2019 高三選修物理-6-1~603
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中華民國 高中物理教材 99課綱-基礎物理2B-CH4 牛頓運動定律-1 注意：部分動畫無法顯示 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高二物理課本，99課綱 DeltaMOOCx
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2019 高三選修物理-6-1~603
- 2. Samn physics CH6-靜電學 2 重點 Outline ○ 電荷Electric Charge-分類、性質 ○ 絕緣體與導體Insulators and Conductors ○ 物體帶電方式：摩擦起電、感應起電 ○ 驗電器
- 3. Samn physics CH6-靜電學 3 電的認知 ○ 電(electricity)的字義為希臘文琥珀 (electron)，因為用毛皮摩擦過的琥珀可以吸 引很輕的小物體。 ○ 琥珀是松柏科植物的樹脂所形成的化石，最 少有五千萬年的歷史。 ○ 公元前六世紀 就知道 [靜電]
- 4. Samn physics CH6-靜電學 4 電的認知 正電荷-玻璃棒帶的電 負電荷-琥珀(塑膠棒)帶的電 1733 年法國人杜菲用實驗發現，帶電的玻璃和帶電的琥珀 是相互吸引的，但是兩塊帶電的琥珀或者兩塊帶電的玻璃則 是相互排斥的。 自然界中 有兩種電荷 圖片來源 http://www.scholastic.com/ Teachers/ lesson-plan/ben-franklin 富蘭克林 同性電荷相斥、異性電荷相吸
- 5. Samn physics 其中 C 稱為庫侖，是電量的單位 5 CH6-靜電學 電子Electron 的發現 密立坎 iscoverD 基本電荷與荷質比 透過精巧的實驗設計 數千次實驗後，發現電子的電量為 1.610-19(C) C 稱為庫侖 電量的單位 依據J.J.湯木生的實驗結果 電子質量me=9.11×10-31 (kg)
- 6. Samn physics CH6-靜電學 6 導體、半導體、絕緣體 導體：物體中具有可自由移動的 帶電質點稱為導體 • 金屬：擁有自由電子->電荷可以 在物質內自由移動 • 電解質水溶液：具有正、負離子 而導電 • 游離的氣體：具有正、負離子而 導電 絕緣體：物質中的帶電質點無法 自由移動稱為絕緣體 如：玻璃、橡膠、乾燥的木材
- 8. Samn physics CH6-靜電學 8 帶電體的電性 • 當物體內質子與電子的數目相等時， 則成 電中性 。 • 若物體內質子與電子數目不相等時， 則稱物體為 帶電體 : : : N N N N N N + − + − + − = 物體帶正電 物體電中性 物體帶負電
- 9. Samn physics CH6-靜電學 9 摩擦起電 電荷守恆定律 當產生一個正電荷，必然產生一個負電荷， 任何一個孤立系統的總電荷量維持不變 不論是 物理變化 、 化學變化 或是 核反應 均成立 電中性的兩物體互相摩擦時，原子獲得能量， 使電子從一物體轉移到另一物體 其中獲得電子者帶負電，失去電子者帶正電 兩者所帶的電量相等，但電性相反 。 游離能的差異
- 10. Samn physics CH6-靜電學 10 導體的靜電感應現象 帶電體接近導體時，導體上靠近帶電體的一端會產生異性電，相距較遠 的一會端會產生同性電，這種正、負電荷分離 的現象稱為靜電感應。
- 11. Samn physics CH6-靜電學 11 感應起電 小金屬球 帶電性=大金屬球 小金屬球 帶電性大金屬球 與 相反 利用 靜電感應 可使中性導體帶電，稱為感應起電
- 12. Samn physics 金箔驗電器 ○ 原理： • 靜電感應原理 ○ 作用： ○ 檢驗物體是否帶電 ○ 所帶的電性 CH6-靜電學 12
- 14. Samn physics 14 CH6-靜電學 庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 距離r 電量q1 電量q2
- 15. Samn physics 15 CH6-靜電學 描述靜電力的數學方程-庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 𝐹 = 𝑘 𝑞1 ⋅ 𝑞2 𝑟2 𝑘 = 8.99 × 109 (N ⋅ m2 C2 ) 與電量q1、q2乘積 成正比 與距離r 成平方反比
- 16. Samn physics CH6-靜電學 16 庫侖定律Coulomb’s Law 1 2 2 q q F k r = 僅適用在點電荷或 球體 若帶電體體積極大，則另一帶電體靠 近時候，電荷會重新分佈，導致兩者 間的靜電作用力不滿足庫侖定律(大 學電磁學範圍) 作用範圍：原子核到無窮遠處均適用
- 17. Samn physics 庫侖靜電力與牛頓萬有引力的比較 ○ 相同點： • 超距力 • 力的大小與 1 𝑟2成正比 ○ 保守力➔ • 重力：重力位能 • 靜電力：電位能 ○ 遵守「力學能」守恆 ○ 電位能+動能=定值 ○ 相異點： • 庫侖力→物體 帶電 • 萬有引力→物體具有質量 • 庫侖力：吸引力、排斥力 • 萬有引力：有吸引力 ○ 庫侖力的大小與帶電體所在的 介 質(環境) 有關 ○ 萬有引力與物體所在的環境無關。 CH6-靜電學 17
- 18. Samn physics 已知質子(氫原子核)帶一單位正電荷，電子帶一單位負電荷，基本電荷電 量單位e=1.6×10-19庫侖。質子的質量為1.7×10-27公斤，電子質量為 9.1×10-31公斤。則質子與電子間的庫侖力大小為萬有引力大小的幾倍？ 28 39 67 2.30 10 2.23 10 1.03 10 e g F F − − = 原子尺度中的靜電力與重力 -31 -27 11 2 2 9.1 10 1.7 10 6.67 10g M m F G r r − = = 19 2 9 2 2 (1.6 10 ) 9 10e Q q F k r r − = = 微觀世界 忽略 重力作用 CH6-靜電學 18
- 19. 6-3 電力線與電 場 Electric Field and Electric Field Lines
- 20. Samn physics 20 CH6-靜電學 電場 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q -Q q q q q q q 電場,E 點電荷-Q 不同電性的電荷，建立不同 趨向的靜電力效應範圍 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/M ichael_Faraday 法拉第
- 21. Samn physics 21 CH6-靜電學 電場 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/M ichael_Faraday 法拉第 帶電體(可以是帶電粒子，或是帶電金屬板)其靜電力所能到 達的作用範圍成為 電場 。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + F E + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P+ q 單位正電荷q所受 到的靜電力，稱為 該位置的電場強度。 場源 𝑬 = 𝑭 𝒒 𝑞 > 0 ֊𝐹 與 ֊𝐸 同向 𝑞 < 0 ֊𝐹 與 ֊𝐸 反向 p 𝐹 ∝ 𝑞
- 22. Samn physics 22 CH6-靜電學 點電荷Q建立的電場 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/M ichael_Faraday 法拉第 𝐹 = 𝑘 𝑄 𝒓2 ⋅ 𝑞 電場 E 𝐹 = 𝐸 ⋅ 𝑞 𝑬 = 𝑘 𝑄 𝒓2 單位：牛頓/庫侖 N/C
- 23. Samn physics 點電荷Q建立的電場 若Q為正電荷，產生的電場其方向指向外 移動中的正電荷的電場變化 From:MIT 電場 E 𝐸 = 𝑘 𝑄 𝒓2 CH6-靜電學 23 電場向外發散
- 24. Samn physics CH6-靜電學 24 點電荷Q建立的電場 若Q為負電荷，產生的電場其方向指向內 移動中的負電荷的電場變化𝐸 = 𝑘 𝑄 𝒓2 電場向內收斂 電場 E
- 26. Samn physics CH6-靜電學 26 電力線-描述電場的分佈 Google Search • 電場本身是肉眼無法直接 看到，是抽象的物理概念 • 電力線被用來解釋電場分 佈的最佳方法，並非真實 存在的線條 • 描述靜電力的作用的方向、 範圍 1840年前後，法拉第提出電力線模型
- 27. Samn physics ○電力線由 正 電荷出發，終止於 負 電荷 ○ 屬於 非封閉曲線 電力線的特性 單一極性電荷可以單獨存在 CH6-靜電學 27
- 28. Samn physics CH6-靜電學 28 電力線的特性 ○ 電場的大小與 電力線密集程度 有關 ○ 電力線越密集 → 電場越大 & 電量大 ○ 電荷發出或終止的電力線數量須正比 於其電量 一個負電：-q 2倍負電：-2q
- 30. Samn physics 電力線的特性 電力線不一定為電荷在電場中的運動軌跡。 靜止 電荷 q 運動軌跡 恰為 電力線 速率v q F q 運動軌跡 與 電力線無關 CH6-靜電學 30
- 31. Samn physics 31 CH6-靜電學 電場→電力線 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/M ichael_Faraday 法拉第 正電荷的電力線 負電荷的電力線 1. 電力線由正電荷出發，終結於負電荷。 2. 在電荷以外的空間，電力線並不會相交。 3. 電場的量值正比於該處電力線密度（單位截面積通過的 電力線數）， 其方向則是電力線的方向。 4.電力線不一定為電荷在電場中的運動軌跡。 與磁場相似
- 32. Samn physics CH6-靜電學 32 帶電導體靜電平衡時的電場與電荷分佈 一孤立導體帶電(正電或負電)後，電荷會如何分佈?? 假設-金屬球 帶負電 若電荷流動，可看到[電流] 實際上-金屬球不論內外，沒有電流 可推論導體的負電荷，處於[平衡]狀態 這現象 稱為靜電平衡 - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - -- 所有外加的同性電荷均勻分布於導體表面 導體內部電場必定為零，
- 33. Samn physics CH6-靜電學 33 帶電導體靜電平衡時的電場與電荷分佈 導體表面上的電場方向(電力線)必垂直表面 原因：如果 電場不垂直導體表面 將會在導體表面上 測得 電荷流動 導體外部電場分布(電力線分布) 與導體形狀有關。
- 34. Samn physics ○帶電量為Q，半徑為R 的金屬球 ○r 為與球心的距離 ○導體球內部➔達成靜電平衡，無電荷存在 ○導體球外的電場→點電荷 帶電實心導體球：用點電荷類比 R 球體外部 𝑟 ≥ 𝑅 ⇒ 𝐸 = 𝑘 𝑄 𝑟2 𝑟 < 𝑅 ⇒ 𝐸 = 0 𝑘 𝑄 𝑟2 r E 𝑘 𝑄 𝑅2 導體球表面的電場 達到最大
- 35. Samn physics 帶電的空心導體球殼：用點電荷類比 R 球體外部 𝑟 ≥ 𝑅 ⇒ 𝐸 = 𝑘 𝑄 𝑟2 𝑟 < 𝑅 ⇒ 𝐸 = 0 𝑘 𝑄 𝑟2 r E 實心導體球改為空心導體球殼， 則其電荷的分布情形仍與實心導體球完全相同
- 36. Samn physics CH6-靜電學 36 靜電屏蔽 Electrostatic shielding 將導體放在電場強度為E的外電場中， 靜電感應現象出現 感應電荷會建立與外電場方向相反的 電場E' 疊加後兩者互相抵消，使得導體內部 總電場強度為零。 導體內部有空洞，則空 洞中的電場也會是零 在空洞裡無法感受到導 體外側電荷所產生的電 場 導體的靜電屏蔽
- 37. Samn physics 靜電屏蔽 Electrostatic shielding CH6-靜電學 37
- 42. Samn physics CH6-靜電學 42 兩個帶等電量異性電荷的平行金屬板 = 𝟐𝑬 ＋𝐸 −𝐸 板外兩側的電場 Q -Q −𝐸 +𝐸 ＋𝐸 +𝐸 板內的電場 = 𝟎 →均勻電場 取向右為正向
- 43. Samn physics 帶電質點在均勻電場中的運動 Q -Q Q -Q 𝑬q 𝑭 Q -Q 𝑬-q 𝑭 若置入一帶電質點q， 質量為m，忽略重力， 則其運動模式必為等加 速度運動 റ𝑎 = 𝑞𝐸 𝑚 ＝定值 鉛直上拋 自由落體 水平拋射 斜向拋射 CH6-靜電學 43
- 45. Samn physics 電荷在均勻電場中的運動 𝑎 = 𝑞𝐸 𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑞𝐸 𝑡 = 𝐿 𝑣0 一質量為m，帶電量為＋q 之質 點，以速度v0垂直射入此均勻 電場中， X方向➔等速度運動 在平行板間的運動時間 𝑎 𝑦 = 𝑞𝐸 𝑚 Y方向➔等加速度運動 𝑣 𝑦 = 0 + 𝑎 𝑦 𝑡 = 𝑞𝐸 𝑚 ⋅ 𝐿 𝑣0 𝑦 = 1 2 ⋅ 𝑎 𝑦 𝑡2 = 1 2 ⋅ 𝑞𝐸 𝑚 ⋅ 𝐿2 𝑣0 2 t𝑎𝑛𝜃 = 𝑣 𝑦 𝑣 𝑥 = 𝑎 𝑦 𝑡 𝑣0 = 𝑞𝐸 𝑚 ⋅ 𝐿 𝑣0 𝑣0 = 𝑞𝐸𝐿 𝑚𝑣0 2 CH6-靜電學 45
- 46. Samn physics 電荷在均勻電場中的運動 𝑎 = 𝑞𝐸 𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑞𝐸 一質量為m，帶電量為＋q 之質 點，以速度v0垂直射入此均勻 電場中， CH6-靜電學 46 功能定理知，電荷所增加的動能𝛥𝐸 𝑘 ＝靜電力對電荷所作的功W =𝐹 ⋅ 𝑆 = 𝑞𝐸 ⋅ 𝑦 = 𝑞𝐸 × 𝑞𝐸𝐿2 2𝑚𝑣0 2 = 𝑞2 𝐸2 𝐿2 2𝑚𝑣0 2 𝛥𝐸 𝑘
- 47. Samn physics 電荷在均勻電場中的運動 𝑎 = 𝑞𝐸 𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑞𝐸 一質量為m，帶電量為＋q 之質 點，以速度v0垂直射入此均勻 電場中， CH6-靜電學 47 射出電場後 X方向➔等速度運動 Y方向➔等速度運動 𝐷 = 𝑣0 𝑡′ ⇒ 𝑡′ = 𝐷 𝑣0 𝑦′ = 𝑣 𝑦 𝑡′ = 𝑞𝐸𝐿 𝑚𝑣0 × 𝐷 𝑣0 = 𝑞𝐸𝐿𝐷 𝑚𝑣0 2 垂直偏向位移Y＝ 𝑦 + 𝑦′ = 𝑞𝐸𝐿2 2𝑚𝑣0 2 + 𝑞𝐸𝐿𝐷 𝑚𝑣0 2 = 𝑞𝐸𝐿 2𝑚𝑣0 2 (𝐿 + 2𝐷)
- 49. Thank for Contoso Ltd. https://mysecretpark.blogspot.com/ your attention 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高三選修物理課本 DeltaMOOCx