電荷的多少叫電荷量,那為什麼還有正負?
比如一個質子和一個電子的總電荷為0嗎?最近陷入了物理定義的思維困境里了,希望你們可以幫我解答一下,書上並沒有這個解釋。
這個問題還是有意義的。。。
確實有人懷疑質子和電子的絕對電荷是否完全相等,並且做了實驗來驗證,見鏈接:Phys. Rev. 129, 2566 (1963)。結論是幾種中性原子或分子的帶電量至少在元電荷的以下。換一種思維方式,兩個中性氫原子之間的引力是。如果質子和電子的電荷不完全相同,它倆會帶有微量的同號電荷,庫侖斥力是。
可得當也就是,或者元電荷的約時,它倆之間的庫侖斥力會大於引力。
這樣一來原始的星雲就沒法靠引力收縮成恆星了,整個宇宙中連星系也沒法形成,我們自然也就都不存在了。我覺得其他人好像沒理解你的意思,我覺得你是對「物體帶有電荷的多少叫電荷量」這個定義有所懷疑,我覺得你的懷疑是對的,這個定義很成問題。但是這裡有個問題,定義一個物理概念是需要配合學習者的知識水平的。我舉一下質量的定義,中學物理裡面的定義是「物體所含有物質的多少」,這個概念其實很成問題,為什麼μ子就比電子質量大啊,它們都含有相同的物質,1個。請原諒我不能用質子舉例,因為質子確實含有比電子更多的物質,它是由夸克和膠子組成的。你可以這麼理解μ子,它和電子的其他性質都一樣,只有一點不同它的質量比電子大。所以經典物理中質量的正確定義應當是,衡量物體慣性大小的量叫做質量。然而這個定義到了相對論中又不對了,愛因斯坦發現隨著物體的動能增大它的慣性也在增大,所以用恆力推物體,它會做減加速運動,速度無法超過光速。所以衡量物體慣性大小的量在相對論中變成了能量,質量定義為物體靜止時具有的能量,能量等於質量加動能。觀測微觀物質我們發現,原來不光是動能,居然勢能也有慣性效益,比如質子的質量大部分都來自於構成它的夸克和膠子的相互作用勢能。所以核反應的質量虧損實際上是核力的勢能轉化為了α粒子、電子、光子的能量。所以追根到底,我們給出的質量的定義是:「物質場與Higgs場的耦合項中,與Higgs自發對稱破缺帶出的真空期望值的那一部分相互作用」,也就是說就是Higgs相互作用的0階項。請問這個定義能給中學生講嘛?現在我也可以給你電荷的定義「物質場由於全局U(1)規範對稱性帶來的諾瑟爾守恆流的第0分量的空間積分」,你看得懂嗎?
不裝逼了,我個人認為這個定義說得不夠嚴謹,一個物體的電荷量應當定義為「它所含有的全體微觀粒子的電荷量的代數和」,於是微觀粒子的電荷量又是什麼,好根據實驗所測規定「電子的電荷為-1e,上夸克的電荷為2/3e,下夸克的電荷量為-1/3e,反粒子與對應粒子電荷量相反「。
好質子由兩個上夸克,一個下夸克為價夸克,電荷的代數和為2/3e+2/3e-1/3e=1e,海夸克電荷量相互抵消,加上電子1e-1e=0,於是氫原子的電荷量為0,完美。但感覺有點羅嗦,不是么。我覺得上面那位雖然說到點上了,但注重於撞壁(霧)沒有把它凸顯出來……
為了突出重點,我直接扯出話題的元問題:
我們為什麼要去定義一個物理量?以及我們如何去定義一個物理量?這是兩個大坑,別指望我說得多全面。物理作為一門自然科學,不僅需要歸納客觀事實,更需要組成一個嚴謹的系統。
比如說「質量」的例子。在沒有這個定義的時候,我們也知道物體都有「輕重」這樣的概念。同一個蘋果,給虎背熊腰的糙漢子拿著,或者給你托手上,或者砸在某人頭上,你們感覺到的「輕重」都是不一樣的。但是這是同一個蘋果,我們直覺上會知道,應當有個比「輕重」更精確的概念,對於這個新概念,同一個蘋果的衡量都是一樣的。根據這個直覺,「重量」這個概念就誕生了,同時還附贈一套測量方法。換句話說,為了更合理地描述,我們會創造新概念,也就是定義新的量。
但是「重量」似乎也不太好用。貨物漂洋過海之後,「重量」總是會增加或者減少,變化量肉眼可見。而且物體處於失重超重狀態時,「重量」就完全沒有用了。於是人們認識到,應該還有某個更本質的概念,它深藏於物質屬性中,而且直接能讓我們馱不動重物卻能玩弄小件。有人提出了「物質的量」來描述物質的多少。這很符合直覺,東西越多就越重越少就越輕。但事實上這個概念跟我們所說的「重量」沒一個固定關係,不是我們想要的量。直到牛頓以「力」為橋樑,解釋了「重量」的來源,同時將其與「加速度」「引力」這種不隨時空變化而波動的概念綁定在一起,人們終於理解了,一直尋找的概念就是「質量」。在這裡,我們是為了更精確地描述而定義新的量。然後愛因斯坦出來了,一切重回黑暗(劃掉)。他默默地算了幾張草稿紙,發現「質量」跟「能量」兩個概念有直接聯繫,即使沒有去改變物質,物體的動能也會改變之前定義的「質量」。於是為了整個理論的嚴格,給「質量」這個概念加上了限制條件。以及再到後面,人們發現物質間的相互作用勢居然參與了「質量」的測量,於是這個概念又得到進一步修正,以保證理論的簡潔與通用。後面還有許許多多的修正,我就不說了……所以總結起來就是這樣的:因為現在的概念不好用,所以我們需要定義新的物理量;而這概念怎麼好用,我們就怎麼定義。
實際的使用情況是,理論上對這些概念一修再修,而不管怎麼修,它們最終都可以由一些恆定的觀測量與人為規定的常量導出。回到電荷量的問題。
本來「電荷量」就是用來描述電荷數量的,然而人們發現電荷有兩種,分開描述好麻煩。人們又發現這兩種電荷摻一起的話,它們引起的效果會抵消,而且完全抵消的效果跟沒有電荷時的效果一毛一樣,剛好跟數學加減法對上。於是乾脆就給「電荷量」帶個符號,規定一種電荷帶正號,另一種就帶負號,用起來方便。反正後來也沒發現有什麼問題。當然這樣做的話,「電荷量」描述的就是「引起電磁效應的電荷數量與種類」了,並不是說那裡就有多少電子多少質子。如果你要進一步問「電荷」是個什麼概念,那我只好說,由直覺可得,就是那麼一種東西,一種可以引起各種電磁現象的東西。另外一個質子的電荷量大小剛好等於一個電子的電荷量大小,這是實驗測量結果。其實沒什麼好糾結的,所有定義都是精確而獨立的,除非你在對應物理實體的時候出了歧義。首先
所以給你個適合你的答案吧
可以看出題主還是很善於思考的,但是又局限了,出現這樣的困惑的原因不是題主的問題,題主放心吧,你的智商妥妥的好著呢。好了不廢話了,開始真正回答問題吧。題主出現這樣的困惑是源於現行教材對電荷一詞的濫用和亂用,在人教版高中物理選修3-1「電荷及其守恆定律」一節中,出現大量「電荷」一詞。然而,在同一節內容中,電荷一詞卻有三種不同的含義:有時表示電性,有時表示電荷量(物理量),有時表示帶電體。注意,重點在這裡,記住上文提到的三個東西,1.電性2.電荷量3.帶電體現在我們可以再一次真正解答題主的困惑了,問題的關鍵在於,題主將上述1.2含義搞混了。知道了這個原因,那麼我們可以對題主的問題進行這樣的闡述而不引發不必要的困擾了。比如一個質子和一個電子的總電荷為0嗎?一個質子顯正電性,帶一個單位電荷量。一個電子顯負電性,帶一個單位電荷量。他們在一起比如氫原子(不考慮同位素),顯電中性,或者說不顯電性,電荷量為0
為了更好的理解問題,我們再舉幾個例子:● 「摩擦過的琥珀帶有電荷」(電荷一詞表示電性)
● 「同種電荷相斥,異種電荷相吸」(電荷一詞表示帶電體)
● 「自然界的電荷只有兩種」(電荷一詞表示帶電體)
● 「電荷守恆定律」(電荷一詞表示物理量)
● 「電荷的多少叫電荷量」(電荷一詞表示電性)
顯然,同一節內容的一個詞含有三種不同的意思,這會導致理解上的困難,甚至產生概念上的混淆。出現這種錯誤表述是有歷史原因的。一個質子和一個電子的總電荷為0的意思是說,他倆電荷的對外效果相互抵消,從而展現出總電荷為0的特性你可以回想下合力的概念,一個人向左拉,一個人向右拉,合力不也為0嗎
因為有正電荷和負電荷啊……
電荷量=正電荷量×e+負電荷量×(-e)作為整體考慮的時候,5e-4e,e,204578e-204577e是一樣的……電荷量是系統的屬性,因此討論電荷量時不能脫離系統。電荷可以從一個系統流入到另一個系統,但是總量保持不變,這叫電荷守恆定律。
電荷的單位是庫倫,但是國際單位制中的基本單位里沒有庫倫,只有安培和秒。並不是很懂題主的邏輯,為什麼電荷的多少叫電荷量,電荷就不能分正負了呢?數軸上到原點的距離叫絕對值所以數軸上就不能有正負數了嗎?抑或是,我強行理解一下,題主是不是想問為什麼電荷有數值分正負。電荷有數值是因為人們發現除了三代六味的總計十二個夸克和他們的組合以外,帶電的東西差不多都是電子電量絕對值的整數倍,並且一個原子團或者離子團對外總電量可以用簡單的加減法來計算,所以就簡單給他們分配了數值,至於為什麼是那麼多,那是實驗測出來的。電荷有正負亦是實驗使然。人們只是單純的發現了兩種電性相反的電荷,簡單來說吧,就是兩種電荷放在一起他們對外的效果並不是互相疊加而是互相削減的,至於為什麼是兩種,有沒有可能有第三種,誰也不敢說一定沒有,這東西誰要找到了妥妥的預定一年的諾貝爾獎,事實上叫什麼名字為什麼要分幾種,只是為了標定他的物理性質,比如還有一種charge叫色荷,他可不止兩種,為什麼叫色荷?和顏色有關係嗎,不為什麼,就是為了表明一種物理現象方便,同理電荷分正負也是。
兄弟,我可能是最理解你的困惑的人了,因為我已經在電荷及其相關的一系列概念中兜兜轉轉了好長時間,感謝知乎讓我拼湊出了心目中的滿意解答。
感謝坑爹的中學物理教材,講不清楚電荷到底是什麼也就罷了,還永無止境地濫用電荷一詞,真是堪稱災難的誤導。我想應該是沒有任何一個中學生能夠明確地說出電荷概念的本質。
說歸正題,其實問題的關鍵在於:從嚴格的概念上來說,電荷指的並不是任何一種實體粒子,而是不同粒子的一種共有屬性。屬性是一個抽象概念,不可以談論數量。
不恰當地說,你可以把電荷理解為一個形容詞,雖然從語文的角度來看確實很是彆扭,但也沒有辦法,這是歷史問題所導致的。然後,我想用糖來類比實體粒子,用甜來類比電荷。甜是糖的一種屬性,同理電荷是粒子的一種屬性。我們要想形容甜的程度,需要的是一個物理量來衡量甜這種屬性,比如純度或者濃度,而不可能說是直接用數量來衡量,一個甜兩個甜三個甜,這是瘋了的說法。同理如果我們要想衡量電荷這種屬性,也就需要一個物理量,這個物理量呢就是電荷量,簡稱為電量。再次強調,電荷是一種屬性而非一種實體粒子,我們平時常說一個電荷兩個電荷三個電荷感覺順理成章,其實嚴格來說都是跟瘋了一樣。反著來說,假設電荷真的是一種實體粒子,那麼人們憑什麼不直接用七大基本物理單位之一的物質的量的單位摩爾來衡量電荷的數目,而是要費勁巴力地用電流的單位安培來定義出庫倫這樣一個單位再來衡量電荷?根本原因就是因為電荷根本沒法數,它就不是個能數的具體東西,我們平時說多少庫倫的電荷,其實就是在說一顆糖到底有多甜,這跟數量半毛錢關係都沒有 。所以,說白了,電量描述的是電荷的「程度」,而不是電荷的多少,電量就是專門用以度量電荷這一屬性的物理量。
如果贊同我的這種見解,那麼電性的問題迎刃而解。你把上一段的電荷,全用正電荷或者負電荷來替換即可。正電荷和負電荷,其實是不同粒子的兩種屬性,只不過這兩種屬性有所關聯——在同等的程度上(用以衡量兩種屬性的物理量——電量相同時),這兩種屬性宏觀上表現出來的效應或者現象是相互抵消的,這是自然界的一種對稱。你可以把正電荷和負電荷看成是電荷這一大屬性的兩個分支屬性,也可以乾脆把他們就看出是兩種效應相反的屬性。反正,具有這種或這兩種屬性的粒子就被我們稱為帶電粒子,顧名思義,就是具有電(荷)屬性的粒子,帶就是具有的意思,電則是指電荷這種粒子具有的屬性。
所以,大多數人包括曾經的我之所以會將電荷理所當然地理解為是一種實體粒子,中學教材乃至中學物理教育體系差不多算得上罪魁禍首。
以上是從嚴格的概念上來討論電荷的概念,接下來我想從日常應用的角度來討論電荷的相關語境問題。電荷作為一種概念,顯然是不可能脫離於粒子而單獨存在的,如果我們談到了電荷,必然要默認那裡就有一個實體粒子。在我們討論電學問題尤其是受力問題時,有一個默認的條件是忽略掉萬有引力,因為電力的數量級遠遠大於萬有引力,而在我看來這種忽略,忽略的是什麼,其實忽略的是是實體粒子的物質性,也就是說只要我們剝離了質量引起的萬有引力,那麼剩餘下來的一系列效應與現象,就是百分百地由電荷這種屬性所引起的了。在這種條件下,使用電荷來借代整個的帶電粒子是可以理解甚至是十分合適的,因為這會使得表述起來十分方便。
可以看到,中學物理教材乃至整個科學界基本就是這麼乾的,問題是教材作為基礎教育資料它不給出解釋,完了也不說明電荷的全稱應當是帶電粒子,這就具有了災難級別的誤導效果。
這就是我的個人理解,也是在很多知乎網友那裡汲取到了很有啟發的觀點,我相當於做了一個精鍊總結吧。
不太理解題主額意思。正負不代表多少啊,只代表物質的一種性質。比如速度。你能說-2米每秒能比2米每秒慢嗎。
自然界中存在兩種電荷,你叫他們正負也好,ab也好,陰陽黑白都好,就是個名稱而已。如果你喜歡,可以叫他們愛新覺羅電荷和葉赫那拉電荷。發現靜電現象是很久很久以前的事了,當時就發現他們的性質了,也就是同種電荷互相吸引,異種電荷互相排斥。再後來人們逐漸對力和做功也有了了解。那麼互相吸引就是力的方向有不同,或者說剛好相反。既然力是在同一條直線上,那麼用正負就可以代表方向了,如果我們直接把電荷量的名稱前面直接帶上正負那麼在計算做功的時候,那麼帶著符號進去就可以立即知道正負功了。(物理上的正負不是也常常不表示大小么。)ps 算是強答么,見笑了
這位 @YorkYoung 朋友已經重新解釋了電荷量的定義問題,但是我覺得你還是有疑問的吧,因為到底為什麼電荷量有正負之分呢?
首先,對於標量我們要有這樣的認識,標量還可以繼續分類:算數量和代數量。
其中算數量與問題無關,不談。
代數量是可以有正有負可以為零的量,它的正負是表現性質的。比如:力、加速度、速度之類的正負表示方向,溫度的正負表示與水結冰時的溫度的比較(類似的還有勢能),功的正負表示能力轉化的方向,等等。那麼電荷量的正負表示什麼? 表示電荷屬性咯因為正負電荷能中和呀,那個測電荷量的儀器叫什麼來著,就是會分開的那個,剛學就忘光了?總想搞個大新聞?一個質子和一個電子電荷量和當然為零,要不然怎麼原子不帶電呢
單單從邏輯上來解釋的話,可以這麼說:人們發現了兩種電子,然後發現它們有各種各樣的性質,然後為區分它們,便叫它們正電子,負電子;如果發現的是3種電子,那可能你現在在學的就是A電子,B電子,C電子了。
我有個正電荷我有個負電荷ugh~電中性
總電量和帶電粒子數量是兩回事。這樣看,應該清晰一些
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