QED真空电场的研究
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《电势差与电场强度的关系》教学设计【教材分析】本节是电场力做功的一个应用,本节内容起一个桥梁、纽带的作用,将电场的两大性质联系起来,从而进一步理解“位置和电势的关系”。
前面几节的内容是研究描述电场的各个物理量,本节内容是研究电势差与电场强度的关系,注意电场强度用来描述电场力的性质,电势用来描述电场能的性质,电势差跟电场力移动电荷做功相互联系。
电场强度与电势差的关系、电场力与电势能的变化之间的关系,这两个关系之间存有逻辑关系,教师在讲解时需要把握其内部联系。
【学生分析】从知识结构来看,在学习电势差与电场强度的关系前,学生已经对电场强度、电势、电势差等概念有了较好的理解,并且应该掌握电场力做功的特点、电场力与电势能的变化之间的关系,能熟练应用这些知识解决一些问题。
学生应该已经完全具备深入探究和学习电势差与电场强度的关系的起点水平。
高二学生应该习惯注重概念间、规律间的相互联系,很多学生应该能建立明确的动态的物理图象或物理情景,进而通过同化和顺应,完成知识的建构过程。
所以,在教学过程中应从学生实际入手,依据学生认知规律,注重协助学生创设物理情景,创造和谐、民主、自由的课堂气氛,采取学生探究为主的教学方式。
教学过程教学内容和教师活动学生活动活动预设目的一、新课引入1.[提问]你学过哪些描述电场性质的物理量?展示:电场强度和电势的比较。
电场强度E电势φ描述电场的力的性质描述电场的能的性质电场中某点的场强等于放在该点的正点电荷所受的电场力F跟正点电荷电荷量q的比值E=F/q,E在数值上等于单位正电荷所受的电场力电场中某点的电势等于该点跟选定的标准位置(零电势点)间的电势差,φ=ε/q,φ在数值上等于单位正电荷所具有的电势能矢量标量单位:N/C;V/m V(1 V=1 J/C)2.[提问]等势面有哪些特点?[过渡]既然场强、电势、电势差都描述电场的性质,它们之间一定存相关系。
什么关系呢?下面我们就来推导它们间的关系。
第2单元电场能的性质电场力做功与电势能[想一想]如图6-2-1所示,电荷沿直线AB、折线ACB、曲线AB运动,静电力做的功为多少?静电力做功与路径是否有关?若B点为零势能点,则+q在A点的电势能为多少?图6-2-1提示:静电力做功为W=qEd,与路径无关,电势能为E p=qEd。
[记一记]1.静电力做功(1)特点:静电力做功与路径无关,只与初末位置有关。
(2)计算方法①W=qEd,只适用于匀强电场,其中d为沿电场方向的距离。
②W AB=qU AB,适用于任何电场。
2.电势能(1)定义:电荷在电场中具有的势能,数值上等于将电荷从该点移到零势能位置时静电力所做的功。
(2)静电力做功与电势能变化的关系:静电力做的功等于电势能的减少量,即W AB=E p A -E p B=-ΔE p。
[试一试]1.如图6-2-2所示,在真空中有两个带正电的点电荷,分别置于M、N两点。
M处正电荷的电荷量大于N处正电荷的电荷量,A、B为M、N连线的中垂线上的两点。
现将一负点电荷q由A点沿中垂线移动到B点,在此过程中,下列说法正确的是()图6-2-2A.q的电势能逐渐减小B.q的电势能逐渐增大C.q的电势能先增大后减小D.q的电势能先减小后增大解析:选B负电荷从A到B的过程中,电场力一直做负功,电势能增大,所以A、C、D均错,B对。
电势和等势面[想一想]某静电场的电场线分布如图6-2-3所示,试比较图中P、Q两点的电场强度的大小,及电势的高低。
图6-2-3提示:根据电场线的疏密可判断P点场强大于Q点场强;由于沿着电场线的方向电势逐渐降低。
P点电势高于Q点电势。
[记一记]1.电势(1)定义:试探电荷在电场中某点具有的电势能E p与它的电荷量q的比值。
(2)定义式:φ=E p/q。
(3)矢标性:电势是标量,有正负之分,其正(负)表示该点电势比零电势高(低)。
(4)相对性:电势具有相对性,同一点的电势因选取零电势点的不同而不同。
2.等势面(1)定义:电场中电势相等的各点组成的面。
1.命题情境源自生产生活中的与电场的相关的情境或科学探究情境,解题时能从具体情境中抽象出物理模型,正确应用静电场物理规律、牛顿运动定律、运动学公式及动能定理解决物理实际问题。
2.选择题命题中主要考查电场强度、电势、电势能、电场线、等势线电场力做功等知识点。
立体空间的电场加大了立体空间的思维能的考查。
3. 命题中经常注重物理建模思想的应用,具体问题情境中,抽象出物体模型。
带电粒子在电场中的运动,除了常规的加速和类平抛运动,还会出现类斜抛运动和一般的曲线运动的考查,利用运动的合成与分解的思想分析问题和解决问题。
1.电场强度的三个公式(1)E =F q是电场强度的定义式,适用于任何电场.电场中某点的场强是确定值,其大小和方向与试探电荷q 无关,试探电荷q 充当“测量工具”的作用.(2)E =k Q r2是真空中点电荷所形成的电场场强的决定式,E 由场源电荷Q 和场源电荷到某点的距离r 决定. (3)E =U d是场强与电势差的关系式,只适用于匀强电场. 注意:式中d 为两点间沿电场方向的距离.2.电场能的性质(1)电势与电势能:φ=E p q. (2)电势差与电场力做功:U AB =W AB q=φA -φB . (3)电场力做功与电势能的变化:W =-ΔE p .3.等势面与电场线的关系(1)电场线总是与等势面垂直,且从电势高的等势面指向电势低的等势面.(2)电场线越密的地方,等差等势面也越密.(3)沿等势面移动电荷,电场力不做功,沿电场线移动电荷,电场力一定做功.4.主要研究方法(1)理想化模型法.如点电荷.(2)比值定义法.如电场强度、电势的定义方法,是定义物理量的一种重要方法.(3)类比的方法.如电场和重力场的类比;电场力做功与重力做功的类比;带电粒子在匀强电场中的运动和平抛运动的类比.5.静电力做功的求解方法(1)由功的定义式W =Fl cos α来求;(2)利用结论“电场力做功等于电荷电势能变化量的负值”来求,即W =-ΔE p ;(3)利用W AB =qU AB 来求.6.电场中的曲线运动的分析采用运动合成与分解的思想方法.7.电场线假想线,直观形象地描述电场中各点场强的强弱及方向,曲线上各点的切线方向表示该点的场强方向,曲线的疏密程度表示电场的强弱.8.电势高低的比较(1)沿着电场线方向,电势越来越低;(2)将带电荷量为+q 的电荷从电场中的某点移至无穷远处,电场力做功越多,则该点的电势越高;(3)根据电势差U AB =φA -φB ,若U AB >0,则φA >φB ,反之,则φA <φB .9.电势能变化的判断(1)根据电场力做功判断,若电场力对电荷做正功,电势能减少;反之则增加.即W =-ΔE p .(2)根据能量守恒定律判断,电场力做功的过程是电势能和其他形式的能相互转化的过程,若只有电场力做功,电荷的电势能与动能相互转化,而总和保持不变.10.电场中常见的运动类型(1)匀变速直线运动:通常利用动能定理qU =12mv 2-12mv 02来求解;对于匀强电场,电场力做功也可以用W =qEd 来求解.(2)偏转运动:一般研究带电粒子在匀强电场中的偏转问题.对于类平抛运动可直接利用平抛运动的规律以及推论;较复杂的曲线运动常用运动的合成与分解的方法来处理.(建议用时:30分钟) 一、单选题1.(2024·四川资阳·统考二模)如图,xOy 平面内,电荷量为 q (q >0)和-q 的点电荷分别固定在(-a ,0)和(a ,0)点。
【带电粒子在电场中的加速或减速】1.研究条件:带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场时将做________运动。
2.功能关系:带电粒子在电场中加速,若不计粒子的重力,则静电力对带电粒子做的功等于带电粒子____的增量。
(1)在匀强电场中,W =qEd =qU =________。
(2)在非匀强电场中,W =qU =________。
【带电粒子在匀强电场中的偏转】 1.如果带电粒子以初速度v 0垂直电场强度方向进入匀强电场中,不考虑重力时,则带电粒子在电场中将做类平抛运动,如图所示。
2.类平抛运动的一般处理方法:将粒子的运动分解为沿初速度方向的_______运动和沿静电力方向_______运动。
3.基本公式(板长为l ,板间距离为d ,板间电压为U):在电场中运动时间t =lv 0;加速度a =F m =qEm=________;离开电场的偏转量y =12at 2=________;速度方向偏转角tan θ=v y v 0=atv 0=________。
【典型例题】1、一水平放置的平行板电容器的两极板间距为d ,极板分别与电池两极相连,上极板中心有一小孔(小孔对电场的影响可忽略不计).小孔正上方d2处的P 点有一带电粒子,该粒子从静止开始下落,经过小孔进入电容器,并在下极板处(未与极板接触)返回.若将下极板向上平移d3,则从P 点开始下落的相同粒子将( )A .打到下极板上B .在下极板处返回C .在距上极板d2处返回D .在距上极板25d 处返回2、如图,平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度,两极板与一直流电源相连.若一带电粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器,则在此过程中,该粒子( ) A .所受重力与电场力平衡 B .电势能逐渐增加 C .动能逐渐增加 D .做匀变速直线运动3、如图所示,一电荷量为+q 、质量为m 的小物块处于一倾角为37°的光滑斜面上,当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中,小物块恰好静止.重力加速度取g ,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:(1)水平向右电场的电场强度;(2)若将电场强度减小为原来的12,物块的加速度是多大;(3)电场强度变化后物块下滑距离L 时的动能.4、离子发生器发射出一束质量为m ,电荷量为q 的离子,从静止经加速电压U 1加速后,获得速度v 0,并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央,受偏转电压U 2作用后,以速度v 离开电场,已知平行板长为l ,两板间距离为d ,求: ①v 0的大小;②离子在偏转电场中运动时间t ; ③离子在偏转电场中受到的电场力的大小F ; ④离子在偏转电场中的加速度;⑤离子在离开偏转电场时的横向速度v y ; ⑥离子在离开偏转电场时的速度v 的大小; ⑦离子在离开偏转电场时的横向偏移量y ; ⑧离子离开偏转电场时的偏转角θ的正切值tgθ5、如图所示,真空中水平放置的两个相同极板Y 和Y ′长为L ,相距为d ,足够大的竖直屏与两板右侧相距b .在两板间加上可调偏转电压U ,一束质量为m 、电荷量为+q 的带电粒子(不计重力)从两板左侧中点A 以初速度v 0沿水平方向射入电场且能穿出.求:(1)两板间所加偏转电压U 的范围; (2)粒子可能到达屏上区域的长度.6、半径为r 的绝缘光滑圆环固定在竖直平面内,环上套有一质量为m 、带正电荷的小球,空间存在水平向右的匀强电场,如图8所示,小球所受电场力是其重力的34倍,将小球从环上最低点位置A 点由静止释放,则:(1)小球所能获得的最大动能是多大; (2)小球对环的最大压力是多大.一、单项选择题1.如图1所示,不带电的金属球A 固定在绝缘底座上,它的正上方有B 点,该处有带电液滴不断地自静止开始落下,液滴到达A 球后将电荷量全部传给A 球,设前一液滴到达A 球后,后一液滴才开始下落,不计B点未下落带电液滴对下落液滴的影响, 则下列叙述中正确的是( )A .第一滴液滴做自由落体运动,以后液滴做变加速运动,都能到达A 球B .当液滴下落到重力等于电场力位置时,开始做匀速运动C .所有液滴下落过程所能达到的最大动能不相等D .所有液滴下落过程中电场力做功相等2.如图所示,从炽热的金属丝飘出的电子(速度可视为零),经加速电场加速后从两极板中间垂直射入偏转电场.电子的重力不计.在满足电子能射出偏转电场的条件下,下述四种情况中,一定能使电子的偏转角变大的是( ) A .仅将偏转电场极性对调 B .仅增大偏转电极板间的距离 C .仅增大偏转电极板间的电压 D .仅减小偏转电极板间的电压 3.如图4所示,一价氢离子(11H)和二价氦离子(42He)的混合体,经同一加速电场加速后,垂直射入同一偏转电场中,偏转后,打在同一荧光屏上,则它们( ) A .同时到达屏上同一点 B .先后到达屏上同一点 C .同时到达屏上不同点 D .先后到达屏上不同点4.如图所示,平行金属板A 、B 水平正对放置,分别带等量异号电荷.一带电微粒水平射入板间,在重力和电场力共同作用下运动,轨迹如图中虚线所示,那么( ) A .若微粒带正电荷,则A 板一定带正电荷 B .微粒从M 点运动到N 点电势能一定增加 C .微粒从M 点运动到N 点动能一定增加 D .微粒从M 点运动到N 点机械能一定增加 5.如图6甲所示,两平行正对的金属板A 、B 间加有如图乙所示的交变电压,一重力可以忽略不计的带正电粒子固定在两板的正中间P 处.若在t 0时刻释放该粒子,粒子会时而向A 板运动,时而向B 板运动,并最终打在A 板上.则t 0可能属于的时间段是( )A .0<t 0<T 4 B.T 2<t 0<3T4C.3T 4<t 0<T D .T <t 0<9T 8 二、多项选择题6. 如图所示,一质量为m 、电荷量为q 的小球在电场强度为E 、区域足够大的匀强电场中,以初速度v 0沿ON 在竖直面内做匀变速直线运动.ON 与水平面的夹角为30°,重力加速度为g ,且mg =qE ,则( ) A .电场方向竖直向上B .小球运动的加速度大小为gC .小球上升的最大高度为v 202gD .若小球在初始位置的电势能为零,则小球电势能的最大值为m v 2047、如图所示,M 、N 是在真空中竖直放置的两块平行金属板.质量为m 、电荷量为-q 的带电粒子(不计重力),以初速度v 0由小孔进入电场,当M 、N 间电压为U 时,粒子刚好能到达N 板,如果要使这个带电粒子能到达M 、N 两板间距的12处返回,则下述措施能满足要求的是( )A .使初速度减为原来的12B .使M 、N 间电压加倍C .使M 、N 间电压提高到原来的4倍D .使初速度和M 、N 间电压都减为原来的128.如图10所示,水平放置的平行板电容器与某一电源相连,它的极板长L =0.4 m ,两极板间距离d =4×10-3 m ,有一束由相同带电微粒组成的粒子流以相同的速度v 0从两极板中央平行极板射入,开关S 闭合前,两极板间不带电,由于重力作用,微粒能落到下极板的正中央.已知微粒质量m =4×10-5 kg 、电荷量q =+1×10-8 C ,g =10 m/s 2则下列说法正确的是( )A .微粒的入射速度v 0=10 m/sB .电容器上板接电源正极时微粒有可能从平行板电容器的右边射出电场C .电源电压为180 V 时,微粒可能从平行板电容器的右边射出电场D .电源电压为100 V 时,微粒可能从平行板电容器的右边射出电场 三、非选择题9.在示波管中,电子通过电子枪加速,进入偏转电场,然后射到荧光屏上,如图11所示,设电子的质量为m (不考虑所受重力),电荷量为e ,从静止开始,经过加速电场加速,加速电场电压为U 1,然后进入偏转电场,偏转电场中两板之间的距离为d ,板长为L ,偏转电压为U 2,求电子射到荧光屏上的动能为多大?10.如图12所示,光滑水平轨道与半径为R 的光滑竖直半圆轨道在B 点平滑连接,在过圆心O 的水平界面MN 的下方分布有水平向右的匀强电场.现有一质量为m 、电荷量为+q 的小球从水平轨道上A 点由静止释放,小球运动到C 点离开圆轨道后,经界面MN 上的P 点进入电场(P 点恰好在A 点的正上方,如图所示,小球可视为质点,小球运动到C 点之前电荷量保持不变,经过C 点后电荷量立即变为零).已知A 、B 间距离为2R ,重力加速度为g ,在上述运动过程中,求: (1)电场强度E 的大小; (2)小球在圆轨道上运动时的最大速率;(3)小球对圆轨道的最大压力的大小.。
13.7 电势差与电场强度的关系一、教学目标1.定性掌握电势差与场强的关系。
2.定量掌握匀强场中电势差与场强的关系。
二、教学重点、难点1.场强方向——电势降低最快的方向。
2.U=E·d——d为沿场强方向两点所在等势面间距离。
三、教学方法:讲授法四、教具:投影仪、幻灯片五、教学过程:(一)引入新课场强是跟电场对电荷的作用力相联系的,电势差是跟电场力移动电荷做功相联系的。
那么场强与电势差有什么关系呢?我们以匀强场为例来研究。
(二)进行新课前面讲过,沿着电场线方向,也就是沿着场强的方向,电势越来越低,从图中可以看出沿AB、AD、AC方向,电势都在降低,但沿AB方向距离最短,即降低得最快,而AB方向即为场强方向,可见场强的方向是指向电势降低最快的方向。
1.场强方向是指向电势降低最快的方向。
我们再来研究场强和电势差的数量关系。
设AB间距离为d,电势差为U1,场强为E。
把正电荷q从A点移到B时,电场力qE所做的功为W=qEd。
利用电势差和功的关系,这个功又可求得为W=qU,比较这两个式子,可得W=qEd=Uq,即U=Ed。
这就是说,在匀强电场中,沿场强方向的两点间的电势差等于场强和这两点间距离的乘积。
如果不是沿场强方向的呢?例如AD两点间电势差仍为U,设AD间距离s,与AB夹角α,将正电荷从A移动到D,受电场力方向水平向右,与位移夹角α,故电场力做功为W=Eqs cosα,s cosα=d,所以W=Eqs cosα=Eqd。
利用电势差和功的关系,W=qU,比较这两个式子可得U=Escosα=Ed。
d为AB两点间距离,也是AB 所在等势面间距离或者可以说是AD 两点间距离s 在场强方向的投影。
2.U=Ed 。
U 为两点间电压,E 为场强,d 为两点间距离在场强方向的投影。
3.由U=Ed ,得E=U/d ,可得场强的另一个单位:V/m 。
1伏/米=1/111 焦库牛米=米库米=1牛/库所以场强的两个单位伏/米,牛/库是相等的。
难点之八 带电粒子在电场中的运动 一、难点突破策略:带电微粒在电场中运动是电场知识和力学知识的结合,分析方法和力学的分析方法是基本相同的:先受力分析,再分析运动过程,选择恰当物理规律解题。
处理问题所需的知识都在电场和力学中学习过了,关键是怎样把学过的知识有机地组织起来,这就需要有较强的分析与综合的能力,为有效突破难点,学习中应重视以下几方面: 1.在分析物体受力时,是否考虑重力要依据具体情况而定。
(1)基本粒子:如电子、质子、α粒子、离子等,除有说明或有明确的暗示以外一般都忽略不计。
(2)带电颗粒:如尘埃、液滴、小球等,除有说明或有明确的暗示以外一般都不能忽略。
“带电粒子”一般是指电子、质子及其某些离子或原子核等微观的带电体,它们的质量都很小,例如:电子的质量仅为0.91×10-30千克、质子的质量也只有1.67×10-27千克。
(有些离子和原子核的质量虽比电子、质子的质量大一些,但从“数量级”上来盾,仍然是很小的。
)如果近似地取g=10米/秒2,则电子所受的重力也仅仅是meg=0.91×10-30×10=0.91×10-29(牛)。
但是电子的电量为q=1.60×10-19库(虽然也很小,但相对而言10-19比10-30就大了10-11倍),如果一个电子处于E=1.0×104牛/库的匀强电场中(此电场的场强并不很大),那这个电子所受的电场力F=qE=1.60×10-19×1.0×104=1.6×10-15(牛),看起来虽然也很小,但是比起前面算出的重力就大多了(从“数量级”比较,电场力比重力大了1014倍),由此可知:电子在不很强的匀强电场中,它所受的电场力也远大于它所受的重力——qE>>meg 。
所以在处理微观带电粒子在匀强电场中运动的问题时,一般都可忽略重力的影响。
但是要特别注意:有时研究的问题不是微观带电粒子,而是宏观带电物体,那就不允许忽略重力影响了。
第10章静电场中的能量1.电势能和电势 (1)2.电势差 (5)3.电势差与电场强度的关系 (11)4.电容器的电容 (14)5.带电粒子在电场中的运动 (21)1.电势能和电势一、静电力做功的特点1.特点:静电力做的功与电荷的起始位置和终止位置有关,与电荷经过的路径无关。
2.在匀强电场中静电力做功:W AB =qE ·L AB cos θ,其中θ为静电力与位移间的夹角。
二、电势能1.概念:电荷在静电场中具有的势能。
用E p 表示。
2.静电力做功与电势能变化的关系静电力做的功等于电势能的减少量,W AB =E p A -E p B 。
⎩⎨⎧ 电场力做正功,电势能减少;电场力做负功,电势能增加。
3.电势能的大小:电荷在某点的电势能,等于静电力把它从该点移到零势能位置时所做的功。
4.零势能点:电场中规定的电势能为零的位置,通常把离场源电荷无限远处或大地处的电势能规定为零。
三、电势1.定义:电荷在电场中某一点的电势能与它的电荷量的比值。
2.定义式:φ=E p q。
3.单位:国际单位制中,电势的单位是伏特,符号是V,1 V =1 J/C 。
4.特点(1)相对性:电场中各点电势的大小,与所选取的零电势的位置有关,一般情况下取离场源电荷无限远或大地为零电势位置。
(2)标矢性:电势是标量,只有大小,没有方向,但有正负。
5.与电场线关系:沿电场线方向电势逐渐降低。
考点1:静电力做功和电势能的变化1.电场力做功正、负的判定(1)若电场力是恒力,当电场力方向与电荷位移方向夹角为锐角时,电场力做正功;夹角为钝角时,电场力做负功;夹角为直角时,电场力不做功。
(2)根据电场力和瞬时速度方向的夹角判断。
此法常用于判断曲线运动中变化电场力的做功情况。
夹角是锐角时,电场力做正功;夹角是钝角时,电场力做负功;电场力和瞬时速度方向垂直时,电场力不做功。
(3)若物体只受电场力作用,可根据动能的变化情况判断。
根据动能定理,若物体的动能增加,则电场力做正功;若物体的动能减少,则电场力做负功。
电场知识点汇编1.电场:存在于电荷(带电体)周围的一种特殊的物质。
电场是客观存在的。
只要有电荷存在,电荷周围就存在电场。
2.电场的基本性质:对放入其中的电荷有力的作用。
3.两种电荷:自然界中只存在两种电荷,一种是正电荷,一种是负电荷。
比如用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒就带正电,丝绸带负电;用毛皮摩擦橡胶棒,橡胶棒带负电,毛皮带正电。
4.电荷的作用特点:电荷间存在着相互作用的引力或斥力。
同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。
电荷间相互作用是通过电场发生的。
5.电荷量:电荷的多少叫电荷量,简称电量。
单位库仑,符号C6.元电荷:元电荷e=1.6×10-19C ,所有带电体的电荷量都等于e的整数倍。
元电荷不是电子也不是质子,而是最小的电荷量,电子和质子带最小的电荷量,即所带电量e =1.6×10-19 C ;7.点电荷:点电荷是一种理想化的模型.如果带电体本身的线度比相互作用的带电体之间的距离小得多,以致带电体的体积和形状对相互作用力的影响可以忽略不计时,这种带电体就可以看成点电荷,点电荷要求“线度远小于研究范围的空间尺度”,但点电荷自身不一定很小,所带电荷量也不一定很少,对其带电荷量无限制。
8.场源电荷:产生(激发出)电场的电荷。
9.检验电荷:又叫试探电荷,可以衡量电场中某点场强的强弱。
电场中某点的电场强度是一个预先确定的量,人们为了知道、测量这个值,在此处放入一个检验电荷q,看它受到的电场力等于多少,由此可以得也这个值qFE,因此q仅仅起到一个“测量工具”的作用,“测量工具”不能决定被测量值的大小。
试探电荷要求放入电场后对原来的电场不产生影响,且要求在其占据的空间内场强“相同”,故其应为带电量“足够小”的点电荷.10.电荷守恒定律:电荷既不能创造,也不能消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总量不变。
这叫做电荷守恒定律。
11.三种起电方式:使物体带电的过程叫做起电。
QED真空电场的研究 QED真空电场的研究 摘 要 本文主要介绍了电磁场真空态的能量和卡西米尔效应。量子场理论中认为量子电磁场的真空态存在着零点振动和零点能,量子电磁场存在“真空涨落”。由于真空能量本身不可观测,但它的变化却可以观测。卡西米尔效应是关于电磁场真空态能量的可观测效应。其作为一种QED真空效应,本文将主要研究在两理想导体板间的卡西米尔效应及其相关的影响因素。卡西米尔效应的特别之处是,在真空中两个中性导体板间会产生吸引作用。QED真空效应是一个多学科交叉的、充满挑战和活力的前沿研究领域,在纳米技术和微电子机械领域都有着重要的应用。
关键词:零点能;真空涨落;卡西米尔效应 QED真空电场的研究 QED VACUUM ELECTEIC FIELD OF RESEARCH ABSTRACT This paper mainly introduces the electromagnetic vacuum energy and Casimir effect. Quantum field theory believes that it exist zero point vibrations and zero point energy. Also vacuum electromagnetic fields have vacuum fluctuation. The vacuum energy itself can not be observed, but its changes can be observed. Casimir effect is an observable effect on electromagnetic field vacuum state energy. Because it is one of QED vacuum effect, this paper will mainly studies Casimir effect between two ideal conducting plates, as well as other related factors. Particular, this effect between two ideal conducting plates will lead to attractive force in vacuum. QED vacuum effect is an interdisciplinary, full of challenge and vigor of the frontier research field, which have important application in nanotechnology and MEMS technology domain.
Key words: zero point energy; vacuum fluctuation; Casimir effect QED真空电场的研究 目 录 1前言--------------------------------------------------------------------------------------------------------1 2电磁场的真空态及能量--------------------------------------------------------------------------------2 3卡西米尔效应--------------------------------------------------------------------------------------------6 3.1平行导体板间卡西米尔力的计算-------------------------------------------------------------- 6 3.2其它边界的几何形状的卡西米尔效应-------------------------------------------------------- 9 3.3温度的校正----------------------------------------------------------------------------------------10 3.4范德瓦斯力与卡西米尔力的关系-------------------------------------------------------------10 3.5 实验的测量---------------------------------------------------------------------------------------11 3.6应用-------------------------------------------------------------------------------------------------12 4在ELI中的QED效应---------------------------------------------------------------------------------14 5结论------------------------------------------------------------------------------------------------------16 参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------17 致谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------18 QED真空电场的研究
第 1 页 共 18 页 1 前 言
量子电动力学是量子场论发展中历史最长和最成熟的分支,简写为QED。它主要研究电磁场与带电粒子相互作用的基本过程。它研究电磁相互作用的量子性质(即光子的发射和吸收)、带电粒子(例如正负电子)的产生和湮没以及带电粒子之间的散射、带电粒子与光子之间的散射等。从应用范围的广泛、基本假设的简单明确、与实验符合程度的高度精确等方面看,在现代物理学中是很突出的。 卡西米尔效应本质上就是一种QED真空效应。真空中两个中性导体板之间的神秘吸引力最初是由荷兰的卡西米尔(H. B. G. Casimir)于1948年提出的,这个效应不能在经典物理的范畴内得到解释。这是一个纯粹的量子效应,涉及到围绕在导电体表面的电磁场所具有的零点振动。这些涨落在导电体表面上产生辐射压,并且在两表面之间的辐射压要比其它地方的要小,从而导致两表面之间产生吸引力。它在物理学的各个分支,特别是在纳米技术中和在微电子机械系统中有着重要应用。卡西米尔效应是一个多学科交叉的、充满挑战和活力的前沿研究领域。 本文将在量子场论的基础上,进一步研究卡西米尔效应。主要是计算在两个理想导体板间的卡西米尔力,并考虑其他影响卡西米尔效应的因素及其目前主要的应用。 QED真空电场的研究
第 2 页 共 18 页 2电磁场的真空态及能量 在量子理论中,电磁场中有个重要的性质,即电磁场的真空态具有无穷大能量。在一般情况下,这个无穷大能量无法直接观测,但在某些特殊情况下它能表现出可观测的效应。 一方面,由普兰克对黑体腔内电磁场的处理以及其他许多关于电磁场分析的例子可以知道,电磁场可以看作是一系列具有各种频率的简谐振动的集合。电磁场局域形状不同会导致这些振动模的频率分布不同。一般情况,这些振动模的数目无穷多,也即电磁场(即便是局域的电磁场)自由度为无穷多。另一方面,从量子力学的观点来看,腔内电磁场便是一系列具有各种频率的量子谐振子的集合,这个集合便是量子电磁场。具有
各种频率ω和量子数n的量子态也就是量子电磁场在该频率下的各种激发态,而便是相应的场量子。这个量子电磁场的基态,也即没有任何场量子的态(其实是构成场的全体量子谐振子的基态的直积),称之为量子电磁场的真空态,这便是从量子逻辑观点所理解的经典物理学的真空。这个真空态显然不是一无所有的“虚无”,它只是指明不
存在各种场量子而已。就像是一段紧绷未经激励的琴弦,在其上虽无任何振动模存在,但并非是一无所有的“虚无”,它只是一个物理系统的最低能量状态。 量子理论认为,真空中蕴藏着巨大的能量,它在绝对零度条件下仍然存在,称之为真空零点能。零点能的设想来自量子力学的海森堡测不准原理,该原理指出:不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此,当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。狄拉克从量子场论对真空态进行了生动的描述,把真空比喻为起伏不定的能量之海。 由于量子谐振子的基态存在零点振动和相应的零点能,
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因此量子电磁场的真空态也存在着零点振动和零点能。量子电磁场所有模的这种零点振 QED真空电场的研究 第 3 页 共 18 页 动称为量子电磁场的“真空涨落”。 或者认为就算是在真空中,仍然有无穷多个光子,只是这些光子我们看不见而已,这个就叫做真空涨落。虽然涨落的平均值为零,但均方值并不为零。于是,经典电动力学中的真空,按量子论的观点来看,其实是有能量的,它便是所有量子谐振子零点能之和,量子电磁场真空态能量。 当推导量子电磁场真空态能量的公式时,我们要考虑辐射场的情况,首先需要将电磁场分解为傅立叶分量。在这一过程中需要使用库仑规范和矢量势描述,(如果不使用库仑规范则计算非常复杂,需要处理由于电磁波横场特性带来的大量复杂性),于是
*,,(,)(,)ikrikrkkAufktefkte (2-1)
这里的,ku是光的极化矢量,对于任何一个传播方向k,有两个u。运用波动方程得出自由场是
''220fkcf 于是必然有 0()exp()ftfit 代入(2-1)可得, *,,exp()exp()ikrikrkkAufitefite
所以, BA =*,,itikritikrkkikfefee