第一章 静电场
教材：
,新概念物理学, 电磁学
赵凯华、陈熙谋
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
§ 1,库仑定律 p71 1-1,4
?以库仑定律为例说明：
?一个物理定律建立本身就是物理学取得
很大进展的标志
?物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延
?对于基本定律，我们究竟从那些方面考
察？
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
物理定律建立的一般过程
? 观察现象；
? 提出问题；
? 猜测答案；
? 设计实验测量；
? 归纳寻找关系、发现规律；
? 形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模
型，找出新的内容，正确表述）；
? 考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现
代含义等 。
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
一,库仑定律的建立
? Franklin 首先发现金属小
杯内的软木小球完全不受
杯上电荷的影响 ;
? 在 Franklin的建议下，
Priestel做了实验 —— 提出
问题
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
猜测答案
? 现象与万有引力有相同规
律
? 由牛顿力学可知：球壳对
放置在壳外的物体有引力，
而放置在球壳内任何位置
的物体受力为零。
? 类比：电力与距离平方成
反比（ 1766年做的实验，
未被重视）
2
1
r
F ?引 2
1~
rF ?电
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
设计实验
? 1769年 Robison首先用直接测量方法
确定电力定律，得到两个同号电荷的
斥力
06.2?? rf
? 两个异号电荷的引力比平方反比的方次要
小些。（研究结果直到 1801年发表才为世人
所知）
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
Cavendish实验
? 1772年 Cavendish遵循 Priestel的思想设计了
实验,验证电力平方反比律”,如果实验测
定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，
就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即
?他测出不大于 0.02（未发表,100年以 后
Maxwell整理他的大量手稿，才将此结果公诸
于世。
越小，内表面电荷越少????? 2rf
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
1785年 Coulomb测出结果
? 精度与十三年前 Cavendish的实验
精度相当
? 库仑是扭称专家 ;
? 电斥力 —— 扭称实验, 数据只有几个,
且不准确 （ 由于漏电 ） —— 不是大量
精确的实验；
? 电引力 —— 单摆实验得
? 电引力单摆周期正比于距离
? 与万有引力单摆周期类比, 得
~2 rGmLT ?? 22 10,??? ?? ??rF 电
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
库仑定律 的表述 p5
?在 真空中,两个 静止 的 点电荷 q1和
q2之间的相互作用力大小和 q1 与 q2
的乘积成正比，和它们之间的距离
r平方成反比；作用力的方向沿着
他们的联线，同号电荷相斥，异号
电荷相吸。
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
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对称性的结果
量类比于引力，定义了电
实验结果
——
——
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21
2
2
21
?
k是引进单位制后引入的常数 。
讨论
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
? 上述公式并非都是大量
实验的结果，是在事实
基础上理性思维的结果。
? 如力的方向：分析点电
荷受力：只能沿联线，
否则空间旋转 180° 就
不对称了
注意
成立条件、适用范围、精度
条件：静止、
真空、
点电荷
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
静止：
? 点电荷相对静止，且相对于观察者也静止
? 该条件可以拓宽到静源 —— 动电荷，
? 不能延拓到动源 —— 静电荷？
? 因为作为运动源，有一个推迟效。
? 问题：上述结论是否与牛顿第三定律矛盾？结
果合理吗？
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
被作用者静止，
满足牛三
被作用者运动，由于推
迟势，不满足牛三
?看上去与牛三矛盾
?实际上正说明电荷间有 第三者 —— 场,
?前者电荷静止,场的动量不变 —— 作用力对等
?后者 场的动量 发生变化，作用力不对等
?将场包含进去，依然满足牛顿第三定律
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
真空条件
? 作用：为了除去其他电荷的影响，使两个
点电荷只受对方作用。
? 如果真空条件破坏会如何？ —— 不仅只有
两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但
由于 力的独立作用原理,两个点电荷之间
的力仍遵循库仑定律
? 因此可以推广到 介质、导体
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
点电荷
? 理想模型（已学过的）
? 质点
? 刚体
? 理想流体
? 平衡态（热学）
? 点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电
荷分布情况的电荷。
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
适用范围和精度
? 原子核尺度 —— 地球物理尺度
? 天体物理、空间物理 大概无问题
cmcm 913 10~10 ?
210 ???
1610 ???
? 精度,Coulomb时代
? 1971年
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
理论地位和现代含义
?库仑定律是静电学的基础，说明了
?带电体的相互作用问题
?原子结构，分子结构，固体、液体的结构
?化学作用的微观本质
?都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力
?静电场的性质
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
后果？
? 静电场的基本定理 —— 高斯定理将不成立
? 动摇了电磁理论的基础
? 电力平方反比律与 m光 （ 静 ） 是否为零有密切关系
? m光 是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别
? 现有理论以 m光 =0为前提,若 m光 不为零,后果严重
? 电动力学的规范不变性被破坏
? 电荷将不守恒
? 光子偏振态要发生变化
? 黑体辐射公式要修改
? 会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不
同，从而破坏光速不变。
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
电量单位 － MKSA制
? 1库仑：当导线中通过 1安培稳恒电流时,
一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为
1C=1A·s
? 若 F=1N,q1=q2=1C,r=1m 则
k=8.9880× 109N·m2/C2 ≈9.00× 109N·m2/C2
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
CGSE制单位制
? 电量作为基本单位由 C-定律定义
? 令,k=1,q1=q2,r=1cm,F=1dyn,
则电量 q的单位为
1CGSE电量,1C=3× 109CGSE电量
教材：
,新概念物理学, 电磁学
赵凯华、陈熙谋
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
§ 1,库仑定律 p71 1-1,4
?以库仑定律为例说明：
?一个物理定律建立本身就是物理学取得
很大进展的标志
?物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延
?对于基本定律，我们究竟从那些方面考
察？
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
物理定律建立的一般过程
? 观察现象；
? 提出问题；
? 猜测答案；
? 设计实验测量；
? 归纳寻找关系、发现规律；
? 形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模
型，找出新的内容，正确表述）；
? 考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现
代含义等 。
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
一,库仑定律的建立
? Franklin 首先发现金属小
杯内的软木小球完全不受
杯上电荷的影响 ;
? 在 Franklin的建议下，
Priestel做了实验 —— 提出
问题
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
猜测答案
? 现象与万有引力有相同规
律
? 由牛顿力学可知：球壳对
放置在壳外的物体有引力，
而放置在球壳内任何位置
的物体受力为零。
? 类比：电力与距离平方成
反比（ 1766年做的实验，
未被重视）
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设计实验
? 1769年 Robison首先用直接测量方法
确定电力定律，得到两个同号电荷的
斥力
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? 两个异号电荷的引力比平方反比的方次要
小些。（研究结果直到 1801年发表才为世人
所知）
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
Cavendish实验
? 1772年 Cavendish遵循 Priestel的思想设计了
实验,验证电力平方反比律”,如果实验测
定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，
就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即
?他测出不大于 0.02（未发表,100年以 后
Maxwell整理他的大量手稿，才将此结果公诸
于世。
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
1785年 Coulomb测出结果
? 精度与十三年前 Cavendish的实验
精度相当
? 库仑是扭称专家 ;
? 电斥力 —— 扭称实验, 数据只有几个,
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精确的实验；
? 电引力 —— 单摆实验得
? 电引力单摆周期正比于距离
? 与万有引力单摆周期类比, 得
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
库仑定律 的表述 p5
?在 真空中,两个 静止 的 点电荷 q1和
q2之间的相互作用力大小和 q1 与 q2
的乘积成正比，和它们之间的距离
r平方成反比；作用力的方向沿着
他们的联线，同号电荷相斥，异号
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
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? 如力的方向：分析点电
荷受力：只能沿联线，
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注意
成立条件、适用范围、精度
条件：静止、
真空、
点电荷
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
静止：
? 点电荷相对静止，且相对于观察者也静止
? 该条件可以拓宽到静源 —— 动电荷，
? 不能延拓到动源 —— 静电荷？
? 因为作为运动源，有一个推迟效。
? 问题：上述结论是否与牛顿第三定律矛盾？结
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
被作用者静止，
满足牛三
被作用者运动，由于推
迟势，不满足牛三
?看上去与牛三矛盾
?实际上正说明电荷间有 第三者 —— 场,
?前者电荷静止,场的动量不变 —— 作用力对等
?后者 场的动量 发生变化，作用力不对等
?将场包含进去，依然满足牛顿第三定律
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
真空条件
? 作用：为了除去其他电荷的影响，使两个
点电荷只受对方作用。
? 如果真空条件破坏会如何？ —— 不仅只有
两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但
由于 力的独立作用原理,两个点电荷之间
的力仍遵循库仑定律
? 因此可以推广到 介质、导体
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
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? 理想模型（已学过的）
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适用范围和精度
? 原子核尺度 —— 地球物理尺度
? 天体物理、空间物理 大概无问题
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? 1971年
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
理论地位和现代含义
?库仑定律是静电学的基础，说明了
?带电体的相互作用问题
?原子结构，分子结构，固体、液体的结构
?化学作用的微观本质
?都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力
?静电场的性质
2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
后果？
? 静电场的基本定理 —— 高斯定理将不成立
? 动摇了电磁理论的基础
? 电力平方反比律与 m光 （ 静 ） 是否为零有密切关系
? m光 是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别
? 现有理论以 m光 =0为前提,若 m光 不为零,后果严重
? 电动力学的规范不变性被破坏
? 电荷将不守恒
? 光子偏振态要发生变化
? 黑体辐射公式要修改
? 会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不
同，从而破坏光速不变。
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电量单位 － MKSA制
? 1库仑：当导线中通过 1安培稳恒电流时,
一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为
1C=1A·s
? 若 F=1N,q1=q2=1C,r=1m 则
k=8.9880× 109N·m2/C2 ≈9.00× 109N·m2/C2
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2005.2,北京大学物理学院王稼军编写
CGSE制单位制
? 电量作为基本单位由 C-定律定义
? 令,k=1,q1=q2,r=1cm,F=1dyn,
则电量 q的单位为
1CGSE电量,1C=3× 109CGSE电量
