经典物理拾阶 9 静电场.pdf

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1、第九章Page1of7第九章.静电场除了在我们日常生活中广泛使用的家用电器具以外，从表面上看起来，自然界里的电磁现象不很多，然而真相却是除了自由落体的现象以外，我们在日常生活里观测到的现象，几乎绝大多数的背后都是电磁作用。实际上电磁作用在我们日常观察到的自然现象里的广泛性现象似乎远比我们平常意识到的多得多。因此尽管对电的现象的观察一直伴随着人类的文明史，但正确的理解电的现象却是到了牛顿力学发展成熟以后才有可能。为什么呢？这是同学们学习电磁学首先应该意识到的一个问题。也就是说，我们应该能够体会到在经典物理学里牛顿力学实际上提供了最基本的思想方法，

2、贯穿了整个我们对自然界的理解。因此也是我们学好物理学的关键。对于电的现象，既然是从力学的角度出发来研究，那么我们最先处理的自然就是体现为空间运动的电的作用。对于这一类现象里的运动，我们把力的来源定义为物质自身的一种基本属性，这就是电荷的概念。电荷。对于电的相互作用这样一种不需要直接的接触就可以发生的力，就和我们把万有引力的缘故归结为物质自身的一种属性—引力质量一样，也把电的相互作用归结为另一种物质的基本属性，那就是电荷。但是和引力质量的情况不同的是，实际的现象表明电荷有两种，因为力的作用形式是两种，即吸引和排斥，而万有引力发生作用时，只有吸引一

3、种情形，因此质量只有一种，而电荷却有两种，这两种电荷对于同一个对象的作用是相互抵消的，因此历史上人们任意地指定了其中的一种为正电荷，另外一种为负电荷。而千万不要误认为电子就非得是带负电的不可。这里请同学们不妨自己作一个小小的推导，即为什么从静电荷的吸引与排斥两种作用方式出发，最自然地得到电荷分为两种这个结论。很多人常常忽略这么一个小问题，实际上这是锻炼自己思维能力的一个好机会。今天已经知道电荷确实是自然界物质的一种基本属性，而且还具有我们首次遇到的所谓量子性，也就是说电荷具有一个基本的不可分割的数量单位，我们称电荷的数量为电量，电量是以物质的一

4、个基本成分—电子的电量为最小单位的。正是因为电荷的这种基本性，所以很自然地我们可以理解存在一个守恒定律，即电荷守恒定律，意思是在一个不与外界发生电荷转移的系统中，全部电荷的代数和是不变的。电场。电荷之间的相互作用，具有一个与我们已经很熟悉的力学里的各种力的作用完全不同的特征，那就是带电荷的物体发生相互作用并不需要相互接触，这种跨越空间的相互作用曾经困惑了无数人，最终人们终于意识到需要引入一种崭新的物理观念，才能最简洁而自恰地解释所有有关现象。这就是场的观念。在这里，也就是我们要讨论的电场的概念。尽管电场是一个抽象的概念，但只要我们把握住一个关键

5、的思想，即我们对于自然的任何事物，只能通过对这个事物的观测来获得对它的描述，以及对它的实质的理解。那么我们就可以很快的适应处理这种物理对象。既然电荷之间的作用，可以表现为电场之间的作用，那么不妨认为是电荷激发了相应的电场，再通过电场对另外的电荷发生作用，这样我们就建立了一个基于接触作用的物理图象。首先，我们考察电的相互作用中观察到的力。而力是我们完全能够通过测量来加以把握的物理量。库仑定律。我们要研究一个物理过程，总是把我们所要关心的主要要素抽象出来，而把其它的次要因素忽略掉。要研究电的相互作用现象里的力，最简单的情形就是取两个带电荷的质点，即

6、所谓的点电荷，在排除任何file://F:0000popularphysics_basic9.htm6/3/2003第九章Page2of7的其它影响的情况下，研究它们之间的作用力。从这样一个思路出发，很早以前，人们就进行了实验，特别是库仑通过精确的实验，得到一个有关两个相对静止的点电荷之间的作用力的一般定律，即库仑定律：两个静止的电荷相互排斥或吸引的力，与两个电荷的距离的平方成反比，与两个电荷的数值的积成正比。作用力的方向沿着两个电荷的连线。可以简洁地用公式表达出来，类似于万有引力公式：对这个公式须注意：（1）k和这两个电荷所处的电介

7、质的介电常数有关。（2）注意力F的符号，规定两个电荷同号时，F大于0，表示排斥力，两个电荷异号时，F小于0，表示吸引力。（3）库仑定律适用的是点电荷，力的方向沿着这两个点电荷的连线。（4）如果考虑多个点电荷对一个点电荷的作用，则分别计算每个点电荷对它的作用，矢量的加法加起来即可。对于多个点电荷之间的作用力，则须计算两两之间的作用力，分别进行叠加即可。可以想象，对于电荷连续分布的带电体，就需要根据具体情况进行积分运算的了。电介质的影响。由于物质结构在原子的层次上，完全是一种电性的结构，因此当电场中存在电介质时，必然对电荷之间的相互作用产生影响。在

8、库仑定律中的比例常数k就是表征电介质的属性的。1在真空中，k可以表示为4pe0，其中e0称为真空的介电常数。在非真空的情形，一般电荷的相互作用非常复杂