5.1实物物质的电结构(课后版).ppt

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1、1,第5-6章 静 电 学,主讲: 张静,大学物理学,email: T e l:13908618806 课件下载地址：,2,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,3,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,4,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,5,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,6,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,7,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,8,绪论,物理学研究什么？物理学的核心概念有哪些？,9,绪论,为什么要学习电磁学？学习电磁学重要吗？,以下哪些现象本质上属于电磁现象？,弹簧的弹力 脱衣服发出的噼啪声

2、走在干树叶上发出的噼啪声 银河系的螺旋结构 神经传导 原子核裂变 极光 气体的压强,10,绪论,为什么要学习电磁学？学习电磁学重要吗？,以下哪些现象本质上属于电磁现象？,弹簧的弹力 脱衣服发出的噼啪声 走在干树叶上发出的噼啪声 银河系的螺旋结构 神经传导 原子核裂变 极光 气体的压强,11,绪论,为什么要学习电磁学？学习电磁学重要吗？,四种相互作用的比较,种 类,相互作用粒子,强度,力程/m,引力作用,所有粒子、质点,长程,弱相互作用,带电粒子,电磁作用,核子、介子等强子,强相互作用,强子等大多数粒子,长程,传播子,引力子,光子,W，Z玻色子,胶子,10-38,10-2,10-5,1,物理学的

3、第三次大综合,法拉第的电磁感应定律（1831）： 电磁一体,麦克斯韦电磁场统一理论（1864）,赫兹在实验中证实电磁波的存在，光是电磁波.（1887）,技术上的重要意义：发电机、电动机、无线电技术等.,库仑定律（1785）：电荷与电荷间的相互作用,奥斯特的发现（1820）： 电流的磁效应 安培（1822）发现电流与电流间的相互作用规律,5.1 实物物质的电结构 是什么将世界连在一起,14,5.1 最低学习目标,当你完成本内容的学习，你应该能够完成以下内容。 1.描述、解释和应用以下术语： 分子、原子、电子、离子、电荷、电量、带电体、电荷量子化、电荷守恒、金属、电介质、化学键（共价键、离子键和金

4、属键）,15,5.1 最低学习目标,2.描述并作出原子结构图。 3.作出金属和电介质的结构图。 4.能够利用物质的微观结构定性解释摩擦起电等简单静电现象。 5.根据所给现象和研究问题的精度要求，建立实物物质的电结构模型。,16,实验1:摩擦起电现象,5-1 实物物质的电结构,17,实验1:摩擦起电现象,5-1 实物物质的电结构,问题1：请作图画出电荷在毛衣和气球上的分布情况（摩擦前后）。为什么两个物体摩擦会起电呢？起电是否源于摩擦？你认为摩擦起电过程中摩擦的作用是什么？,18,5-1 实物物质的电结构,问题2：两个不摩擦仅相互接触的物体，当他们分离时是否会带电？同学们在生活中是否遇到过这种现象

5、？,19,实验2：撕胶带纸,5-1 实物物质的电结构,20,实验2：撕胶带纸,5-1 实物物质的电结构,要求：1）预测实验结果，并描述你的推论。2）完成实验，如何证实你的推论呢？胶带是否带电？带何种电荷？,21,实验2：撕胶带纸,5-1 实物物质的电结构,题1 你认为以下关于“电荷”的描述正确的有 A.电荷是一种物质 B.电荷是带电体的基本属性 C.电荷是一切实物物质的基本属性 D.电荷是带电的基本粒子的基本属性 请解释你的答案？,22,5-1 实物物质的电结构,23,1.原子由什么构成？原子核由什么构成?请填下表，并画出氦的原子结构图。,5-1 实物物质的电结构,一 原子结构,24,1.原子

6、由什么构成？原子核由什么构成?请填下表，并画出氦的原子结构图。,5-1 实物物质的电结构,一 原子结构,25,He的原子结构,26,27,2.原子为什么能够成为一个稳定的结构，什么力在其中起到了作用？质子为什么能够在原子核内存在，没有因为斥力的作用而飞出去？ 为什么核外电子在靠近原子核的地方出现的概率高？ 为什么不同物质接触分离时，有的带正电，有的带负电呢？,28,29,题2 如图（a）一个带正电荷的物体靠近一个放在玻璃绝缘底座上的导体，然后在导体的另一面将导体瞬间接地，如图（b）如果这个导体带上了负电荷，如图（c）。根据这些信息，我们可以得到在这个导体里面（ ）,A. 正电荷和负电荷都在自由

7、地移动 B. 只有负电荷自由地移动 C. 只有正电荷自由地移动 D. 不能推断上述任何事情,30,问题1：金属(锌，铜，铝等），绝缘体（例如氢气，氧气，水，玻璃，橡胶等）等物质。它们的内部结构是否存在差异？我们可以通过什么方式来了解物质的微观结构呢？能不能举出在生活中遇到的现象或例子来说明它们的差异呢？我们学过的什么物理量可以描述它们之间的差异呢？,5-1 实物物质的电结构,二 金属和电介质的电结构,31,实验3：提供实验仪器，自己设计实验方案 若干验电器、金属棒、塑胶棒、起电机、毛皮、丝绸 还有没有其他的方案来验证你们对于金属和绝缘体的认识呢？,32,33,34,实验3 两个验电器实验 验电

8、器1带电，用木棒将验电器1和验电器2的金属板连接，观察现象 用铜棒连接两个验电器的金属板,35,带正电的物体靠近一不带电的可乐瓶（不接触） 带正电的物体靠近一不带电的矿泉水瓶（不接触）,实验4: 易拉罐，矿泉水瓶，金属棒，塑胶棒，毛皮，玻璃棒，支架,预测实验结果，通过实验结果可以预测金属（可乐瓶）和绝缘体（矿泉水瓶）的结构存在哪些差异,36,问题2：请比较你所建构的金属模型是否能解释实验现象，以及当带电体靠近（不接触）金属锌时金属内部发生了什么变化。 请根据实验推测塑料瓶内部的电结构，以及当带电体靠近（不接触）塑料瓶时塑料瓶内部发生了什么变化。 为什么不同物体发生的变化不同？金属和绝缘体的内部

9、结构的主要差异是由什么引起的？,Pauling L在The Nature of The Chemical Bond中提出了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子团）之间的作用力强得足以形成足够稳定的、可被化学家看作独立分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键。简单地说，化学键是指分子内部原子之间的相互作用力。,不同的外在性质反映了不同的内部结构,各自内部的结合力不同,38,以金属锌为例,39,金属原子和 金属正离子沉浸在“ 电子海 (electron sea )”中。,静电感应,解释现象,带电体靠近前,带电体靠近后,43,讨论： 题2 如图（a）一个带正电荷的物体靠近一个放在玻璃绝缘底座上

10、的导体，然后在导体的另一面将导体瞬间接地，如图（b）如果这个导体带上了负电荷，如图（c）。根据这些信息，我们可以得到在这个导体里面（ ）,A. 正电荷和负电荷都在自由地移动 B. 只有负电荷自由地移动 C. 只有正电荷自由地移动 D. 不能推断上述任何事情,44,每个氧原子有六个外层电子,45,每个氧原子有六个外层电子,无极分子：（氢、甲烷、石蜡等）,有极分子：（水、有机玻璃等）,电介质,48,实验5:观看实验，预测结果，解释现象,将铝箔紧贴着金属罐，将起电机的一个带电极柄接触金属，观察铝箔的运动 将铝箔紧贴着塑料瓶，将起电机的一个带电极柄接触塑料瓶，观察铝箔的运动,49,刚刚在把晚上吃剩的菜

11、用保鲜膜裹起来放冰箱，女儿突然问我：“为什么保鲜膜不用胶带能粘住啊? ”，偶真是没办法回答。,Water is flowing from a faucet as shown below.,A positively charged rod is brought close to the stream of water. Construct a picture of this situation and describe in words what is happening.,+,The rod is brought close to the water. This causes the pola

12、r water molecules to orientate themselves such that the negative sides of the dipole are more towards the rod and the positive sides are away. This positive rod then exerts an electro-static force on the water, causing it to bend.,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,52,5.1 教学目标,关注概念： 结构与功能 系统和系统模型 物质 尺度和数量,

13、题1 你认为以下关于“电荷”的描述正确的有 A.电荷是一种物质 B.电荷是带电体的基本属性 C.电荷是一切实物物质的基本属性 D.电荷是带电的基本粒子的基本属性 请解释你的答案？,53,5-1 实物物质的电结构,54,题3 将一个质量为1kg的原来不带电的金属球带上+1.610-16库仑电荷后，金属球的质量如何变化？并说明理由？ A.增大 B.减小 C.不变 D.不确定,55,56,57,静电感应,解释现象,带电体靠近前,带电体靠近后,59,60,61,导体上出现感应电荷，是其中自由电子重新分布的结果； 而电介质上出现的极化电荷，是其中束缚电荷（电子）的微小移动造成的宏观效果，束缚电荷在电场的

14、作用下，也可以作微小移动，但其活动不能超出原子的范围，电介质上的极化电荷比导体上的感应电荷在数量上要少得多。,62,总结： 1.不存在脱离实物物质而单独存在的电荷； 2.电荷是实物粒子（原子、分子、基本粒子）的重要属性。,63,64,65,讨论问题： 1.作为电磁学中引入的第一个基本概念，电荷有哪些基本特征？什么是电荷守恒定律，它有什么广泛的实验依据？ 2.电荷是否存在相对论效应，什么是电荷的量子性。试将电荷的特征与质量类比。,66,讨论问题： 3.库仑定律的主要内容是什么？ 4.库仑定律的成立条件（真空与静止）是否必要，能否放宽，为什么？ 5.为什么静止电荷之间的库仑力遵循牛顿第三定律，而运

15、动电荷之间的作用力却不遵循呢？ 6.库仑定律的适用范围是什么？ 7.试评价库仑定律的理论地位？若库仑定律不成立，或指数出现偏差将会怎样？,67,题4 电子是最小的带电体，电子是点电荷吗？并说明理由。 A.是 B.不是 C.不确定,68,题3 电子是最小的带电体，电子是点电荷吗？ A.是 B.不是 C.不确定,1925年，不到25岁的荷兰年轻大学生乌伦贝克和高斯米特提出电子自旋的大胆假设：电子不是点电荷，它除了有轨道运动以外，还有自旋运动，即每个电子本身都具有固有的内禀角动量称之为自旋角动量S。所谓电子的自旋并非指电子就是一个自转着的小球，实际上，至今我们对于电子内部的结构和运动还不清楚，还不知

16、道微观粒子自旋的真实图象以及产生自旋角动量的内在原因。,69,验证电力平方反比律实验结果,70,氢原子有一个电子和一个质子组成。两者之间所受的力约2.3x1039N，而远大于重力。问能否调整两者之间的距离使它们之间的电场力和重力相等？ 1. 可以，增大两者之间的距离。 2. 可以，减小两者之间的距离。 3. 不可以，找不到合适的位置。,71,5-1 电荷的量子化 电荷守恒定律,1、电荷,一 电荷的量子化,电荷有正负之分；,物体带电的三种方式:摩擦起电、接触起电、感应起电。,72,2、电荷量子化,1913年，密立根用液滴法从实验中测出所有电子都具有相同的电荷，而且带电体的电荷是电子电荷的整数倍。

17、,电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质，叫作电荷的量子化。,73,1986年国际推荐值,近似值,强子的夸克模型具有分数电荷（ 或 电子电荷）但实验上尚未直接证明.,74,3、电荷的相对论不变性：,在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。电荷的这一性质叫做电荷的相对论不变性。,75,说明： 电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程( 例如核反应和基本粒子过程 )，是物理学中普遍的基本定律之一。,内容： 在孤立系统中，不管系统中的电荷如何迁移，系统的电荷的代数和保持不变。,二 电荷守恒定律,76,库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806）,法国物理学家，1773年，提出的计算物

18、体上应力和应变分布情况的方法，是结构工程的理论基础。1779年，对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。,5-2 库仑定律,77,库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806）,1785年通过扭秤实验创立库仑定律, 使电磁学的研究从定性进入定量阶段. 电荷的单位库仑以他的姓氏命名.,5-2 库仑定律,78,1 点电荷,线度和距离相比可忽略的电荷。 “点电荷”是一个抽象的理想模型。,一 库仑定律,79,（1）条件：真空，静止，点电荷 （2）力的大小与它们电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。 （3）力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。,2 库仑定律,文字表述,8

19、0,数学表述,SI制中：,81,为真空电容率,受 的力,( 为真空电容率),单位制的有理化,82,大小：,方向：,和 同号相斥，异号相吸.,83,(1)库仑定律的适用范围 作用范围：r在10-15m107m （2）库仑力的特点 有心力 平方反比力,说明,84,（3）库仑定律的重要性,（4）四种基本相互作用的比较,定性 定量,85,四种相互作用的比较,表中强度是以两质子间相距为 时的相互作用强度为1给出的,种 类,相互作用粒子,强度,力程/m,引力作用,所有粒子、质点,长程,弱相互作用,带电粒子,电磁作用,核子、介子等强子,强相互作用,强子等大多数粒子,长程,传播子,引力子,光子,玻色子,胶子,

20、86,解,例 在氢原子内,电子和质子的间距为 .求 它们之间电的相互作用力和万有引力,并比较它们的大小.,（微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）,87,二 叠加原理,当空间中存在两个以上的点电荷时，作用于每一电荷上的总库仑力等于其他点电荷单独存在时作用于该电荷的库仑力的矢量和。,88,讨论,1.一个均匀带电体与一个点电荷之间的相互作用力如何计算？ 2.试评价库仑定律的理论地位，指数偏差与光子静质量有何关系，为什么物理学家对指数偏差和光子静质量是否严格为零如此关注？,89,氢原子有一个电子和一个质子组成。两者之间所受的力约2.3x1039N，而远大于重力。问能否调整两者之间的距离使它们之间的电场力和重力相等？ 1. 可以，增大两者之间的距离。 2. 可以，减小两者之间的距离。 3. 不可以，找不到合适的位置。,