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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
5.1 电荷与电场
5.1 电荷与电场
5.1.1 电 荷
演示实验5-1 观察摩擦起电现象
将塑料尺与衣服摩擦几下，然后将塑料尺靠近纸屑，观察会出现什么现象。
5.1 电荷与电场
将塑料梳子与衣服摩擦，然后将梳子靠近较小的水流，观察会出现什么现象。
5.1 电荷与电场
通过实验发现，经过摩擦的许多物体都能够吸引轻小物体，此时我们就说这个物体带了电。摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的过程。自然界存在两种不同性质的基本电荷，即正电荷和负电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。
电荷最基本的性质是同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，如下图所示。
5.1 电荷与电场
为什么在干燥的秋天走路时，裤子特别容易吸附灰尘？
5.1 电荷与电场
电荷的多少叫作电荷量，简称电量，常用Q或q来表示。电量的单位是库仑，简称库，符号为C。正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。
1．元电荷
迄今为止，科学实验发现的最小电荷量数值上等于电子或质子所带的电荷量。我们把这个最小的电荷量叫作元电荷，用e来表示。元电荷的电荷量是物理学的基本常数之一，所有带电体的电荷量都是它的整数倍，它的大小是
5.1 电荷与电场
2．点电荷
在实际问题中，若带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以至于它们的形状、大小可以忽略不计，就可以把它们看作一个带电的几何点，这样的带电体就叫点电荷。
点电荷只是一种理想模型，与力学中引入的质点模型一样。而实际的带电体，包括电子、质子等，都具有一定的大小，都不是点电荷。
5.1 电荷与电场
3．静电现象
原子是由带正电的质子、不带电的中子以及带负电的电子组成的。在每个原子中，质子的正电荷量与电子的负电荷量一样多，所以整个原子对外界表现出电中性。
在原子内部，质子和中子紧密结合形成原子核，原子核的结构一般很稳定。电子离原子核较远，受到的束缚较弱，所以容易受到外界的作用而脱离原子。当两种不同的物体互相摩擦时，一个物体上受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是，得到电子的物体带负电，失去电子的物体则带正电。这种现象属于静电现象，也叫作摩擦起电。
除了摩擦能产生静电，静电感应也能产生静电。将一个导体靠近带电体，导体中的自由电荷会重新分布，与带电体异种的电荷被吸引到带电体附近，与带电体同种的电荷会被排斥至导体的另一端，远离带电体，这种现象叫作静电感应。利用静电感应使导体带电的过程叫作感应起电。
静电复印是采用静电摄影的方法进行复印的一种技术。它的原理是使硒鼓、墨粉、白纸等分别带上电荷，通过电荷之间的相互作用控制墨粉的运动，从而实现复印。
5.1 电荷与电场
知识角
5.1 电荷与电场
4．电荷守恒定律
大量实验表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，在转移的过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律。
在摩擦起电的过程中，电子由一个物体转移到另一个物体，对于整个系统而言，电荷的总量是不变的，这符合电荷守恒定律。同理，感应起电也符合电荷守恒定律。
5.1 电荷与电场
1．电场
通过力学的学习，我们知道，力与力之间的相互作用是通过直接或间接的接触来完成的。而两个电荷之间并没有相互接触，它们之间的相互作用是怎样产生的呢？
通过长期的科学研究，人们发现，电荷周围存在着电场。电场是一种客观存在的，看不见、摸不着的特殊物质。电场对处在其中的电荷有力的作用，这种力叫作电场力。
电荷之间的相互作用是通过电场来传递的。例如，电荷A对电荷B的作用，实际上是电荷A的电场对电荷B的作用；同时，电荷B的电场对电荷A也有力的作用。
5.1.2 电 场
5.1 电荷与电场
2．电场强度
检验电荷在电场中受到的电场力F与检验电荷的电荷量q的比值是个定值，与检验电荷的电荷量无关，只与该点的电场性质有关，这个比值的大小反映了电场的强弱。（检验电荷是电荷量很小的点电荷，将其放入待测电场后基本不影响待测电场的原有性质。）
为了描述电场的强弱和方向，引入电场强度的概念：放入电场中某点的检验电荷受到的电场力F与其电荷量q的比值，就是该点的电场强度，简称场强，用符号E来表示，则有
电场强度是描绘电场强弱的物理量，是矢量。物理学中规定，电场中某点的电场强度方向与正电荷在该点所受的电场力方向相同。电场强度的单位是牛每库（N/C）。
5.1 电荷与电场
在物理学中，常用物理量之比来表示某种性质，如用质量与体积之比定义密度，用位移与时间之比定义速度。这样用比值法定义物理量的同时，也就确定了新的物理量与原有物理量之间的关系。
5.1 电荷与电场
3．电场线
为了形象地描述电场在空间的分布，在电场中人为地画出一些有方向的曲线，这些曲线就叫作电场线。电场线上任一点的切线方向就表示该点的场强方向。
电场线不是实际存在的线，只是为了使电场形象化而画的假想线。电场线的疏密程度与该处的场强大小成正比；电场线始于正电荷（或无限远处），止于负电荷（或无限远处）；电场线不闭合，不相交。
下图所示为单个电荷的电场线分布图。
5.1 电荷与电场
下图所示为两个等量电荷的电场线分布图。
5.1 电荷与电场
4．匀强电场
在电场的某一区域内，如果各点的电场强度大小和方向都相同，则这个区域的电场就叫作匀强电场。匀强电场是最简单的电场，在实验和研究中经常用到。
两块面积相同、正对放置的平行金属板，当它们分别带上等量的异种电荷时，板间的电场（两板边缘附近除外）就是匀强电场，如下图所示。匀强电场的电场线是一组等间距的、互相平行的直线。
5.1 电荷与电场
课后实践
请同学们在课后完成以下任意一项任务。
第一项任务：在确保安全的前提下，将生活中一些常见的静电现象拍成视频，并与同学分享交流。
第二项任务：查阅资料，研究古今中外科学家对静电学的研究和应用，撰写科学小论文，并与同学分享交流。

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