机械 发明， 发明 能直接转换为电能的 直流高电压发生器。 直流高电压发生器。 原理: 原理:尖端放电现象 应用: 应用:范德格拉夫起电机可用于静电喷漆和除尘 以及部分高电压实验等。 以及部分高电压实验等。
y F12 r1 +q1 r21 r12 r2 +q2
v q1q2 v0 F =k 2 e 12 r
式中比例系数k为 式中比例系数 为 o
z
F21
x
1 k= 4πε0
真空中的 介电常数
ε0 = 8.854187817 ×10
−12 2 C /（N·m2）
在氢原子中，电子和质子间距约为5.3× 例: 在氢原子中，电子和质子间距约为 ×10-11m。 。
1733年法国人迪费（Du Fay）经过实验区分 年法国人迪费（ 年法国人迪费 ） 出两种电荷。 出两种电荷。 玻璃电” 他把玻璃上产生的电叫做“玻璃电”（后来 富兰克林改称为正电） 富兰克林改称为正电）,琥珀树脂上产生的电叫做 树脂电” 改称为负电）。 “树脂电”（改称为负电）。 总结出静电作用的基本特性： 总结出静电作用的基本特性：
2. 早期西方电磁学 英国医生吉尔伯特 吉尔伯特(Gilbert)的《磁学论》最早 英国医生吉尔伯特 的 磁学论》 总结前人对电磁研究的大量经验： 总结前人对电磁研究的大量经验： 1）电与磁是两种不同的现象； ）电与磁是两种不同的现象； 2）天然磁石本身具有磁性，玻璃和 ）天然磁石本身具有磁性， 琥珀摩擦才能带电； 琥珀摩擦才能带电； 3）证明磁引力不受纸片的影响； ）证明磁引力不受纸片的影响； 4）磁铁切断仍有两极，没有单极的 ）磁铁切断仍有两极， 磁铁存在。 磁铁存在。 伽利略称“ 磁学论》一书伟大得让人嫉妒” 伽利略称“《磁学论》一书伟大得让人嫉妒”
4.电荷的基本性质: 4.电荷的基本性质: 电荷的基本性质 1.电荷是物质的一种基本属性 电荷是物质的一种基本属性; 电荷是物质的一种基本属性 2.电荷有正负两种， 电荷有正负两种， 电荷有正负两种 异号相吸引; 同号相排斥 异号相吸引 3. q=ne
e = 1.6×10−19 (C) ] [
4.电荷守恒定律： 电荷守恒定律： 电荷守恒定律 在一个孤立的带电系统中， 在一个孤立的带电系统中，无论发生什么 变化，系统所具有的正负电荷电量的代数和 正负电荷电量的代数和保 变化，系统所具有的正负电荷电量的代数和保 持不变。 持不变。
1875年库仑通过电扭秤实验，测得δ=0.04，通 年库仑通过电扭秤实验，测得 年库仑通过电扭秤实验 ， 过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律： 过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律： 在真空中，两个静止点电 在真空中， 荷之间的相互作用力的大小与 它们的电量 q1和q2的乘积成正 比，与它们之间的距离 r 的平 方成反比， 方成反比，作用力的方向沿着
经典力学的建立， 经典力学的建立，是物理学史上第一次大综合 伽利略和牛顿所取得如此伟大成就， 伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他 们把科学思维和实验研究很好地结合在一起， 们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力 学的发展开辟了一条正确的道路。 学的发展开辟了一条正确的道路。 电磁理论的建立， 电磁理论的建立，完成物理学史上又一次大综合 电磁学构成了经典物理学的另一重要分支。 电磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随 着一个个电磁学研究成果的取得， 着一个个电磁学研究成果的取得，全部物理学归纳 为力学的机械论观点宣告彻底失败。 为力学的机械论观点宣告彻底失败。
(1.69 ×10 ) 1 q1q2 Fe = = 2 4πε 0 r 4 × 3.1415 × 8.854 ×10−12 × (5.3 ×10−11 )2