1、物理必 修第三册普通高中教科书上海科学技术出版社WULI物理第三册上海科学技术出版社物理必 修第三册必修普通高中教科书定价：11.00元物理普通高中教科书必 修第三册上海科学技术出版社主编：蒋最敏 高 景本册主编：严 明编写人员： （以姓氏笔画为序）王肇铭 严 明 李沐东 陈琪琪 赖佳颖责任编辑：施 成 张 燕 李林高美术设计：房惠平普通高中教科书 物理 必修 第三册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版上海世纪出版 ( 集团 ) 有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路71号邮政编码200235）发行上海新华书店印刷上海中华印刷有限公司版次2021 年 1 月第 1 版印次202
2、1 年 1 月第 1 次开本890 毫米 1240 毫米1/16印张8.75字数195 千字书号ISBN978-7-5478-5220-0/G1025定价11.00 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十三条有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。目录1目录第九章静电场 / 1第一节 静电现象 电荷 / 2第二节 电荷的相互作用 库仑定律 / 7第三节 电场力 电场
3、强度 / 12第四节 电势能 电势 / 18第五节 带电粒子在电场中的运动 / 23第六节 电容 电容器 / 29第七节 静电的利用与防范 / 36第十章电路及其应用 / 44第一节 简单串联、并联组合电路 / 45第二节 电阻定律 / 51第三节 测量金属丝的电阻率 / 56第四节 多用电表 / 63第五节 闭合电路欧姆定律、电源电动势及内阻 / 68第六节 电源电动势和内阻的测量 / 73第七节 电功、电功率及焦耳定律 / 77第八节 家庭电路 / 812目录第十一章电磁场与电磁波初步 / 89第一节 磁现象 磁感线 / 90第二节 电流的磁场 磁感应强度 / 93第三节 磁通量 电磁感应
4、现象 / 99第四节 电磁场与电磁波 / 105第十二章能源与可持续发展 / 114第一节 能源及其应用 / 115第二节 能量的转化 / 121第三节 能源与环境 / 1251 第九章静电场 在本章中我们将：1. 了解静电现象，知道两个电荷间相互作用的规律。知道电场是一种物质。2. 体会探究库仑定律过程中的科学思想。体会运用类比、比值等方法定义物理量。3. 了解生产生活中关于静电的利用与防护，了解电容器的作用。 本章的学习涉及电场强度、电场力等概念，会从多视角描述电场的特性，解释相关的静电现象。 本章的学习有助于提升物质、相互作用和能量的观念。图示为经头发反复摩擦后的塑料梳子靠近细小水流，使
5、竖直下落的细小水流发生偏转。我国东汉王充论衡书中就有“顿牟掇芥”的记载，就是玳瑁摩擦后能吸引轻小物体的静电现象。摩擦后的梳子为何能使细小水流偏转？2第九章 静电场图 9-1 摩擦后的气球可使猫毛竖起在生活中静电现象是十分常见的。比如章导图所示的摩擦过的梳子可以吸引细小水流；摩擦后的气球可使猫毛竖起（图 9-1） ；冬天脱毛衣的时候常会听到“噼噼啪啪”的声音，黑暗中还能看见毛衣“冒火星” ；有时候用钥匙去开门或触摸金属门把手的时候会突然感觉被刺了一下；自然界中的闪电等都是静电现象。第一节静电现象 电荷日常生活中你还经历过哪些静电现象？大家谈我们已经知道，电荷分为两种：正电荷和负电荷。电荷间存在相
6、互作用：同号电荷间相互排斥，异号电荷间相互吸引。静电是如何产生的？静电可通过物体间的摩擦、接触、感应等方法来产生。1. 摩擦起电物体是由分子、原子组合而成，而原子的基本结构为原子核和核外的电子，原子核由3第一节 静电现象 电荷质子和中子组成。科学家们发现质子带的电荷为正电荷，中子不带电，而电子带负电荷。在正常状况下，一个原子的核内质子与核外电子正、负电荷彼此平衡，物体对外表现不出带电性。但是，如果物体受到摩擦的作用，就会使原子中的电子发生转移而使自身的正负电荷不平衡，从而使物体呈现带电性。两个物体发生摩擦时，得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。在日常生活中所说的摩擦起电实质上就是两种物
7、体间相互摩擦而使电子转移的过程。如图 9-2 所示，当橡胶棒和毛皮在一起互相摩擦时，毛皮上的电子转移到橡胶棒上，橡胶棒得到电子导致带负电荷，毛皮失去电子导致带正电荷。2. 接触起电接触起电是指带电体和不带电的物体相接触而使后者带电的现象。例如，用毛皮摩擦过的橡胶棒与验电器接触，使验电器带电，这就是接触起电的例子。3. 感应起电如图 9-3 所示，一对用绝缘柱支撑的不带电的导体 A 和 B 彼此接触，A、B 下方均连有两片闭合的金属箔。观察下列几种情况下金属箔的变化情况。 把带正电荷的物体 C移近导体 A； 把 A 和 B 分开，然后移去 C； 再让 A 和 B 接触。图 9-3 静电感应现象（
8、a）（b）图 9-2 摩擦起电毛皮橡胶棒我们可观察到带电体 C 移近导体 A 时，A、B 下方的金属箔张开；把 A 和 B 分开，然后移去C时，可观察到A、B下方的金属箔仍然继续张开；再让A和B接触时，可观察到A、B 下方的金属箔立即闭合。这说明 A、B 两部分带上了电性相反的异号电荷。4第九章 静电场大量实验发现，若将一个带电体靠近一个不带电的导体，该导体在靠近带电体的一端聚集了与带电体相反的电荷，而远离带电体的一端聚集了与带电体相同的电荷。这种现象叫作静电感应（electrostatic induction） 。通过静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电。摩擦起电、接触起电、感应起电从本
9、质上都源于物质的原子中的电子在不同物体间或者同一物体的不同部分间发生了转移，它们之间电荷的总量并没有发生变化。物理学中往往把研究的物体或物体的集合作为一个系统。对于一个孤立系统，不论发生什么样的物理过程，系统内电荷总量保持不变。电荷可以从一个物体转移到其他物体，或者从物体的一部分转移到其他部分，但在转移过程中电荷的总量保持不变。这就是电荷守恒定律（law of conservation of charge） ，它是物理学的一条基本定律。现代物理研究表明，在粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和消失的，然而电荷守恒定律依然成立。例如，在正、负电子对的产生与湮灭过程中，正、负电荷总量始终为零。为了
10、观察静电现象，人们设计了许多专门产生静电的设备，如图 9-4 所示就是两种常用的起电机。如何描述物体所带电荷的多少？不同带电体带电的多少往往是不同的。物体所带电荷的多少叫做电荷量（amount of electric charge） ，用符号 Q 或 q 表示。电荷量是标量，我们通常取正电荷的电荷量为正值，取负电荷的电荷量为负值。电荷量的国际单位是库仑，简称库；符号为 C。库仑是一个相当大的电荷量单位，因此通常还用微库作电荷量单位，符号为 C。库仑和微库的换算关系是1 C = 10-6 C物体所带电荷的电荷量不是任意的，而是某个最小电荷量的整数倍。人们把最小电荷量叫做元电荷（elementar
11、y charge） ，用符号 e 来表示，通常 e 取 1.610-19 C。任何带电体所带电荷都是 e 的整数倍。实验表明，单个质子携带的电荷量为 e，单个电子携带的电荷量则为 -e。图 9-4 两种常用的起电机（b）范德格拉夫起电机（a）手摇起电机5第一节 静电现象 电荷实验器材包括验电器（图 9-6） 、数字式静电计（图 9-7） 、玻璃棒、橡胶棒、丝绸、毛皮。图 9-6 用验电器检测物体是否带电图 9-7 用数字式静电计检测物体所带的电荷量金属球金属杆金属箔金属球金属杆金属箔美国科学家密立根（R. A. Millikan，18681953）在 19071913 年间首次测定了元电荷的电
12、荷量，为此获得了 1923 年的诺贝尔物理学奖。他设计的实验装置如图 9-5 所示，实验中用一个喷雾器向一个透明的圆柱形容器里喷入带电油滴；容器中的 A、B 板分别连接电源的两极，使A 板为正极板、B 板为负极板；带负电的油滴在 A、B 之间受重力、电场力和空气阻力的作用而运动，可以通过改变极板间的电压来控制油滴的运动。当油滴所受的重力与极板间电场的作用力和空气阻力平衡时，油滴可静止悬浮于电场中。为测得电荷量，还需测得油滴质量。两极板间不加电压，油滴受重力作用而加速下降。由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度后，油滴所受的重力与阻力平衡，油滴将匀速下降，通过计算得到油滴的质量。经过反复实
13、验，得出结论：油滴的电荷量是某个最小固定值的整数倍，这个最小固定值就是单个电子的电荷量的绝对值。现在得到的元电荷的精确值在 2019 年更正为：e = 1.602 176 63410-19 C，一般情况下可取值 e = 1.6010-19 C。自 主 活 动图 9-5 密立根油滴实验使用验电器或数字式静电计观察、测量摩擦后物体的带电情况。使用验电器时，将带电体接触验电器的金属球，根据下方金属箔张角的变化可定性显示金属球所带的电荷量的多少。使用数字式静电计时，按下数字式静电计的调零按键将电荷量的显示归零。将物体接触数字式静电计的金属球，数字式静电计的屏幕定量显示金属球所带的电荷量。6第九章 静电
14、场问题思考与1. 木髓球是一种由轻质材料制成、外部涂一层石墨或铝的轻质小球。现有一个悬挂在绝缘线上的木髓球，如何判断木髓球是带正电荷、带负电荷还是不带电？2. 某次雷雨时一次闪电从云层向地面输送了 32 C 的负电荷，在这个过程中有多少个电子到达地面？3. 高速飞行的飞机机身会带上静电；当飞机靠近带电的云层时，飞机靠近云的一侧会带上与之相反的电荷。试分析上述两种情况下机身带电的主要原因。4. 四个完全相同、相互间隔较远的导体球，A 球所带电荷量为 +16 Q，B 球所带电荷量为 -32 Q，C 球所带电荷量为 +48 Q，D 球不带电荷。首先，将 D 球接触 A 球后分开；然后，将 D 球接触
15、 B 球后分开；最后，将 D 球接触 C 球后分开。问：D 球上最终的电荷量是多少？5. 密立根通过实验测得了元电荷的电荷量为 e = 1.60210-19 C。实际测量时测得的部分油滴电荷量的数据如表 9-1 所示，通过对这些实验数据作分析，给出结论。表 9-1序号电荷量序号电荷量序号电荷量16.56310-19 C413.1310-19 C719.7110-19 C28.20410-19 C516.4810-19 C822.8910-19 C311.5010-19 C618.0810-19 C926.1310-19 C7第二节 电荷的相互作用 库仑定律在如图 9-9 所示的场景中，将塑料丝
16、的一半撕成细丝，用干燥的手掌握住塑料丝捋几下，塑料丝就会散开。我们在初中已经知道，电荷之间有相互作用，同号电荷间相互排斥、异号电荷间相互吸引。塑料丝散开正是因为手掌的摩擦在其上产生同号电荷相互排斥的结果。这种静止电荷之间的相互作用又叫做静电力。静电力的大小由哪些因素决定？如图 9-10 所示，把一个带正电的物体放在 M 处，然后把系在丝线上带正电的小球悬挂在 P 位置，小球带动丝线发生偏转；改变 M 处带电体与小球之间的距离，观察偏角 的变化；固定带电体的位置，改变其所带电荷量的大小，观察偏角 的变化。带正电物体和小球间有静电排斥力作用，我们可以通过偏角 的大小来定性判断小球受到的静电力的大小
17、；偏角 越大表示小球受到的静电力越大。通过这样的实验，我们可初步知道电荷间相互作用力的大小与带电体间的距离有关，距离越小，作用力越大；静电力的大小还与两电荷的电荷量的大小有关，电荷量越大，作用力越大。第二节电荷的相互作用 库仑定律图 9-8 库仑扭秤实验装置图手稿图 9-9 相互排斥的塑料绳细丝图 9-10同号电荷间的相互排斥8第九章 静电场如何定量探究电荷间相互作用力的规律？18 世纪中叶以前，研究带电体之间的静电力遇到三大困难：一是任意带电体上的电荷分布难以确定，无法确定相互作用的电荷间的距离；二是这种静电力非常小，没有测量如此小力的工具；三是当时还没有度量电荷量的单位，也就无法确定电荷量
18、的大小。法国物理学家库仑（C. A. de Coulomb，17361806）巧妙地解决了这些困难。他根据电荷在金属球表面上均匀分布的特点，把金属球上的电荷想象成集中在球心的“点电荷” 。这一模型就解决了测量带电体之间距离的问题。与质点模型类比，带电体抽象为点电荷的条件是什么？大家谈当带电体的形状、大小、电荷分布对电荷间相互作用力的影响可以忽略时，带电体可以看成带有电荷的点，这样的带电体叫做点电荷。助 臂一库仑设计制作了一台能够测出微弱作用力的扭秤，用以测量两个同种点电荷之间的作用力，如图 9-8 所示就是他当时的手稿，装置主要结构如图 9-11 所示。库仑从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比
19、的方法来研究电荷间的相互作用。如图 9-11 所示，库仑扭秤固定装置中有一根弹性扭丝（细金属丝、石英玻璃丝等） ，它的一端固定在一个旋转螺丝上，另一端连接绝缘棒的中点，使绝缘棒水平悬挂在扭丝上；绝缘棒的一端有一个金属小球 A，另一端是一个质量大小相同的金属小球 B；在离 A 不远处放一个跟 A 相同的金属球 C。当弹性扭丝处于自然状态时，调节螺丝使 A 与 C 接触；接着使 C 带电，则 A、C 带同号电荷，它们之间的斥力使绝缘棒发生转动，扭丝扭转，使得绝缘棒重新平衡。根据扭丝的扭转角 与使扭丝扭转的力 F 成正比的规律就可以找出电荷间的相互作用力跟距离的关系。根据库仑对电荷间的相互作用力的研
20、究历史，当年库仑得到表 9-2 所示的三组实验数据。他分析在电荷量一定的条件下弹性扭丝的扭转角 与两带电体 A、C 之间距离 r 的关系，得到图 9-11 库仑扭秤实验装置9第二节 电荷的相互作用 库仑定律弹性扭丝的扭转角 与 r 的二次方成反比 r21 。再根据电荷间的相互作用力 F 与扭丝的扭转角 成正比（F ） ，并以 9 个刻度对应 1 单位的距离，由表 9-2 的数据可得两带电球间的距离与静电力之间的关系，如表 9-3 所示。表 9-2 弹性扭丝的扭转角 与两带电体之间距离 r 的关系实验序号两带电体之间距离 r扭丝的扭转角 136 个刻度36218 个刻度144 3*8.5 个刻度
21、575.5实验序号两带电体之间距离 r距离之比扭丝的扭转角 静电力之比136 个刻度4361218 个刻度2144438.5 个刻度0.94575.515.99表 9-3 库仑扭秤实验的数据处理库仑用扭秤进行实验，通过和万有引力的类比较快得出了电荷间作用力F跟距离r的二次方成反比 r21F 的规律。如仅靠实验数据的积累，也许这个规律的发现可能会被推迟。电荷间的相互作用力一定和电荷量有关。库仑细心地发现两个相同的带电金属球相互接触后，它们对相同距离外的第三个带电小球的作用力相等，所以他断定这两个小球所带的电荷量相等。利用了电荷在两个相同金属球之间等量分配的原理，可把带电小球的电荷量 q 分为 2
22、q，4q，8q， 这样就保证了实验中金属球的电荷量成倍变化。从而，库仑发现了电荷间的相互作用力 F 与电荷量 q的关系，即 F 与电荷量 q1、q2的乘积成正比（F q1q2） 。综上可得，r2q1q2F。类比是根据两个不同对象的部分特性相似而推出它们其他性质也可能相似的一种推理方法。类比是一种重要的科学方法，在科学发展史中发挥了巨大的作用。在库仑之前，就有很多科学家将静电力与万有引力进行类比，猜想静电力也与距离的二次方成反比。助 臂一* 第三组数据略有偏差，库仑分析是因为漏电所致。10第九章 静电场真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们之间的距离的二次方
23、成反比，作用力的方向在它们的连线上。这叫做库仑定律（Coulombs law） ，可用下面的公式表示r2q1q2F = k电荷间的这种相互作用的静电力又称为库仑力。式中 k 叫做静电力常量，在国际单位制中，k = 9109 Nm2/C2。就是说，两个均带 1 C 电荷量的点电荷即使在相距 1 m 的情况下，它们相互间的库仑力依然高达 9109 N，可见库仑（C）是个很大的电荷量单位。示例1 如图9-12所示，真空中有两个点电荷q1和q2，它们的电荷量分别是4.010-9 C和-2.010-9 C， 两点电荷间相距 10 cm，求这两个点电荷间的相互作用力。 （已知静电力常量 k = 9109
24、Nm2/C2）分析：在运用库仑定律时，物理量都要采用国际单位制；点电荷的电荷量可用绝对值代入，这样可以避免因对正、负号意义混淆不清而造成错误；库仑力的方向可以通过同号电荷相互排斥、异号电荷相互吸引来直接判断。解：以电荷 q2为研究对象，q2受到 q1对其的静电力作用，根据库仑定律，q1对 q2的静电力的大小r2|q1|q2|F12 = k(0.10)24.010-92.010-9= 9109N = 7.210-6 N方向为沿 q1、q2连线指向 q1。同理，以电荷 q1为研究对象，根据库仑定律，可得 q2对 q1的静电力 F21与 q1对 q2的静电力 F12大小相等、方向相反、作用在同一直线
25、上。因此 F21大小也为 7.210-6 N，方向为沿 q1、q2连线指向 q2。示例 2 已知氢原子中质子的质量为 m1 = 1.6710-27 kg，电子的质量为 m2 = 9.110-31 kg， 在氢原子内质子和电子间的距离为 r = 5.310-11 m，求氢原子中质子与电子之间的库仑力和万有引力大小的比值。（已知引力常量G = 6.6710-11 Nm2/kg2，静电力常量k = 9109 Nm2/C2， 元电荷 e = 1.610-19 C）分析：氢原子内质子和电子间距离为 5.310-11 m。当代物理学认为氢核即质子，其直径在 10-15 m 量级，而电子直径则在 10-18
26、 m 量级，两带电体间距离远大于带电体的直径，故质子和电子均可看成质点和点电荷。它们间的相互作用符合万有引力和库仑定律的适用范围。解：设质子和电子间的库仑力为 F1，万有引力为 F2，质子所带电荷量为 q1，电子所带电荷量为 q2，则由库仑定律和万有引力定律r2r2q1q2m1m2F1 = kF2 = G，图 9-12 两个点电荷间的相互作用11第二节 电荷的相互作用 库仑定律可得彼此间的库仑力和万有引力大小之比为试比较带电粒子间的静电力和万有引力在力的大小、方向和表达式上有何异同。大家谈问题思考与1. 在研究带电体间相互作用力的过程中，库仑利用扭秤实验巧妙解决了电荷量测量问题和微小库仑力测量
27、问题。库仑扭秤实验采用了哪些科学思想方法？在实验中如何体现？2. 真空中甲、乙两个点电荷的相互距离为 r，它们间的库仑力为 F。若两个点电荷的电荷量均减半，它们间的距离变为 2r，则它们间的库仑力变为多大？3. 如图 9-13 所示，把一电荷量为 q1 = -2.010-6 C 的带电小球用绝缘细绳悬挂在 P 位置，将电荷量为 q2 = -4.0 10-5 C 的带电体 M 靠近带电小球。当带电体和带电小球均静止时，两个带电体在同一高度，相距 0.2 m，求： （1）这两个带电体间的相互作用力。 （2）如需计算带电小球的质量，还需测量哪些物理量？简述理由。4. 如图 9-14 所示为氯化钠晶体
28、的一个原子面的排列示意图，可以看出每个一价钠离子（Na+）的周围有距离相等的一价氯离子（Cl-） 。同样，每个一价氯离子的周围也有距离相等的一价钠离子。相邻的一价钠离子与一价氯离子之间的距离 d = 2.8210-10 m，则相邻两个钠离子间的静电力大小是多少？5. 设想为了抵消地球和月球间的万有引力，可在地球和月球上各放置电荷量相等的正电荷Q，试求 Q 的电荷量。另外，需要多少千克氢离子才能提供所需的电荷量？地球质量 m地 = 6.01024 kg，月球质量 m月 = 7.31022 kg，氢离子摩尔质量 M(H+) = 1 g/mol，阿伏加德罗常数 NA = 6.021023 mol-1
29、图 9-13图 9-14Gm1m26.6710-111.6710-279.110-31F2k |q1|q2|91091.610-191.610-19F1= 2.3103912第九章 静电场图 9-15 科技馆的“怒发冲冠”项目上海科技馆智慧之光展区内有一“怒发冲冠” （图 9-15）的项目，通过 2105 V 的高压演示了静电现象。站在绝缘地板上的长发女士，手摸着范德格拉夫起电机的金属球罩，范德格拉夫起电机产生大量电荷，这位女士的长发就会立刻张开，呈现了怒发冲冠的 情景。电荷间的相互作用如何传递？带电体周围空间存在一种物质，这种物质称为电场（electric field） 。电荷间的相互作用就
30、是靠电场来传递的。场的概念对早先的传统观念是一个重大的突破。现在，场的概念已经成为现代物理学中最重要的基本概念之一。场是物质存在的一种形态。电场是一种看不见也摸不到的物质。然而，电场却无处不在，几乎弥漫于整个宇宙。人类的生活也时刻离不开各种场：重力场、磁场、电场等。在信息化时代，信息的形成、传递、储存都离不开场。我们把相对观察者静止的电荷产生的电场叫做静电场（electrostatic field） 。只要有电荷存在，电荷的周围就存在着电场。电场的基本性质是能够对放入其中的电荷有力的作用，这种力就叫做电场力（electric field force） 。第三节电场力 电场强度13第三节 电场力
31、 电场强度如何形象描述电场？电场虽看不见、摸不着，但我们仍然可以利用电场对放入其中的电荷有力的作用来探究电场的分布特征。在初中物理学习中，我们已经使用磁感线来形象地描述磁场。法拉第在研究电场时，采用了电场线（electric field lines）来描述电场。电场线是为了直观形象地描述电场分布而在电场中引入的一些假想的曲线。如图 9-16 所示，电场线是有方向的曲线；电场线起始于正电荷（或无穷远） ，终止于负电荷（或无穷远） ；曲线上每一点的切线方向与正电荷在该点所受的电场力的方向相同，与负电荷在该点所受的电场力的方向相反；电场线的疏密可以大致反映电场的强弱，电场线密集的地方电场强，稀疏的地
32、方电场弱。图 9-18 典型电场线把上述自主活动观察到的模拟电场线分布作理想化的描绘，得到如图 9-18 所示的电场线。（a）（b）（c）（d）图 9-16 电场线如图 9-17 所示，把奎宁（一类植物树皮中的生物碱）的针状晶体或头发屑悬浮在蓖麻油或洗洁精中，加上高压电极。电极是电荷集中的地方，其周围存在电场。我们将看到，针状晶体或头发屑因受到电场力的作用而有规律地排列。它们的排列走向顺着电场力的方向，从而可以形象地模拟静电场电场力的大致分布，好像一条条的曲线。自 主 活 动图 9-17 模拟电场线（a）（b）（c）+-14第九章 静电场如何定量描述电场力的性质？如图 9-19 所示，为了研究
33、点电荷 A 周围电场力的性质，我们需要在电场中引入另一个点电荷 B。点电荷 B 的电荷量必须足够小，以致可忽略其对电场的影响，我们把点电荷 A 称为场源电荷，点电荷 B 称为试探 电荷。保持场源电荷 A 不动，移动试探电荷 B，观察其在不同位置的受力情况。可以看出试探电荷 B 在电场不同位置所受电场力的大小、方向一般是不同的，这反映了电场中各点的电场强弱和方向是不同的。当试探电荷 B 的位置不变而电荷量 q 发生变化时，其受到的电场力 F 也随之变化，但电场力F与试探电荷的电荷量q之比 qF 不变。如果再将试探电荷B放在电场中的其他位置，F 与 q 之比与放在前一位置时 F 与 q 之比则一般
34、是不同的。这个比的大小可以反映电场中不同点的电场的强弱程度。因此，我们将放入电场中某点的电荷所受的电场力 F 和其电荷量 q 之比叫做该点的电场强度，用符号 E 表 示。即E =qF电场强度 E 是矢量。物理学中规定，电场中某点电场强度的方向跟正电荷在该点所受电场力的方向相同。上式是电场强度的定义式，表明了电场强度的物理意义，其数值上等于单位正电荷所受的电场力。但电场强度是由电场本身决定的物理量，它与试探电荷置入电场与否无关。电场强度的国际单位是 N/C，读作牛每库。如果已知电场中某一点的电场强度 E，那么，放在该点的点电荷 q 所受到的电场力 F的大小就是 qE，F 的方向则取决于电场的方向
35、和点电荷 q 的正负。示例 1 如图 9-20 所示，有一固定的点电荷 q1，q1左方的 A点处有一个负电荷 q2，其电荷量为 -110-9 C。测出 q2受到的电场力 F 为 210-5 N，方向水平向右。（1）求点电荷 q1产生的电场在 A 点的电场强度。如图 9-18 所示的典型电场线分布有何特点？如何与如图 9-17 所示的模拟电场线相对应？大家谈图 9-19 试探电荷在电场中受力图 9-20 负电荷在 A点所受电场力15第三节 电场力 电场强度（2）如把 A 点电荷的电荷量 q2变为 5q2，其他条件不变，求 q1产生的电场在 A 点的电场强度和该 5q2电荷受到的电场力。分析：可利
36、用电场强度的定义式计算空间某点处的电场强度，但这只是对电场强度的一种间接反映，实际上电荷在空间某处电场的强弱仅由场源电荷本身决定，与试探电荷的有无或电荷量的大小无关。试探电荷受到的电场力大小由所在处的电场强度和自身所带电荷量所决定。在计算中电荷量取绝对值，电场强度的方向由电荷所受电场力的方向来判断。解： （1）已知放入 q1的电场中 A 点的电荷所受的电场力 F 和该电荷所带电荷量 q2，由电场强度的定义式，可得 A 点的电场强度的大小|q2|F110-9210-5E =N/C = 2104 N/C=由于负电荷所受电场力的方向跟该点的电场强度方向相反，可知 A 点的电场强度方向水平向左。（2）
37、电场强度的大小只与电场本身性质有关，也就是只与产生该电场的场源电荷有关，而与放入电场的试探电荷无关。即使放在 A 点的电荷的电荷量变化了，q1产生的电场在 A点的电场强度也不会发生变化，仍为 2104 N/C，方向为水平向左。放入 A 点的电荷变为 5q2，则该电荷受到的电场力大小为F = 5|q2|E = 510-92104 N = 110-4 N方向为水平向右。真空中点电荷 q 产生电场，由库仑定律可得在距其 r 处的电场强度r2qE = k若 q 为正电荷，电场强度的方向远离 q；若 q 为负电荷，电场强度的方向指向 q。研究表明，如果在空间中有几个点电荷同时存在，这时在空间的某一点的电
38、场强度等于各个点电荷单独存在时在该点产生的电场的电场强度的矢量和，这叫做电场的叠加原理。示例2 如图9-21 （a） 所示，真空中相距2r的点电荷A、B带电荷量分别为+q和-q。求：（1）两点电荷连线中点 O 的电场强度。（2）在A、B连线上，点电荷B的外侧且与点电荷B之间的距离为r的P点处的电场强度。分析：由于有两个点电荷产生的电场同时存在，因此要利用电场的叠加原理来计算 O点与 P 点的电场强度。图 9-21 电场的叠加（a）（b）16第九章 静电场如图 9-21（b）所示，O 点电场强度由电荷 A 产生的电场在该点的电场强度 EA和电荷 B 产生的电场在该点的电场强度 EB叠加而成；同样
39、，P 点电场强度是由电荷 A 产生的电场在该点的电场强度 EA 和电荷 B 产生的电场在该点的电场强度 EB 叠加而成。解： （1）由于点电荷 +q 与 -q 的电场同时存在，由图 9-21（b）所示。两个电荷分别产生的电场在 O 点的电场强度 EA、EB方向相同，根据电场的叠加原理可知，O 点的电场强度大小EO = EA + EBr2q= 2kr2r2qq+=kkO 点的电场强度方向为由 O 指向 B。（2）由图 9-21（b）可知，两个点电荷产生的电场同时存在，但因为 EB方向向左，EA方向向右，EB EA，所以根据电场的叠加原理可得，P 点的电场强度大小r29r2(3r)2q8qqEP
40、= EB - EA= k-= kkP 点的电场强度方向为由 P 指向 B。是否能产生电场强度处处相同的电场？两块正对放置的相同的平行金属极板，若板间距离远小于极板的线度，在两板之间能构建出一个电场强度处处相同的电场。当两板分别带有等量的正电荷和负电荷时，极板间（除边缘附近外）的电场强度在不同位置大小和方向都不变，如图 9-22 所示。我们把在某个区域内各处电场强度大小相等、方向相同的电场称为匀强电场。匀强电场的电场线是相互平行疏密相同的直线。1. 判断以下关于电场的说法是否正确，简述理由。 （1）电场只是一个理想模型，实际上并不存在。 （2）电场中的电场线不是人为画出的，而是实际存在的。 （3
41、）电场的基本性质就是对放入其中的电荷有力的作用。问题思考与图 9-22 带等量异号电荷的平行金属板间的电场17第三节 电场力 电场强度图 9-23图 9-24ABC2. 我们已经知道，电荷量分别为 q1、q2的两个点电荷距离为 r 时，它们之间的静电作用力 r2q1q2F = k，其中 k 为静电力常量。当 q1和 r 一定时，F 与 q2之间的关系可用图 9-23 中的哪条图线表示？3. 如图 9-24 所示，在两个等量异号点电荷产生的电场中有 A、B、C 三点，都在两个电荷的连线上，B 处于两点电荷连线的中点，AB = BC，均等于两点电荷距离的 41。若某正电荷先后放在 A、B、C 三点
42、，该电荷在 A、B、C 三点所受的电场力大小、方向关系如何？4. 图 9-25 中各方框内给出的均是电场的部分电场线，它们分别对应哪种电荷系统周围的电场线？5. 固定在 A、B 两点的带电粒子，分别如图 9-26（a） 、 （b） 、 （c） 、 （d）所示。在两带电粒子连线上的 A 点的左侧附近有一个负电荷。在图 9-26 中哪些情况下，负电荷可能处于平衡状态？简述理由。6. 点电荷分布在两个半径不同的同心圆周上，所带电荷量如图 9-27 所示。写出圆心处电场强度的表达式；若在圆心放一个电荷量大小为 q 的负电荷，它所受电场力为多大，方向如何？图 9-25图 9-26图 9-2718第九章
43、静电场图 9-28 城市上空的闪电闪电（图 9-28）是一种常见的自然现象，是带电的云层与云层之间、带电的云层与地面之间强烈的放电现象。据估计，每秒约有几十到上百次的闪电击中地球表面。一次闪电在短时间内释放出很多能量，这一能量来自放电电荷的电势能。什么是电势能？我们已经知道，地球上的物体因为受到地球引力作用具有重力势能而能做功，重力做功与重物的移动路径无关，如图 9-29（a）所示。如图 9-29（b）所示，在一个电场强度为 E 的匀强电场中，沿着不同的路径把试探电荷 +q 从 A点移动到 B 点。由于匀强电场的电场力为恒力，不论 +q 经由什么路径从 A 点移动到 B 点，电场力所做的功都是
44、一样的。不仅匀强电场的电场力做功与电荷移动的路径无关，一般静电场的电场力做功也同样与路径无关。因此，我们可以得到这样的结论：在电场中移动电荷时，静电力做的功只与第四节电势能 电势图 9-29 重力与电场力做功特点类比（a）（b）19第四节 电势能 电势电荷的起始位置和终止位置有关。由于重力做功与路径无关，物体具有重力势能。与此类似，在电场中电场力对其中移动的电荷做功也与路径无关，只决定于始末位置，因此，电荷在电场中也具有势能。这种势能就叫做电势能（electric potential energy） 。电势能是标量，通常用符号 Ep表示；电势能的单位是焦耳，符号 J。引力做功与路径无关源自万有
45、引力定律，两质点间的万有引力沿质点间的连线方向，与彼此间距离的二次方成反比，即万有引力是各向同性的有心力。同引力一样，以库仑定律描述的电荷间的静电力同样具有各向同性的有心力的特点，也具有做功和电荷移动路径无关的特点。万有引力是保守力，静电力也是保守力。电场力做功与电势能变化之间有何关系？功是能量变化的量度，当地球上的物体从一个位置移动到另一个位置时，若重力做正功，则物体的重力势能减少；若重力做负功，则物体的重力势能增加。同样，当电场中的电荷从一个位置移动到另一个位置时，若电场力做正功，则电荷的电势能减少；若电场力做负功，则电荷的电势能增加。将点电荷在电场中由 A 点移到 B 点，电场力做功WA
46、B = EpA - EpBEpA为 A 点电势能，EpB为 B 点电势能。点电荷在电场中从 A 点移到 B 点，这个点电荷的电势能的变化量Ep = EpB - EpA因此，电场力对电荷做功与电荷的电势能变化量的关系为WAB = -Ep重力势能的大小等于物体从现有位置移动到重力势能为零处的过程中重力所做的功。与此类似，电荷 q 在电场中某点的电势能在数值上等于把此电荷从该点移动到电势能为零处电场力所做的功。通常我们把电荷在离场源电荷无穷远处的电势能规定为零，或把电荷在大地表面上的电势能规定为零。而且电势能也和重力势能一样只有相对意义，电势能的变化量才有绝对物理意义。必须强调，就像重力势能属于重物
47、和地球构成的体系一样，电荷的电势能并非只属于该电荷，而是该电荷和场源电荷相互作用的能量，同属于该电荷和场源电荷。通常为了方便而简称为某电荷的电势能。示例 1 如图 9-30 所示，在某正点电荷的电场中，沿电场线有 A、B 两点。若将一个正20第九章 静电场电荷q1从A点移至无穷远处，电场力做了3.010-6 J的功；若将正电荷q1从B点移至无穷远处，电场力做了 1.510-6 J 的功。则：图 9-30 分析电荷在电场中的电势能（1）该电荷在 A、B 两点的电势能为多大？（2）如果将一个电荷量为 q2的负电荷从 A 移至 B，则该负电荷在 A、B 两点中哪一点电势能大？分析：电荷 q 在电场中
48、某点的电势能在数值上等于把电荷从这点移动到无穷远处电场力所做的功。解： （1）正电荷 q1在 A 点受到的电场力方向向右，电荷从 A 点至无穷远处的过程中，电场力做正功、电势能减小至零，所以 A 点的电势能 EpA大于零。则EpA = 3.010-6 J同理，B 点电势能 EpB = 1.510-6 J（2）负电荷 q2放在 A 点，受到的电场力方向向左，从 A 点移至 B 点的过程中，电场力做负功，电势能增加，所以 EpA b c，所以电势差 Uac为正值。Uac = 5.4 V。图 9-37 a、b、c 三点在匀强电场中的关系（a）（b）请证明 1 N/C = 1 V/m。大家谈当然，也可
49、以用公式 WAB = qUAB进行计算，即 WAB = qUAB = (-210-9) (-150) J = 310-7 J因此电场力做功 310-7 J，做的是正功。匀强电场中电场强度和电势差有何关系？如图 9-36 所示，匀强电场的电场强度为 E，AB 间距离为 d、电势差为 UAB。把正电荷 q 沿电场方向从 A 点移动到B 点，在此过程中，它受到的电场力为 qE，电场力对其做功WAB = qEd。由电场力做功与电势差的关系，也可得 WAB = qUAB。由此可得电场强度与电势差的关系为dUABE =上式说明匀强电场中电场强度数值上等于沿电场线方向单位距离上降低的电势，而且，沿电场线的方
50、向电势降低得最快。图 9-36 匀强电场中移动电荷26第九章 静电场如果不是匀强电场，方法一和方法二中是否有些等式不适用了？请说明理由。大家谈如何分析带电粒子在电场中的运动？带电粒子在电场中受到电场力的作用，通常电场力远大于带电粒子的重力，从而可以忽略重力对带电粒子的影响。如图 9-38 所示，真空中有一对平行金属板，两板间电势差为 U，板间距为 d，将一质量为 m、带电荷量为 +q 的粒子在正极板附近由静止释放，分析带电粒子在电场中的运动情况。带电粒子在匀强电场中做初速度为零的匀加速直线运动。为了求带电粒子到达负极板时速度 v 的大小，我们用两种方法来研究。方法一：由于带电粒子在匀强电场中受
