高中學(xué)考的要求主要是讓你能夠視而可見,做到能夠知道電場的存在并且學(xué)會描述電場。
一:電場——一種特殊存在的物質(zhì)。
電荷間存在著力的作用,同種電荷相互吸引異種電荷相互排斥。庫侖通過實驗測出,真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用力同它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上,即
這就是庫侖定律
但是庫侖并沒有解決電荷間相互作用力是如何傳遞的。按照庫侖定律,庫侖力的傳遞不需要任何媒介,也不需要時間,是從一個帶電體直接作用到另一個帶電體上的,即電荷之間的相互作用是一種“超距作用”。這很明顯的違背了相對論的基本規(guī)律:任何的速度都不能超越光速。
針對這個缺陷,英國科學(xué)家法拉第首先提出場的觀點。他認(rèn)為電荷的周圍空間存在一種特殊物質(zhì)——電場。處于電場中的電荷將會受到力的作用,即電荷與電荷的相互作用時通過電場來實現(xiàn)的。
電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。電場這種物質(zhì)與通常的實物不同,它雖然看不見摸不著(電場不是由分子原子所組成),但它是客觀存在的。比方說日常生活中,我們利用電磁波來傳遞信息(手機,電視機,收音機等等的無線通信,微波爐的加熱等等)。電磁波就是一種變化的電場和磁場(實際上可見光,太陽光都是電磁波)。
電場作為一種客觀存在的物質(zhì),它具有通常物質(zhì)所具有的力和能量等客觀屬性。電場的力的性質(zhì)表現(xiàn)為:電場對放入其中的電荷有力的作用,這種力稱為電場力。當(dāng)電荷在電場中移動時,電荷所受到電場力就會對電荷做功,這說明電場具有能量。
靜電場這一章節(jié)就從力——電場力和能量-電勢能,這兩個角度角度來研究靜電場。
二:電場的描述——電場強度,電場線
為了描述電場,我們在電場中放入檢驗電荷,(就像古裝劇里檢驗酒里有沒有毒我們可以放入銀針試一下),電荷受到的力大,則電荷所處位置的電場較強。我們把電場的強弱叫做電場強度,符號是E,E是矢量。電場強度也簡稱為場強,大小為放入電場中某點的電荷所受的電場力F跟它的電荷量q的比值,即帶電量是一庫侖的電荷在電場中某點時所受到的電場力。場強的方向,我們?nèi)藶橐?guī)定是正檢驗電荷的受力方向相同。那么也就是說正電荷受力方向和電場方向相同,負(fù)電荷受力方向和電場方向相反,F(xiàn)電=Eq。
雖然電場強度可以使我們精確的得到電場中某一個點的電廠強弱,但是并不能使我們對于電場的全貌有所了解。為形象地更宏觀的描述場強的整體分布,人們在電場中畫出一些有方向的曲線,并使曲線上該點的切線方向表示該點電場強度的方向,這就是電場線。電場線的疏密程度表示該處場強的大小。需要我們注意的是電場線是人為畫出的便于形象描述電場分布的輔助工具,并不是客觀存在的(就像數(shù)學(xué)中的輔助線)。
電場線具有下列特性:
(1)電場線上某點切線方向表示該電場強的方向,也是正電荷的受力方向.
(2)電場線疏密表示該處電場的強弱,也表示該處場強的大小.電場線越密集,則該處場強越強。
(3)靜電場電場線始于正電荷,終止于負(fù)電荷或無窮遠(yuǎn)。
(4)靜電場的電場線不相交,不終斷,不成閉合曲線。
三:電場中電荷的能量——電勢能
電荷在電場中受力,如果電荷在電場力方向上運動一定距離,那么電場力就會做功。 根據(jù)前面功能關(guān)系我們知道,功就是能量轉(zhuǎn)換的量度,如果有力做功就有能量的轉(zhuǎn)化(具體講電場力做正功動能增加,電場力做負(fù)功動能減少)。由于這個能量和電場中的位置相關(guān),我們把這個由于處于電場的電荷所具有的能量叫做電勢能。學(xué)習(xí)電勢能時可類比重力勢能(物體由于本身處于重力場中所具有的能量)。電勢能大小的確定,首先要人為的規(guī)定零電勢能的點或面。電場中某位置上電荷的電勢能,就等于把該電荷從某點移動到零勢能點或零勢能面電場力所做的功(可類比重力勢能大小的確定,首先要人為的規(guī)定零勢能的點或面。重力場中某位置上重力勢能,就等于把物體從某點移動到零勢能點或零勢能面重力所做的功)。
通過以上描述,我們知道電勢能和電場中的位置有關(guān),為了描述電場中某點關(guān)于電勢能的性質(zhì),我們定義了電勢。電勢:帶電量是一庫侖的電荷在電場所具有的電勢能。電勢用符號φ來表示,
電勢的單位是伏特(可類比與重力場中的gh這個物理量,EP重=mgh,EP電=φq)。類比與地理上的等高線概念,我們把電場中各個電勢相等的點在的面叫做等勢面。電荷在等勢面上移動電勢能相等,電場力不做功(類比于物體在等高線上移動物體的重力勢能不變,重力不做功)。
四靜電場常見問題與解題方法
1電場和電勢的判斷
(1)點電荷電場線的記憶
(2)電場線和電勢的關(guān)系
WAB=Eqd=qUAB=qΦA(chǔ)-qΦB
正電荷沿電場線方向移動,電場力做正功,電勢能減小,電勢降低;負(fù)電荷沿電場線方向移動,電場力做負(fù)功,電勢能增大,電勢降低。
綜上:不管是正電荷還是負(fù)電荷,只要順著電場線的方向總是電勢減小的方向,逆著電場線總是電勢增大的方向。
2電場力的計算
(1)把電場力放在靜力學(xué)和動力學(xué)中考查
例光滑絕緣水平面上有三個帶電小球a、b、c(可視為點電荷),三球沿一條直線擺放,僅在它們之間的靜電力作用下靜止,則以下判斷正確的是( )
A.a(chǎn)對b的靜電力一定是引力
B.a(chǎn)對b的靜電力可能是斥力
C.a(chǎn)的電量可能比b少
D.a(chǎn)的電量一定比b多
(三帶電小球應(yīng)滿足:三點共一線,兩同夾一異,兩大夾一小。故選:AD)
3電場中電荷的電勢能和動能的轉(zhuǎn)化(特別是勻強電場中)
勻強電場:空間中某個區(qū)域內(nèi)各處場強大小相等,方向相同,則該區(qū)域的電場為勻強電場。例如平行板電容器內(nèi)的電場(除邊緣附近)。
(1)電場力做功的兩種計算方式
W=Eqd(電荷所受電場力和電荷在電場力方向位移的乘積)
WAB=qUAB=q(ΦA(chǔ)-ΦB)=qΦA(chǔ)-qΦB=EA-EB(電場力做功等于電荷的電勢能減小量)
電場力做的功與電勢能變化量
(2)電場中電荷的電勢能和動能的轉(zhuǎn)化
Wab=Epb-Epa=-△Ep
由動能定理:合外力做功就等于動能變化量,W合=W1+W2+W3+.......=△EK
由此可得:WAB=qUAB=Eqd=-△Ep =△EK
電場力做正功,電勢能減少,電勢能轉(zhuǎn)化為動能。
電場力做負(fù)功,電勢能增加,動能轉(zhuǎn)化為電勢能。
4靜電現(xiàn)象
高壓放電,靜電屏蔽
5平行板電容器
平行板電容器是在兩個相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)(空氣也是一種電介質(zhì))組成的一個最簡單的電容器。平行板電容器是最簡單的,也是最基本的電容器,幾乎所有電容器都是平行板電容器的變形。
其電容
在考查時常結(jié)合 U =Ed Q= UC (其中Q為電容器所帶電荷量,U為兩極板間電壓),考查電容器的動態(tài)變化。
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