位移电流与麦克斯韦方程组公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

同窗们好同窗们好！第1页第1页10.3 位移电流位移电流麦克斯韦提出又一主要假设：麦克斯韦提出又一主要假设：位移电流位移电流一一.问题提出问题提出稳恒磁场安培环路定理稳恒磁场安培环路定理：穿过以穿过以 为边界任意曲面传导电流为边界任意曲面传导电流非稳恒情况如何？非稳恒情况如何？随时间改变磁场随时间改变磁场 感生电场感生电场(涡旋电场涡旋电场)随时间改变电场随时间改变电场 磁场磁场对称性对称性第2页第2页非稳恒情况举例：电容器充放电非稳恒情况举例：电容器充放电矛盾！矛盾！阐明将安培环路定理推广到普通情况时需要进行补充阐明将安培环路定理推广到普通情况时需要进行补充和修正。和修正。对对S1:对对S2出现矛盾原因：非稳恒情况下传导电流不连续出现矛盾原因：非稳恒情况下传导电流不连续(I 流入流入S1，不流出，不流出S2)导线穿过导线穿过S1 导线不穿过导线不穿过S2 取回路取回路L，作以，作以L为边界曲面为边界曲面+第3页第3页传导电流不连续后果：传导电流不连续后果：电荷在极板上堆积。电荷在极板上堆积。电荷密度随时间改变电荷密度随时间改变（充电充电 ，放电放电 ）极板间出现改变电场极板间出现改变电场.大小大小：传导电流传导电流板间电场板间电场结论结论寻找传导电流与极板间改变电场之间关系寻找传导电流与极板间改变电场之间关系处理问题思绪处理问题思绪：第4页第4页与与 同向同向与与 同向同向充电充电与与 反向反向与与 同向同向放电放电第5页第5页板间电场电位移矢量板间电场电位移矢量 对时间改变率对时间改变率 等于极板上传导电流密度等于极板上传导电流密度 。穿过极板电位移通量穿过极板电位移通量 对时间改变率对时间改变率 等于极板上传导电流等于极板上传导电流 。处理了非稳恒情况电流连续性问题处理了非稳恒情况电流连续性问题传导电流传导电流 I 在极板上中断在极板上中断，可由，可由 接替。接替。可由可由 接替。接替。传导电流密度传导电流密度 在极板上中断，在极板上中断，将将 视为一个电流，视为一个电流，为其电流密度。为其电流密度。问题处理办法：问题处理办法：充电充电放电放电第6页第6页二二.位移电流位移电流1.就电流磁效应而言，改变电场与电流等效。就电流磁效应而言，改变电场与电流等效。称为位移电流称为位移电流2.物理意义物理意义真空中：真空中：揭示改变电场与揭示改变电场与电流等效关系电流等效关系空间电场改变空间电场改变电介质分子中电介质分子中电荷微观运动电荷微观运动第7页第7页3.传导电流与位移电流传导电流与位移电流比较比较自由电荷宏观自由电荷宏观定向运动定向运动改变电场和极化改变电场和极化电荷微观运动电荷微观运动产生焦耳热产生焦耳热只在导体中存在只在导体中存在无焦耳热，无焦耳热，在导体、电介质、真空在导体、电介质、真空 中均存在中均存在都能激发磁场都能激发磁场 问题：问题：比较导体、介质中比较导体、介质中 数量级数量级起源起源特点特点共同点共同点传导电流传导电流I0位移电流位移电流ID第8页第8页三三.安培环路定理推广安培环路定理推广1.全电流全电流2.推广安培环路定理推广安培环路定理对对对对不矛盾！不矛盾！对任何电路，全电流总是连续对任何电路，全电流总是连续第9页第9页解：解：(1)练习：练习：已知：对平行板电容器充电已知：对平行板电容器充电,已知已知 求：求：(2)第10页第10页解：解：(1)练习：练习：已知一平行板电容器内交变电场已知一平行板电容器内交变电场强度为：强度为：求求:1)电容器内位移电流密度大小；电容器内位移电流密度大小；2)电容器内到两板中心连线距离电容器内到两板中心连线距离 0.01米处磁场强度峰值米处磁场强度峰值 (不计传导电流磁场不计传导电流磁场)。(2)由安培环路定理：由安培环路定理：第11页第11页10.4 麦克斯韦方程组积分形式麦克斯韦方程组积分形式一一.麦克斯韦方程组积分形式麦克斯韦方程组积分形式 高斯定理高斯定理环路定理环路定理磁场磁场电场电场静电场静电场感生感生电场电场普通普通电场电场第12页第12页麦克斯韦方程组积分形式麦克斯韦方程组积分形式 第13页第13页二二.麦克斯韦方程组意义麦克斯韦方程组意义1.1.是对电磁场宏观试验规律全面总结和概括，是对电磁场宏观试验规律全面总结和概括，是典型物理三大支柱之一。是典型物理三大支柱之一。方程中各量关系：方程中各量关系：定义：定义：未发觉磁单极未发觉磁单极法拉第电磁法拉第电磁感应定律感应定律安培定律安培定律位移电流假设位移电流假设库仑定律库仑定律感生电场假设感生电场假设电场性质电场性质改变磁场改变磁场产生电场产生电场改变电场改变电场产生磁场产生磁场磁场性质磁场性质方方 程程实实 验验 基基 础础意意 义义第14页第14页2.揭示了电磁场统一性和相对性揭示了电磁场统一性和相对性电磁场是统一整体电磁场是统一整体电荷与观测者相对运动状态不同时，电磁场能够表现为不同形态。空间带电体空间带电体对相对其静止观测者对相对其静止观测者 静电场静电场对相对其运动观测者对相对其运动观测者电场电场磁场磁场3.预言了电磁波存在预言了电磁波存在（自由空间（自由空间 ）第15页第15页改变电场改变电场 改变磁场改变磁场改变电场改变电场 磁场磁场改变磁场改变磁场 电场电场可脱离电荷、电流在空间传播可脱离电荷、电流在空间传播电磁波电磁波如振荡偶极子如振荡偶极子第16页第16页4.预言了光电磁本性预言了光电磁本性电磁波传播速率电磁波传播速率麦克斯韦对两个预言坚信不疑。麦克斯韦对两个预言坚信不疑。火花火花试验证实：赫兹（试验证实：赫兹（1888 年完毕）年完毕）用电磁波重复了所有用电磁波重复了所有光学反射、折射、衍光学反射、折射、衍射、干涉、偏振试验。射、干涉、偏振试验。感应圈感应圈第17页第17页法拉第法拉第 麦克斯韦麦克斯韦 赫兹赫兹试验试验 理论理论 试验试验 蓝图蓝图（基础）（基础）建设大厦建设大厦使其中住满人使其中住满人互补互补法拉第：来自社会底层、试验巨匠。善于法拉第：来自社会底层、试验巨匠。善于 通过直觉把握物理本质。通过直觉把握物理本质。麦克斯韦：出身名门望族、数学高手、善于麦克斯韦：出身名门望族、数学高手、善于 建立模型、综合、提升。建立模型、综合、提升。大大40岁岁两者结合：抱负类型物理学家两者结合：抱负类型物理学家第18页第18页5.是典型物理是典型物理 近代物理桥梁近代物理桥梁麦氏方程不满足伽利略变换麦氏方程不满足伽利略变换 相对论建立相对论建立“我曾确信，在磁场中作用于一个运动电荷我曾确信，在磁场中作用于一个运动电荷 力但是是一个电场力罢了，正是这种确信或多力但是是一个电场力罢了，正是这种确信或多或少直接地促使我去研究狭义相对论。或少直接地促使我去研究狭义相对论。”爱因斯坦爱因斯坦创新物理概念（涡旋电场、位移电流）创新物理概念（涡旋电场、位移电流）严密逻辑体系严密逻辑体系简练数学形式简练数学形式(P.279 微分形式微分形式)正确科学推论正确科学推论(两个预言两个预言)第19页第19页6.不足不足(1)是在认可电荷连续分布基础上建立宏观是在认可电荷连续分布基础上建立宏观 典型理论，未和物质微观结构联系起来。典型理论，未和物质微观结构联系起来。(2)不完全对称？不完全对称？不存在磁单极。不存在磁单极。1895年：年：汤姆生发觉电子。汤姆生发觉电子。20 世纪初：世纪初：洛仑兹建立电磁现象微观理论洛仑兹建立电磁现象微观理论典型电子论典型电子论量子电磁理论量子电磁理论第20页第20页思考：思考：假如存在磁单极，麦克斯韦方程如何修正？假如存在磁单极，麦克斯韦方程如何修正？引入磁荷引入磁荷 、磁流、磁流由对称性：由对称性：第21页第21页上册复习要点上册复习要点 绪论（绪论（12章）章）基本粒子三大家族，四种基本互相作用基本粒子三大家族，四种基本互相作用 典型力学（典型力学（36章）章）1.以守恒量以守恒量 为中心，为中心，守恒条件守恒条件，守恒定律与时空对称性联系，守恒定律与时空对称性联系，应用守恒定律解题。应用守恒定律解题。第22页第22页2.注旨在中学基础上加深和扩展，比如注旨在中学基础上加深和扩展，比如 运动学两类基本问题运动学两类基本问题 变力作用下物体运动规律，变力作用下物体运动规律，如变力冲量、如变力冲量、变力功计算等。变力功计算等。保守力保守力 角动量、力矩、转动惯量、转动动能角动量、力矩、转动惯量、转动动能 刚体定轴转动问题刚体定轴转动问题第23页第23页 相对论（相对论（8章）章）1.狭义相对论狭义相对论 两条相对原理（准确叙述）；两条相对原理（准确叙述）；洛仑兹坐标变换，洛仑兹坐标变换，钟慢尺缩效应；钟慢尺缩效应；质速关系，质能关系，能量与动量关系；质速关系，质能关系，能量与动量关系；2.广义相对论广义相对论（两条基本原理）（两条基本原理）3.相对论理性基础相对论理性基础 物理规律对称和统一物理规律对称和统一力学相对性原理力学相对性原理狭义相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理广义相对性原理比较比较第24页第24页 电磁学（电磁学（9 11章）章）1.基本试验定律基本试验定律库仑定律、毕库仑定律、毕 沙定律、安培定律、沙定律、安培定律、法拉弟电磁感应定律法拉弟电磁感应定律2.基本概念和理论基本概念和理论 静电场静电场 高斯定理高斯定理 稳恒磁场稳恒磁场 环路定理环路定理基本性质基本性质位移电流、感生电场概念位移电流、感生电场概念电磁场统一性电磁场统一性麦克斯韦麦克斯韦方程组方程组及其及其物理意义物理意义第25页第25页3.必须掌握基本办法：必须掌握基本办法：1)微元分析和叠加原理微元分析和叠加原理2)用求通量和环流办法描述空间矢量场，求解具用求通量和环流办法描述空间矢量场，求解具 有一些对称性场分布。有一些对称性场分布。用静电场高斯定理求电场强度；用静电场高斯定理求电场强度；用稳恒磁场安培环路定理求磁感应强度；用稳恒磁场安培环路定理求磁感应强度；第26页第26页3)类比方法类比方法 动量、角动量、能量守恒条件比较动量、角动量、能量守恒条件比较 静电场静电场稳恒电场；稳恒电场静电场静电场感生电场；感生电场；极化极化磁化；磁化；电容电容 c 自感自感 L 互感互感 M 计算；计算；电场能电场能 We 磁场能磁场能 Wm 典型电荷电场分布典型电荷电场分布 典型电流磁场分布典型电流磁场分布第27页第27页4)模型模型:从实际问题从实际问题抽象出模型抽象出模型处理问题处理问题电介质分子电介质分子 电偶极子电偶极子 ；磁介质分子磁介质分子 分子电流；分子电流；点电荷、均匀带电球面、无限大带电（载流）平面点电荷、均匀带电球面、无限大带电（载流）平面无限长带电（载流）直线、长直螺旋管无限长带电（载流）直线、长直螺旋管4.应用应用静电屏蔽、磁屏蔽、尖端放电、电子感应加速器、静电屏蔽、磁屏蔽、尖端放电、电子感应加速器、磁聚焦、涡流、产生匀强电场、匀强磁场办法、磁聚焦、涡流、产生匀强电场、匀强磁场办法、霍耳效应分辨半导体类型霍耳效应分辨半导体类型.第28页第28页5.基本计算基本计算2）U 计算计算叠加法叠加法场强积分场强积分零势点选取；分段积分零势点选取；分段积分1）计算计算叠加法叠加法高斯定理高斯定理 (三种对称情况三种对称情况)电势梯度电势梯度(分量积分量积分分)第第9章：章：第29页第29页3)C 计算计算 4)We 计算计算10章：章：1)计算计算叠加法叠加法安培环定理安培环定理(对称性对称性)第30页第30页 3)磁力、磁力矩磁力、磁力矩 4)霍耳效应霍耳效应 2)计算：计算：第31页第31页第第11章章:1)感应电动势计算感应电动势计算2)L、M 计算计算3)磁场能磁场能4)位移电流位移电流第32页第32页