作者：何志杰、隆平 主编 刘俊玲、马贵生 副主编
出版社：化学工业出版社
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技术物理.下册(第二版)试读：
前言
本书第一版自出版以来，以其简洁实用的特点受到了广大职业院校师生的欢迎。几年来，随着我国职业教育的不断改革，技术物理课程的教学内容和框架体系也在不断发展，发生了不少变化，在这样的形势下，我们对第一版教材进行了修订。与本书第一版相比，第二版在编写时精简了一些不适合当前教学需要的内容，对一些非教学重点内容进行了合并，增加了大量的课外阅读材料，以进一步培养学生的学习兴趣。同时为了使习题练习更好地符合职业院校学生的特点，我们对第一版教材中的部分习题内容进行了一些必要的调整，使其更加实用。
本教材在内容安排上继承了第一版的特点，做到承前启后，一方面注意到与初中所学物理知识的联系，另一方面尽量地为后继相关专业基础的学习做好铺垫，并力图在物理基本知识的框架下，结合职业教育以技能培养为主的特点，注重物理知识的应用性和适用性，而淡化其理论性，注重结论的阐述而淡化过程和推导，注重物理学分析解决问题的思维方法介绍，而淡化原理描述。教材中的实例、例题、习题和实验的选择也本着同样的出发点紧密联系生活和生产实际。
本书由湖南化工职业技术学院何志杰、隆平主编，刘俊玲、马贵生任副主编，何迎建参加编写。
由于编者水平有限，编写时间仓促，疏漏之处在所难免，恳请广大师生和读者批评指正。编者2018年4月第三篇 电磁学第九章 静电场学习指南本章学习静电学知识，讨论静止电荷相互作用的规律，认识一种特殊的物质——电场，掌握电场的基本性质以及有关物理量的关系，了解静电场在实际中的广泛应用，为以后各章的学习打好基础。对电场性质的研究，将有助于更深入地认识电磁现象和电磁规律。本章要求掌握的知识为：电荷与电荷守恒定律；电场及其表示；电场强度与电势、电势差；带电粒子在静电场中的运动；静电平衡现象及其应用。第一节 库仑定律一、电荷和电荷量
用塑料尺与衣服摩擦几下，能够吸引纸屑、羽毛等轻小物体，如图9-1所示。若将塑料尺与验电器接触，验电器的箔片立即张开。这是由于摩擦使尺子带了电，或者说带了电荷，这种使物体带电的方法叫做摩擦起电，如图9-2所示。自然界只有两种电荷：正电荷和负电荷。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。图9-1 摩擦起电图9-2 验电器
组成物质的原子是由原子核和核外电子构成的。电子带负电，原子核里的质子带正电。通常情况下，物体所包含的正、负电荷是等量的，对外呈电中性，即不带电。当物体包含的正、负电荷不等量时，物体就带电。例如，用绸布摩擦玻璃棒，玻璃棒失去电子而带正电，绸布由于获得电子，负电荷过剩而带负电。可见，物体带电过程是电子的转移过程。
物体所带电荷的多少叫做电荷量，常用Q（或q）表示。在国际单位制中，电荷量的单位是C（库仑）。质子和电子带有等量异种电荷，电荷量的数值e最早是由美国科学家密立根用实验测得的。实验还表明，所有带电体的电荷量或者等于电荷量e，或者等于电荷量e的整数倍。因此，电荷量e 叫做元电荷。密立根测量元电荷（以及光电效应方面的研究）而获得1923年诺贝尔物理学奖。元电荷通常可取-19e=1.60×10C二、电荷守恒定律
摩擦前的绸布和玻璃棒都不带电，它们的电荷量为零。摩擦后，它们所带的是等量异种电荷，电荷量的代数和仍为零。若让它们接触，又都不带电了，这种现象叫做电荷的中和。研究各类电荷重新分配的过程后发现：不论电荷在两个或多个物体间如何重新分配，电荷量的代数和必定不变。这个结论叫做电荷守恒定律。它是自然界中最重要的守恒定律之一。在宏观或微观过程中，从未发现过违背电荷守恒定律的现象。三、真空中的库仑定律
电荷之间的相互作用力有多大？与哪些因素有关呢？
法国物理学家库仑（1736～1806），于1785年利用库仑扭秤研究了静止的点电荷间的作用规律。所谓点电荷是物理学中的一种理想化的物理模型。如果带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状和大小对相互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。
在真空中，两个静止点电荷之间相互作用力的大小，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫做真空中的库仑定律，如图9-3所示。图9-3 电荷相互作用
用公式表示 （9-1）
式中，F、q、r的单位分别是N、C、m，K叫做静电力恒量，由922实验测得K=9.0×10 N·m/C。电荷之间的相互作用力叫做静电力或库仑力。
应用上式计算时，电量可取绝对值，F的方向可根据“同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引”的规律来判断。如果一个点电荷同时受到两个或两个以上点电荷作用时，那么它受到的静电力，是各点电荷对它的作用力的合力。
库仑定律是电磁学的基本规律之一，它与万有引力定律有相似之处。【例题9-1】 在氢原子中，原子核内只有一个质子，核外只有一-115个电子，它们之间的距离r=5.3×10m约为本身半径的10倍，可看成点电荷。求氢原子核与电子间的库仑力。
解 根据式（9-1），氢原子核与电子间的库仑力【小实验】
将一段金属导线对折后穿过绝缘的瓶盖，导线上端弯成圈状，下端弯成小钩，钩上两片很轻的金属箔，金属箔长约20mm，宽约5mm，两金属箔片尽量靠近。将此瓶盖盖在玻璃瓶口，带金属箔片端插入玻璃瓶内，即制成一个验电器，注意保持瓶盖和玻璃瓶干净和干燥，然后就可以用制作的验电器来检查摩擦后的几种物体是否带电了。讨论：
按照附录Ⅱ所给的数据，算一算氢原子核与电子的万有引力，你会看到，它远小于库仑力。因而，在研究微观世界的各种物理过程时，万有引力可忽略。习 题
1.选择与填空题（1）使一个物体带电的方式有三种，它们是________、________和________。在这三种方式中，电荷既没有被创造，也没有被消灭，只是________转移到另一个物体，或者从物体的________移到另一部分，而且电荷的总量不变，这个结论也被称之为________定律。（2）元电荷作为电量的单位，元电荷的电量为________；一个电子的电量为________，一个质子的电量为________；任何带电粒子，所带电量是电子或质子电量的________倍。（3）关于点电荷的下列说法中正确的是（ ）。
A.真正的点电荷是不存在的
B.点电荷是一种理想模型
C.足够小的电荷就是点电荷
D.一个带电体能否看成点电荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计（4）将不带电的导体A和带有负电荷的导体B接触后，在导体A中的质子数 （ ）。
A.增加
B.减少
C.不变
D.先增加后减少
2.一顾客在购物时，很难打开新塑料袋，如果请你帮忙，如何打开？
3.用带负电的橡胶棒靠近用细绳悬挂着的一小块泡沫塑料，若塑料被吸引，能断定它一定带正电吗？若塑料被排斥，能断定它一定带负电吗？-8
4.电荷量是4.8×10C的电荷中含有多少个元电荷？
5.“电荷量不相等的两个电荷，它们相互作用的库仑力的大小也不相等”，这种说法对吗，为什么？-9
6.在真空中，电荷量为2.7×10C点电荷q受到另一个点电荷q的12-5吸引力为8.0×10N，q与q 间的距离为0.1m，求q的电荷量。122
7.两个相同的均匀带电的小球，分别带q=1C，q=-2C，在真空12中相距r，作用力为F，请问：①将q、q 电荷量均加倍，相互作用12力是多少？②只改变q、q 电性，相互作用力是多少？③将距离r增12大至2倍，相互作用力又是多少？④将两球接触后放回原处，相互作用力又是多少？若要使F不变，应如何放置两球？阅读材料 我国古代对电的认识
早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现“電”字。 古人对电的认识主要局限于雷电。
王充在《论衡·雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富。明代张居正通过细致入微的观察，详细地记述了闪电火球的大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了宝贵的文字资料。《淮南子·坠形训》认为：“阴阳相搏为雷，激扬为电”，明代刘基认为：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。《南齐书》对雷击有详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”，描写了雷电电流将佛面的金属膜融化，而木制窗户仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对雷击现象描写更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也。”由于漆器、刀室是绝缘体，宝刀、银扣是导体，所以才会发生这种现象。第二节 电场与电场强度一、电场
力是物体间的相互作用。真空中两个不接触的带电体，它们之间不需要有任何由原子、分子组成的物质作媒介，依然存在着静电力，这种力依靠什么来传递呢？英国的法拉第（1791～1867）首先发现，电荷周围存在着一种叫做电场的特殊物质，电荷间的相互作用，是借助于它们自己的电场施加给对方的
只要有电荷存在，电荷的周围就存在着电场。电场的基本性质就是对置于其中的电荷有力的作用，这种力叫做电场力。静电力就是电场力。
近代物理学的理论和实验完全肯定电场的观点。除了电场，还可以引入磁场、引力场来解释磁相互作用力和万有引力。电场和磁场显然跟分子、原子组成的物质不同，不具有实体物质的不可入性（两个实物不能占据同一空间），而且几种不同的场可以同时占据同一空间而互不影响（收音机在同一地方可以收到不同电台信号），即场的可叠加性，是客观存在的一种特殊形态。本章只讨论静止电荷所产生的电场，这种电场叫做静电场。二、电场强度
一个检验电荷q（电量足够小的点电荷）置于由Q（Q为场源电荷）形成的电场中受到的电场力的情况。如图9-4所示，电荷在电场中的不同点受到的电场力的大小和方向一般是不同的，这表明各点的电场强弱不同，而且电场具有方向性。电场中哪点的电场强呢？图9-4 检验电荷受到的电场力
如果把电荷量不同的检验电荷q和q'，分别放在电场的同一点，它们受到的电场力分别为
不难看出
上式说明，在电场中的同一点，比值F/q是恒定的，与检验电荷无关，只取决于电场本身。在电场中的不同点，这个比值一般各不相同，离Q近（r小）的点，这个比值大，q受到的电场力就大，表明该处电场强；离Q远（r大）的点，这个比值小，q受到的电场力就小，表明该处的电场弱。可见，F/q这个比值的大小反映了电场的强弱。
置入电场中某点的检验电荷受到的电场力F与它的电量q的比叫做该点的电场强度，简称为场强。即 （9-2）
E的单位是N/C（牛顿/库仑）。上式适用于任何电场。计算E的大小时，F、q均取绝对值。
电场强度是矢量。物理学中规定：电场中某点场强的方向就是正电荷在该点受到的电场力的方向。
如果已知某点的场强E，那么任一电荷在该点所受到的电场力就是F=Eq （9-3）
正电荷在某点所受电场力的方向与该点场强的方向相同，负电荷在某点所受电场力的方向与该点的场强方向相反。三、点电荷电场的场强
如果电场是由单个点电荷Q产生的，那么，由式（9-2）可知，与场源电荷Q相距r的任一点的场强大小 （9-4）
上式为真空或空气中点电荷电场的场强大小的计算公式。计算时Q取绝对值。由公式可看出，某点场强的大小与激发电场的电荷所带电量Q及该点到电荷的距离r有关，而与检验电荷所带电量q无关（检验电荷相当于一个测量工具），场强的方向由正电荷在该点的受力方向判断。当Q为正电荷时，电场中各点场强的方向沿着该点与Q的连线指向外；当Q为负电荷时，电场中各点场强的方向沿着该点与Q的连线指向Q。如图9-5所示。图9-5 正、负点电荷的场强
如果有几个点电荷同时存在，它们各自按上述规律激发电场，这时，电场中任一点的场强就等于各点电荷在该点产生的场强矢量的合成，如图9-6所示。图9-6 场强的叠加【例题9-2】 在点电荷Q的电场中，距Q为r=30cm的P点处的场4强E=5.0×10N/C，E的方向指向Q，求：①场源电荷Q的电荷量大小-8及电荷种类；②在P点处放一q=-2.0×10C的点电荷所受电场力的大小和方向。
解 ① 由点电荷的场强公式得
由图9-5（b）可知，Q是负电荷-84-3
② 所受电场力的大小为 F=qE=2.0×10×5.0×10=1.0×10N
F的方向与E的方向相反【例题9-3】 如图9-7所示，在真空中有两个点电荷Q=+2.0×1-6-610C和Q=+8.0×10C，分别放在相距60cm的A、B两点，试求A、B2连线中点P的场强。图9-7 例题9-3图
解 Q在中点P产生的场强大小为1
E方向水平向右1
Q在中点P产生的场强大小为2
E 方向水平向左，中点P的场强为E 和E 的合矢量，选E方向2122为正方向
则555E=E-E=8.0×10-2.0×10=6.0×10N/C21
E方向与E 方向相同，即水平向左。2四、电场线
为了形象地描绘电场，法拉第采取了用电场线来表示电场的办法。在电场中画出一系列假想的曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟该点场强方向一致，这样的曲线就叫做电场线。图9-8是一条电场线，A、B、C各点的场强如图所示。电场线的形状可以用实验来模拟，把奎宁的针状结晶或头发屑浮在蓖麻油里，就可以看到这些细屑按照场强的方向排列起来，显示出电场线的分布情况。图9-9是孤立点电荷的电场线，图9-10是两个等量的点电荷的电场线。图9-8 电场线 图9-9 孤立点电荷的电场线图9-10 两个等量点电荷的电场线
静电场的电场线有如下特点：①电场线总是从正电荷（或者从∞远处）出发，终止于负电荷（或者∞远处），电场线不闭合、不相交；②电场强的地方电场线密集，电场弱的地方电场线稀疏。
在电场的某一区域里，如果各点场强的大小和方向都相同，这个区域的电场叫做匀强电场。两块大小相等、靠得很近的平行金属板，互相正对，分别带有等量的正负电荷。两板之间的电场除边缘外就是匀强电场，如图9-11所示。匀强电场的电场线是疏密均匀、互相平行的直线。图9-11 匀强电场习 题
1.选择与填空题（1）电场中有一点P，下列哪些说法正确的是（ ）。
A.若放在P点的检验电荷的电量减半，则P点的场强减半
B.若P点没有检验电荷，则P点的场强为零
C.P点的场强越大，则同一电荷在P点受到的电场力越大
D.P点的场强方向为检验电荷在该点的受力方向（2）关于电场强度，下列说法正确的是（ ）。
A.E=F/q，若q减半，则该处的场强变为原来的2倍2
B.E=kQ/r中，E与Q成正比，而与r平方成反比
C.在以一个点电荷为球心，r为半径的球面上，各点的场强均相同
D.电场中某点的场强方向就是该点所放电荷受到的电场力的方向-9（3）真空中有一电场，在电场中的P点放一电量为4×10C的试-5探电荷，它受到的电场力2×10N，则P点的场强度________； 把试-5探电荷的电量减少为2×10C，则检验电荷所受的电场力为________；把试探电荷取走，则P点的电场强度为________。
2.地球拥有大量电荷，它们通常在地球表面产生一个竖直方向的电场，电子在此电场中受到一个向上的力。请问：地球表面的场强方向如何，地球带何种电荷？-5
3.电荷量为3.0×10C的点电荷q，在电场中某点受到的电场力是-32.7×10N。①计算点电荷q所在点的场强；②q的电荷量增加一倍时，该处的场强多大？③把q移走，该处的场强又是多大？
4.图9-12是电场某区域的电场线分布图。①比较A、B两点的场强大小；②画出各点的场强方向；③把负电荷放在A点，画出它所受电场力的方向。图9-12 某电场线-8
5.两个分别带有2.0×10C的等量异种电荷，相距6cm，求在两个电荷连线中点处场强的大小和方向。
6.密立根油滴实验是历史上著名的测量电荷的实验。如图9-13所示，从喷雾器喷出的油滴由于摩擦而带电，进入A、B间的匀强电-154场。当油滴的质量m=1.47×10kg，场强为E=9.0×10N/C时，油滴静止不动。请问这个油滴带何种电荷？电荷量是多少？图9-13 密立根实验阅读材料 物质的第二种形态——场
电荷间或磁体间的相互作用力是怎样发生的呢？围绕这个问题，在历史上曾有过长期的争论。一种观点认为这类力（万有引力、电场力、磁场力等）不需要任何媒介传递，也不需要时间，就能由一个物体立即传递到一定距离的另一物体上，这种观点叫做超距作用；另一种观点认为这类力是通过充满空间的弹性媒质——“以太”来传递的，这种观点叫做近距作用。近代物理学的发展可以证明，超距作用的观点是错误的，近距作用观点中的那种“弹性以太”也是不存在的。法拉第通过实验发现，电、磁作用跟电荷或磁体之间的媒质有关。电磁作用的传递由媒质的性质决定，在真空中以光速传递。法拉第认为电荷或磁体在周围空间产生电场和磁场。电作用或磁作用正是通过电场或磁场传递的。现在，科学实验和生产实际已完全肯定了场的观点。电场、磁场以及将要学习的电磁场，都是物质的一种形态，它们具有能量，也具有动量。如无线电通信就是以电磁波的形式来传递电磁场能量的。电磁波对固体有压力作用（列别捷夫实验）则是电磁场具有动量的证明。场是物质，但又跟常见的由分子、原子组成的实物不同。所以又称场为物质的第二种形态。对于初学者来说，电场、磁场以及引力场，似乎令人难以琢磨，但是通过学习会逐步产生实在感。第三节 电势与电势差一、电势能
现在运用类比法从能量的角度来研究电场的性质。
地球上的物体受到重力的作用，具有重力势能。物体下落时，重力做了多少正功，物体就减少多少重力势能；物体上升时，克服重力做了多少功，物体就增加多少重力势能。与此类似，电荷在电场中受到电场力的作用，具有电势能，而且电场力对电荷做了多少正功，电荷就减少多少电势能；电荷克服电场力做了多少功（电场力做了多少负功），电荷就增加多少电势能。如图9-14所示，电场力做功与电荷电势能变化的关系可用下式表示W=E-E （9-5）ABPAPB图9-14 重力场与电场
式中的W是点电荷从电势能为E的A点，移到电势能为E的ABPAPBB点时，电场力做的功。二、电势
在重力场中某一点，物体具有的重力势能E=mgh与物体的质量Pm成正比，但重力势能与物体重力大小的比值mgh/mg=h与质量无关，常称它为地势。地势的高低反映了重力场的性质。类似地，电荷在电场中某一点具有的电势能跟电荷量成正比，但电势能与电荷量的比值，与电荷量无关，是一个恒量，它反映了电场本身的性质。
电场中某点处，电荷的电势能E与电荷量q的比值叫做该点处的P电势（也叫电位）。通常用V表示，即 （9-6）
电势在数值上等于单位电荷在该点所具有的电势能。在国际单位制中，电势的单位是V（伏特，简称伏）。如果电荷量为1C的电荷，在电场中某点的电势能为1J，这点的电势就是1V，即1V=1J/C。
电势是标量。与重力势能一样，电势能的大小跟零势能的选择有关，电势能的零点也就是电势的零点。在工程技术中，常选大地或仪器中公共地线为电势的零点，叫作接地。
电势是反映电场能的性质的物理量。与场强概念相似，电场中某点处的电势与检验电荷无关。电势是反映电场本身属性的物理量。三、电势差
电场中两点之间电势之差叫做电势差，用U表示，电势差也叫电压。设电场中A、B两点的电势分别为V和V，则A、B两点的电势差AB为U=V- V （9-7）ABAB
显然U=V-VBABA
又因为
所以
即W=qU=q（V-V） （9-8）ABABAB
上式说明，电荷在电场中两点间移动时，电场力所做的功等于电荷量与这两点间电势差的乘积。
应用公式时，式中各量都有正负号。电场力做正功，W＞0，AB电场力做负功，W＜0；正电荷Q＞0，负电荷Q＜0；V＞V，ABABU＞0；V＜V，U＜0。ABABAB【例题9-4】 在只有电场力作用下，原来静止的正、负电荷将如何运动？
解 在电场力作用下，即电场力做正功，W＞0
当q＞0 W=qU 因为W＞0 所以U＞0 即V＞VABABABABAB
当q＜0 W=qU 因为W＞0 所以U＜0 即V＜VABABABABAB
所以，在电场力作用下，正电荷一定由高电势向低电势的地方运动，负电荷一定由低电势的地方向高电势的地方运动。-8【例题9-5】 在图9-15所示的电场中，把正电荷q=2×10C由A点-8移动到B点，电场力做的功W=4×10J。①求AB两点间的电势差U；AB②选V=0，求V；③沿电场线方向，电势升高还是降低？④将电荷BA-8q=-4×10C由B点移到A点，求电场力所做的功W。BA图9-15 例题9-5图
解
② U=V-V，取V=0，V=U=2VABABBAAB
③ V＞V，沿电场线方向，电势降低。AB
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