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第5章
电与磁及其应用
本章导读电场是存在于电荷周围并能传递电荷与电荷之间相互作用的特殊物质；磁场是磁体周围存在的一种特殊物质，它会对放入其中的磁体产生磁力；由磁场产生电流的现象被称为电磁感应现象……本章主要介绍电与磁的相关知识。学习目标
了解静电现象。
掌握电场中的相关概念。
掌握磁场中的相关概念。
掌握电流的磁效应。
掌握磁场对电流的作用。
理解电磁感应现象的原理及法拉第电磁感应定律。
了解交流电及安全用电的相关知识
目录 Contents
5.1 电荷与电场
5.2 电势能、电势与电势差
5.3 磁场
5.4 磁场对电流的作用
5.5 电磁感应
5.6 交流电及安全用电
5.2 电势能、电势与电势差
5.2 电势能、电势与电势差
5.2.1 概 述
演示实验5-2 观察带电体在电场中的运动
如下图所示，将包有锡箔纸的乒乓球与细线的一端连接，将细线的另一端固定在铁架台上。将感应起电机的两极分别与两平行金属板相连，并将乒乓球置于两平行金属板之间。
1．电势能
与处在高处的物体具有重力势能一样，电场中的电荷由于电场力的作用也具有电势能。而电势与电势差则类似于物体相对参考面的高度及高度差。
5.2 电势能、电势与电势差
让感应起电机工作，使两平行金属板带上异种电荷，从而在两板之间形成电场，并且锡箔纸会因感应起电而成为带电体。观察乒乓球在电场中的运动。
我们在前面已经学过，地面附近的物体由于处在地球的重力场中，会受到重力的作用，重力能对物体做功，因此，具有一定高度的物体具有重力势能。同样地，处在电场中的电荷会受到电场力的作用，当电荷在电场力作用下运动时，电场力就对电荷做了功，这表明电场也具有能量。
电场中的电荷由于受到电场力的作用而具有的能量叫作电势能，用 表示。
我们知道，重力对物体做正功，物体的重力势能减少；重力对物体做负功，物体的重力势能增加。同样地，电场力对电荷做正功，电荷的电势能减少；电场力对电荷做负功，电荷的电势能增加。电场力对电荷做了多少功，电荷的电势能就变化了多少。
5.2 电势能、电势与电势差
如果用 表示电荷由A点运动到B点的过程中电场力所做的功，用 、 分别表示电荷在A点和B点的电势能，则它们之间的关系为
当 为正值时， ，表明电场力做正功，电势能减少；当 为负值时， ，表明电场力做负功，电势能增加。
电场力所做的功只能决定电势能的变化量，而不能决定电荷在电场中某点电势能的数值，这是因为电势能具有相对性。只有先把电场中某点的电势能规定为0，才能确定电荷在电场中其他点的电势能。通常将大地或无限远处的电势能规定为0。
5.2 电势能、电势与电势差
5.2 电势能、电势与电势差
2．电势
人们为了能够直观地比较电荷在电场中电势能的大小，把放在电场中某点的电荷所具有的电势能与其电荷量的比值叫作该点的电势。电势一般用V来表示，则有
电势是标量，它的单位为伏特，写作V。电势与电场强度都是反映电场性质的物理量，电势是从能量的角度描述电场，而电场强度则是从力的角度描述电场。
5.2 电势能、电势与电势差
电场中的电势与地球上的高度一样，都是相对量。要确定某一点的电势，必须选取零电势点。零电势点的选取是任意的，一般选取大地或者无限远处为零电势点。在电场中，电势的高低可以借助电场线来判断：沿着电场线的方向，电势越来越低。
在地图中，常用等高线来描述地势的高低，与此类似，在电场中，常用等势线来描述电势的高低。我们把在电场中电势相同的各点构成的线叫作等势线。在同一等势线上移动电荷，电场力不做功。如右图所示，虚线是点电荷电场的等势线。
5.2 电势能、电势与电势差
“无限远”到底是多远呢？如果某点已经远到试探电荷不能探测到电场了，这点就可以看成“无限远”。
5.2 电势能、电势与电势差
3．电势差
电场中任意两点的电势之差，叫作这两点的电势差，用符号U表示。若A、B两点的电势分别为 、 ，则这两点之间的电势差为
电势差也是标量，其单位也是伏特，写作V。电势差与零电势点的选取无关。
5.2 电势能、电势与电势差
5.2.2 匀强电场中电势差与电场强度的关系
在匀强电场中，两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场强度方向的距离的乘积。若A、B两点间的电势差为 ，沿电场强度方向的距离为d，电场强度为E，则
也可以写作
上式表明，匀强电场的电场强度在数值上等于沿着电场方向单位距离的电势差。由于电势差的单位是V，距离的单位是m，因此，电场强度的单位还可以写作V/m。
5.2 电势能、电势与电势差
课后实践
请在课后利用直流电源的正、负极和导电纸设计一个实验，进行电场中等势线的模拟描绘，并将实验结果拍成照片。通过观察所拍照片，仔细体会电势和电势差的关系，并与同学分享交流。

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