高中物理 第1章 静电场 第3节 电场及其描述 电场素材 鲁科版选修3-1（通用）

高中物理 第1章 静电场 第3节 电场及其描述 电场素材 鲁科版选修3-1（通用）

电场[electric field] 电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质与通常的实 物不同，它不是由分子原子所组成，但它是客观存在的。电场具有通常物质所具有 的力和能量等客观属性。电场的力的性质表现为：电场对放入其中的电荷有作用力， 这种力称为电场力。电场的能的性质表现为：当电荷在电场中移动时，电场力对电 荷作功（这说明电场具有能量）。 静止电荷在其周围空间产生的电场，称为静电场；随时间变化的磁场在其周围空间 激发的电场称为有旋电场[1]（也称感应电场或涡旋电场）。静电场是有源无旋场， 电荷是场源；有旋电场是无源有旋场。普遍意义的电场则是静电场和有旋电场两者 之和。 电场是一个矢量场，其方向为正电荷的受力方向。电场的力的性质用电场强度来描 述。 一、静电场 静电场是由静止电荷激发的电场。静电场的电场线起始于正电荷或无穷远，终止于 负电荷或无穷远。其电场力移动电荷做功具有与路径无关的特点。用电势差描述电 场，或用等势面形象地说明电场的分布。 二、感应电场 变化磁场激发的电场叫感应电场或涡旋电场。 感涡旋电场磁场变化时线圈产生的感生电动势与导体的种类、形状、性质和构成均 无关，是由磁场本身的变化引起的。因此麦克斯韦提出了“变化的磁场会在其周围 的空间激发一种电场，正式这种电场使得闭合回路中产生了感生电动势和感生电流” 的理论，并将这种电场称为涡旋电场。 感应电场的电场线是闭合的，没有起点、终点。闭合的电场线包围变化的磁场。 电场强度 ：描述某点电场特性的物理量，符号是 E，E 是矢量。电场强度简称场强， 定义为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，场强的方向 与正检验电荷的受力方向相同。场强的定义是根据电场对电荷有作用力的特点得出 的。对电荷激发的静电场和变化磁场激发的涡旋电场都适用。场强的单位是牛／库 或伏／米，两个单位名称不同大小一样。场强数值上等于单位电荷在该点受的电场 力，场强的方向与正电荷受力方向相同。 电场的特性是对电荷有作用力，电场力，与正电荷受力方向相同，与负电荷受力方 向相反。电场是一种物质，具有能量，场强大处电场的能量大。 已知电场强度可判定电场对电荷的作用力，电介质(绝缘体)的电击穿与场强大小有 关。 点电荷的电场强度由点电荷决定,与试探电荷无关. 真空中点电荷场强公式:E=k*Q/r^2 匀强电场场强公式：E=U/d 任何电场中都适用的定义式：E=F/q 介质中点电荷的场强：kQ/(ε*r^2) 注：匀强电场。在匀强电场中，场强大小相等，方向相同，匀强电场的电场线 是一 组疏密相同的平行线. 在匀强电场中，有 E=U/d（只适用于匀强电场），U 为电势差，单位：伏特/米。电荷 在此电场中受到的力为恒力，带电粒子在匀强电场中作匀变速运动。而此电场的等 势面与电场线相垂直。 电场线：为形象地描述场强的分布，在电场中人为地画出一些有方向的曲线，曲线 上一点的切线方向表示该点场强的方向。电场线的疏密程度与该处场强大小成正比。 电场是一种物质，电场线是我们人为画出的便于形象描述电场分布的辅助工 具，并不是客观存在的。 在没有电荷的空间，电场线具有不相交、不中断的特点。静电场的电场线还具有下 列特性： 1、电场线不闭合，始于正电荷终止于负电荷； 2、电场线垂直于导体表面； 3、电场线与等势面垂直。 感应电场的电场线具有下述特性： 1、 电场线是闭合的； 2、闭合的电场线包围磁感线。 知道一个电场的电场线，就可判定场强的方向和大小，就可画出等势面，能判定电 势高低(沿电场线方向电势降低)。 应该注意，电场线不是电荷的运动轨迹。根据电场线方向能确定电荷的受力方向和 加速度方向，不能确定电荷的速度方向、运动的轨迹。电场线是直线时，电荷运动 速度与电场线平行，电荷运动轨迹与电场线重合。 电场力 （1）定义：电荷之间的相互作用是通过电场发生的.只要有电荷存在,电荷的周围就 存在着电场,电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用,这种力就叫做电场 力。 （2）方向：正电荷沿电场线的切线方向，负电荷沿电场线的切线方向的反方向。 （3）计算：电场力的计算公式是 F=qE，其中 q 为点电荷的带电量，E 为场强。或由 W=Fd，也可以根据电场力做功与在电场力方向上运动的距离来求。电磁学中另一个 重要公式 W=qU（其中 U 为两点间电势差），就是由此公式推导得出。 电场力的功能： 由于电场力的作用广泛，它应用到离子加速器,航天事业中导航修正.对新物质的加 工.对物质排列改变.在未来可能是主要动力之一等等。 电场力的研究方向： 在未来有电场力的存在航空航天事业会得到长足发展，例如利用电场保护层（可以 让飞行器更轻）；以及让飞行器依赖电场飞行（而取代现有的发动机）；电场在核物 质的衰变起作用（让我们能更好的利用能源）。 三、摩擦起电（electrification by friction) 用摩擦的方法使物体带电的过程，叫做摩擦起电（或两种不同的物体相互摩擦后,一 种物体带正电,另一种物体带负电的现象）。 摩擦起电的原因，是因为摩擦可以使物体得到多余的电子或失去原有的电子。得到 多余电子的物体带负电，失去原有电子的物体带正电。 四、电荷量(quantity of electricity) 物体所带电荷的多少叫做电荷量。电荷量用 Q 或 q 来表示。电荷量的国际单位是 C， 读作库仑，简称库。 五、元电荷（elementary charge) 带电体的电荷量都等于最小电荷量 e 的整倍数。最小电荷量 e 就叫做元电荷 e=1.6X10-19 到现在为止，也许人们都这么认为：分子之间什么都没有。其实大多数情况分子是 由原子组成的。如果我们把它转为“原子之间有什么”的话也许会让这个问题更科 学。 什么是电场？也许很多人都把它忽略了，觉得它只是物理学的一个很小 的领域。但我觉得电场是一个非常了不起的东西。他是世界上一切力量之源。他是 一切物理、工业、化学、能源、电子、信息、生物等学科研究的本质对象。为什么 呢？让我们详细分析一下： 1、压力、推力、弹力、摩擦力的本质是电场； 2、分子之间的力由电场力组成； 3、 生化反应的动力源泉是电场； 4、电流，电压由电场力引起； 5、光、电磁波由电场引起； 6、信息技术也是研究电场的特性。 我们所见到的一切运动，反应，变化都是电场错综复杂，相互作用的结果。如果学 过大学物理你就会知道，电场到底是什么，其实电场就是原子核对核外电子的吸引 力。当这种力分布不均匀时，物质就会对外界体现一些宏观力。我们就会感觉到有 电场的存在。比如静电、电势等。这样一来。我们就可以说原子核对电子的引力是 世界上一切运动的力量来源（当然外有引力除外）。 那为什么原子核会对电子有引力呢？这是目前科学界没有回答的问题。就这个问题 我曾经问过一位中科院院士（胡海岩，北京理工大学校长）。他回答说，目前认为自 然界中一共有四种力：分别是电场力，万有引力、强相互作用力、弱相互作用力； 至于电场是什么，他也没有给出回答。只是说如果有人解决了这个问题，那必须是 一个公认程度比较高的诺贝尔奖。因为他涉及到了引力的起源。 保守场 保守场，电场做功与路径无关，只与始末位置有关。 涡旋电场 磁场变化时线圈产生的感生电动势与导体的种类、形状、性质和构成均无关，是由 磁场本身的变化引起的。因此麦克斯韦提出了“变化的磁场会在其周围的空间激发 一种电场，正式这种电场使得闭合回路中产生了感生电动势和感生电流”的理论， 并将这种电场称为涡旋电场。