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电荷、电场与高斯定律

AP 物理 C:电磁学 · 知识点 8

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9:52

电荷、电场与高斯定律

一道闪电击中汽车。车内的人却感觉不到任何异样。为什么?包裹他们的金属外壳是导体。电荷在其外表面上飞奔……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

8.1

电荷与电力

教学大纲

学习目标 8.1.A: 描述带电物体或系统相互作用产生的电场力。

  • 8.1.A.1 电荷是所有物质的基本属性。
    • 8.1.A.1.i 电荷是标量,被描述为正或负。
    • 8.1.A.1.ii 单个电子或质子的电荷量大小,即元电荷 $e$,可被视为最小的不可分割的电荷量。
    • 8.1.A.1.iii 电子的电荷为 $-e$,质子的电荷为 $+e$,中子不带电。
    • 8.1.A.1.iv 点电荷是一个模型,在该模型中,带电物体或系统的物理尺寸在正在分析的情境下可忽略不计。
  • 8.1.A.2 库仑定律描述了两个带电物体之间的静电力:该力的大小与每个电荷量的大小成正比,与物体之间距离的平方成反比。
    • 相关方程: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
  • 8.1.A.3 静电力的方向取决于相互作用物体的电荷符号,且沿两物体之间的连线方向。
    • 8.1.A.3.i 带有同号电荷的两个物体对彼此施加排斥力。
    • 8.1.A.3.ii 带有异号电荷的两个物体对彼此施加吸引力。
  • 8.1.A.4 电场力导致日常经验中物体的一些宏观性质。然而,由于发生的大量粒子相互作用使得处理起来较为复杂,因此更方便地将日常作用力视为非基本力——接触力(如法向力、摩擦力和张力)。

学习目标 8.1.B: 描述具有质量的带电物体相互作用产生的电场力和重力。

  • 8.1.B.1 静电力可以是吸引力或排斥力,而重力总是吸引力。
  • 8.1.B.2 对于任何具有质量和电荷的两个物体,其重力的大小通常远小于静电力的大小。
  • 8.1.B.3 尽管重力弱于静电力,但在大尺度上重力占主导地位,因为大尺度的系统往往呈电中性。

学习目标 8.1.C: 描述材料或介质的电介常数。

  • 8.1.C.1 电介常数是衡量材料或介质在电场存在时极化程度的指标。
  • 8.1.C.2 电极化可以建模为由外电场引起的电子感应重排,从而导致材料或介质内部正负电荷分离。
  • 8.1.C.3 真空具有恒定的电介常数值 $\varepsilon_0$,该值出现在物理关系式中。
  • 8.1.C.4 物质的电介常数值不同于真空,这源于物质的组成和排列结构。
    • 8.1.C.4.i 在给定材料中,电介常数由电子在材料内改变构型的难易程度决定。
    • 8.1.C.4.ii 导体由电导材料制成,其中的电荷载流子易于移动;绝缘体由不导电材料制成,其中的电荷载流子不易移动。

边界声明: AP 物理 C:电学与磁学仅要求学生计算四个或更少相互作用带电物体或系统之间的电场力。在高对称性情境下,允许分析更多电荷产生的 resultant 电场力。请注意,学生需要按照主题 8.4 和 8.6 的描述计算电荷分布的电场。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Electric charge 电荷 comes in positive and negative; like charges repel, opposites attract. Charge is quantized 量子化 – every charge is a whole-number multiple of the elementary charge 基本电荷 $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – and obeys conservation of charge 电荷守恒: charge is never created or destroyed, only moved. The force between two point charges 点电荷 is Coulomb's law 库仑定律:

$$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

an inverse-square 平方反比 force along the line joining them, with $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. For several charges (AP uses four or fewer, unless symmetry helps), add the force vectors on the charge you care about – superposition 叠加.

Charge is a fundamental property 基本属性 of matter, and a point charge is a model that ignores the size of a charged object. The constant $\varepsilon_0$ is the permittivity of free space 真空介电常数 – a material property of the vacuum. The permittivity of matter differs from $\varepsilon_0$, set by how easily the material polarizes, which is why a dielectric between charges weakens the force. Note too that although the electric force is far stronger than gravity, gravity dominates at astronomical scales because large bodies are nearly neutral.

Worked example. Two $+2.0\ \mu\text{C}$ charges sit $0.30\ \text{m}$ apart: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$, repulsive.

Worked example (vectors). Charges $+3.0\ \mu\text{C}$ and $-3.0\ \mu\text{C}$ sit at two corners of a right angle, each $0.30\ \text{m}$ from a $+1.0\ \mu\text{C}$ charge at the corner. Each exerts $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – one a push, one a pull, at right angles to each other. The net force is $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$, pointing between them. Never add magnitudes blindly: components first.

探索

探索源电荷的电场

改变电荷的符号和大小。电场线从正电荷向外指,向负电荷指向内,且它们在$1/r^2$处靠近电荷的密集程度反映了库仑力为何随距离$F = k\,|q_1 q_2|/r^2$减弱。

词汇 训练
English 中文 拼音
Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
quantized/ˈkwɒntaɪzd/ 量子化 liàng zǐ huà
elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ 基本电荷 jī běn diàn hè
conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ 电荷守恒 diàn hè shǒu héng
point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ 点电荷 diǎn diàn hè
Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ 库仑定律 kù lún dìng lǜ
inverse-square/ɪnˈvɜːs skweə/ 平方反比 píng fāng fǎn bǐ
superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ 叠加 dié jiā
fundamental property/ˌfʌndəˈmentl ˈprɒpəti/ 基本属性 jī běn shǔ xìng
permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ 真空介电常数 zhēn kōng jiè diàn cháng shù
8.2

电荷与带电过程

教学大纲

学习目标 8.2.A: 利用电荷守恒定律描述系统的行为。

  • 8.2.A.1 系统的净电荷或电荷分布会因其他系统的净电荷或电荷分布的存在或变化而发生改变。
    • 8.2.A.1.i 系统间的摩擦或接触会导致系统净电荷发生变化。
    • 8.2.A.1.ii 当两个系统之间的静电力改变了系统内部的电荷分布时,会发生感应电荷分离现象,导致一个或两个系统发生极化。
    • 8.2.A.1.iii 中性系统中也可能发生感应电荷分离。
  • 8.2.A.2 系统净电荷的任何变化都是由于系统与周围环境之间发生了电荷转移。
    • 8.2.A.2.i 系统的起电通常涉及电子向系统转移以及从系统转移出去的过程。
    • 8.2.A.2.ii 除非有电荷转移到该系统或从该系统转移出去,否则系统的净电荷将保持恒定。
  • 8.2.A.3 接地是指将一个带电物体与一个体积大得多且近似中性的系统(例如地球)进行电气连接。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A conductor 导体 lets charge move freely; an insulator 绝缘体 holds it in place. Objects gain net charge three ways:

  • Charging by friction 摩擦起电: rubbing transfers electrons from one surface to the other.
  • Charging by conduction 传导起电: touching a charged object shares charge of the same sign.
  • Charging by induction 感应起电: a nearby charge pushes the conductor's charge apart; ground 接地 the far side, remove the ground wire first, and the conductor is left with the opposite sign – all without contact.

An insulator cannot pass charge, but it can develop polarization 极化: its molecules stretch or turn so one face is slightly positive and the other slightly negative. That is why a charged comb picks up neutral paper scraps. An electroscope 验电器 shows net charge by its leaves repelling; on any isolated conductor the excess charge sits entirely on the outer surface.

探索

探索摩擦起电

摩擦将电子转移到物体上,使其带负电。带电物体会通过极化作用吸引中性墙壁或头发,但会排斥另一个带同种电荷的物体——摩擦起电、接触起电和感应起电背后的机制都是电子转移。

词汇 训练
English 中文 拼音
conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ
insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ
Charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ 摩擦起电 mó cā qǐ diàn
Charging by conduction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ kənˈdʌkʃn/ 传导起电 chuán dǎo qǐ diàn
Charging by induction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ɪnˈdʌkʃn/ 感应起电 gǎn yìng qǐ diàn
ground/ɡraʊnd/ 接地 jiē dì
polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 极化 jí huà
electroscope/ɪˌlektrəʊˈskəʊp/ 验电器 yàn diàn qì
8.3

电场

教学大纲

学习目标 8.3.A: 描述带电物体或点电荷组所产生的电场。

  • 8.3.A.1 电场可能源自带电物体。
  • 8.3.A.2 给定一点的电场强度等于作用于该点测试电荷上的静电力与该测试电荷电荷量的比值。
    • 相关公式: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
    • 8.3.A.2.i 测试电荷是一个电荷量足够小的点电荷,其存在不会显著影响其周围区域的电场。
    • 8.3.A.2.ii 电场方向背离孤立的正电荷,指向孤立的负电荷。
    • 8.3.A.2.iii 电场对正测试电荷施加的静电力方向与电场方向相同。
  • 8.3.A.3 电场是矢量,可以使用矢量场图在空间中表示。
    • 8.3.A.3.i 给定位置的合电场是由附近带电物体产生的各个电场的矢量和。
    • 8.3.A.3.ii 电场线图使用矢量来描绘给定区域内多个位置处电场的大小和方向。
    • 8.3.A.3.iii 电场线示意图是电场线图的简化模型,可用于确定图中任意位置电场的相对大小和方向。

学习目标 8.3.B: 描述由带电导体或绝缘体产生的电场。

  • 8.3.B.1 处于静电平衡状态时,导体的过剩电荷分布在导体表面,且导体内部的电场为零。
    • 8.3.B.1.i 在带电导体表面,电场垂直于表面。
    • 8.3.B.1.ii 具有球对称电荷分布的孤立球体外部的电场,等同于位于球心、具有相同净电荷的点电荷所产生的电场。
  • 8.3.B.2 处于静电平衡状态时,绝缘体的过剩电荷不仅分布在表面,也分布在内部;绝缘体内部的电场可能不为零。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The electric field of a dipole
A Tesla coil topped by a metal ring, throwing long purple sparks out into the air
A Tesla coil throws sparks: it raises the voltage so high that the electric field ionizes the surrounding air, and charge leaps across as a visible discharge

The electric field 电场 at a point is the force per unit charge that a small positive test charge 检验电荷 would feel there:

$$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

A charge placed in a field feels $\vec{F}=q\vec{E}$ – positive charges along the field, negative charges against it. Fields from several sources add as vectors (superposition again). Field lines 电场线 make the field visible: they point away from positive charge and toward negative, their density shows the strength, and they never cross.

Electric field-line patterns for parallel plates, a dipole, and a point charge
Electric field-line patterns for parallel plates, a dipole, and a point charge
Electric field lines of a dipole point from the positive to the negative charge
Electric field lines of a dipole point from the positive to the negative charge

In a uniform 均匀 field a charge feels a constant force, so it accelerates uniformly – launched sideways, it follows a parabola, just like a projectile in gravity.

A charge crossing a uniform field follows a parabolic path
A charge crossing a uniform field follows a parabolic path
A person touching a Van de Graaff generator with their hair standing up
Charge spreads over the dome and onto the hair; like charges repel, so the strands push apart
探索

探索点电荷的电场线

设置电荷为正或负。电场线始于正电荷,终于负电荷,永不相交,且在**$\vec{E}$最强的地方聚集**——线密度与场强成正比。

词汇 训练
English 中文 拼音
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
test charge/test tʃɑːdʒ/ 检验电荷 jiǎn yàn diàn hè
Field lines/fiːld laɪnz/ 电场线 diàn chǎng xiàn
uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 均匀 jūn yún
8.4

电荷分布的电场

教学大纲

学习目标 8.4.A: 描述给定电荷分布产生的电场。

  • 8.4.A.1 可以使用积分和叠加原理推导出特定电荷分布的电场表达式。
    • 相关公式: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
  • 8.4.A.2 某些电荷分布的对称性分析可以简化对其产生电场的计算。

边界说明: AP物理C:电与磁考试仅要求学生使用微积分求解以下电荷分布及其位置所产生的电场:距无限长均匀带电导线或圆柱体中心轴一定距离处的电场、沿圆环轴线某点的电场、半圆弧或其部分在圆心处的电场,以及位于直线电荷延长线上或其垂直平分线上某点的有限长导线(或线电荷)的电场。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

For a continuous charge distribution 连续电荷分布, cut the object into pieces $dq$ and integrate their point-charge fields:

$$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

Write $dq$ using the right density: $\lambda\,dl$ with the linear charge density 线电荷密度 (a line or ring), $\sigma\,dA$ with the surface charge density 面电荷密度, or $\rho\,dV$ with the volume charge density 体电荷密度. Then use symmetry 对称性 to cancel components before integrating – that sentence is usually a scored step. AP's calculus cases: a finite line (collinear point or perpendicular bisector), an infinite wire or cylinder, a ring on its axis, and an arc at its centre.

Worked example (ring, on axis). A ring of radius $R$ carries charge $Q$. At a point $z$ along the axis, each element is a distance $\sqrt{R^2+z^2}$ away, and by symmetry the sideways components cancel, leaving only the axial part ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

$$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

Check the limits: $E=0$ at the centre ($z=0$), and far away ($z\gg R$) it becomes $kQ/z^2$ – a point charge, as it must.

探索

构建电场

观察更大、更密集的电荷如何通过多个贡献建立更强的电场。

词汇 训练
English 中文 拼音
continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 连续电荷分布 lián xù diàn hè fēn bù
linear charge density/ˈlɪnɪə tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ 线电荷密度 xiàn diàn hè mì dù
surface charge density/ˈsɜːfɪs tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ 面电荷密度 miàn diàn hè mì dù
volume charge density/ˈvɒljuːm tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ 体电荷密度 tǐ diàn hè mì dù
symmetry/ˈsɪmətri/ 对称性 duì chèn xìng
8.5

电通量

教学大纲

学习目标 8.5.A: 描述通过任意面积或几何形状的电通量。

  • 8.5.A.1 通量描述了某一特定物理量穿过给定面积的多少。
  • 8.5.A.2 对于在面积 $\vec{A}$ 上恒定的电场 $\vec{E}$,该面积上的电通量定义为 $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$。
    • 8.5.A.2.i 面积矢量的方向定义为垂直于表面平面,并指向闭合曲面的外侧。
    • 8.5.A.2.ii 通量的正负号由电场矢量与面积矢量的点积决定。
  • 8.5.A.3 穿过表面的总电通量由电场在该曲面上的面积分定义。
    • 相关公式: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Electric flux & Gauss's law

Electric flux 电通量 measures how much field passes through a surface:

$$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

For a uniform field through a flat area, $\Phi_E=EA\cos\theta$, where the area vector 面积矢量 is perpendicular to the surface. Flux is positive where field lines exit a closed surface and negative where they enter – only the perpendicular component of $\vec{E}$ counts.

Electric flux through a surface depends on the angle between the field and the surface normal
Electric flux through a surface depends on the angle between the field and the surface normal
探索

何时通量最大?

电通量衡量穿过表面的电场线数量。对每种情况排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
Electric flux/ɪˈlektrɪk flʌks/ 电通量 diàn tōng liàng
area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ 面积矢量 miàn jī shǐ liàng
8.6

高斯定律

教学大纲

学习目标 8.6.A: 应用高斯定律描述电荷分布的性质。

  • 8.6.A.1 高斯定律建立了穿过高斯面的电通量与该面所包围的电荷量之间的关系。
    • 相关公式: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ 和 $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
  • 8.6.A.2 高斯面是一个三维封闭曲面。
  • 8.6.A.3 如果所包围的电荷量保持不变,则穿过高斯面的总电通量与高斯面的大小无关。
  • 8.6.A.4 高斯面通常被构造为:由所包围电荷产生的电场在曲面的不同区域要么垂直、要么平行于该曲面,从而简化面积分计算。
  • 8.6.A.5 如果已知电荷分布的电荷密度函数,可以通过对该电荷分布的长度(一维)、面积(二维)或体积(三维)积分电荷密度来确定总电荷量。例如:$Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
  • 8.6.A.6 麦克斯韦方程组是完整描述电磁学的方程集合。高斯定律是麦克斯韦的第一个方程。
    • 相关公式: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

边界说明: AP物理C:电学与磁学考试仅要求学生定量应用高斯定律处理点电荷以及具有球对称、柱对称或平面对称性的电荷分布。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Gauss's law 高斯定律 – the first of Maxwell's equations – relates the flux through any closed surface to the charge inside it:

$$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

It is true for any closed surface, but it solves for $E$ only when symmetry lets you choose a Gaussian surface 高斯面 on which $E$ is constant and perpendicular (or parallel, contributing zero). The three symmetries AP tests: spherical symmetry 球对称 (concentric sphere), cylindrical symmetry 柱对称 (coaxial cylinder), and planar symmetry 平面对称 (a straddling "pillbox").

A Gaussian surface is chosen to match the symmetry of the charge
A Gaussian surface is chosen to match the symmetry of the charge

Worked example (sphere). Outside a sphere of total charge $Q$, a spherical Gaussian surface of radius $r$ gives $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$, so $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – identical to a point charge at the centre. Inside a uniformly charged solid sphere of radius $R$, the surface encloses only $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$, so $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: zero at the centre, growing linearly to the surface.

Worked example (wire). For an infinite wire with charge per length $\lambda$, take a coaxial cylinder of radius $r$ and length $L$. The ends contribute nothing ($\vec{E}\perp d\vec{A}$), so $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$ and $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$. The same pillbox method gives an infinite sheet's field, $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$, uniform on both sides.

Exam skill. A full-credit Gauss's-law answer has four parts: name the surface, state the symmetry argument (why $E$ is constant and perpendicular on it), count $Q_{\text{enc}}$, then solve. Skipping the symmetry sentence loses the reasoning point – and remember Gauss's law also explains why $E=0$ inside any conductor in equilibrium.

探索

电荷产生的通量

观察电荷发出的电场线如何扩散并穿过周围任意表面。

词汇 训练
English 中文 拼音
Gauss's law/ˈɡaʊsɪz lɔː/ 高斯定律 gāo sī dìng lǜ
Gaussian surface/ˈɡaʊʃn ˈsɜːfɪs/ 高斯面 gāo sī miàn
spherical symmetry/sˈferɪkl ˈsɪmətri/ 球对称 qiú duì chèn
cylindrical symmetry/sɪˈlɪndrɪkl ˈsɪmətri/ 柱对称 zhù duì chèn
planar symmetry/ˈpleɪnə ˈsɪmətri/ 平面对称 píng miàn duì chèn
8.6

考试技巧

English
  • Use Coulomb's law $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ and superpose forces as vectors (components, not magnitudes).
  • For a continuous charge, integrate $d\vec E$ over $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$; use symmetry to cancel components.
  • The field points away from positive and toward negative charge; draw field lines correctly.
  • Distinguish the force on a charge ($\vec F=q\vec E$) from the field the charge creates.
  • Keep the constant $k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$ straight and check units.

Common mistakes

  • Adding field or force magnitudes from several charges as numbers. Resolve into components and add as vectors.
  • Using Gauss's law to find $E$ without symmetry. The law is always true, but it gives $E$ only when $E$ is constant and perpendicular on the chosen surface.
  • Counting charge outside the Gaussian surface. Only $Q_{\text{enc}}$ enters $\oint \vec E\cdot d\vec A = Q_{\text{enc}}/\varepsilon_0$.
  • Putting the full charge $Q$ in for a point inside a uniformly charged sphere. Inside, $Q_{\text{enc}} = Q r^3/R^3$.

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

历年真题

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