高二物理人教版選修3-1課件 第1章靜電場 第2節(jié)《庫侖定律》

歡迎進(jìn)入物理課堂 第二節(jié)庫侖定律 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 明確點電荷是個理想模型 知道帶電體簡化為點電荷的條件 感悟理想模型 2 理解庫侖定律的內(nèi)容及公式 知道庫侖定律的適用條件 3 運(yùn)用庫侖定律并結(jié)合力學(xué)規(guī)律求解有關(guān)問題 4 通過靜電力與萬有引力的對比 體會自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性 重點難點 庫侖定律的內(nèi)容及公式的理解和靈活應(yīng)用 易錯問題 庫侖定律僅適用于真空中兩個點電荷間靜電力的計算 對于不能看作點電荷的帶電體 不能直接應(yīng)用庫侖定律計算靜電力 一 演示實驗探究實驗表明 電荷之間的作用力隨的增大而增大 隨的增大而減小 說明 該實驗采用了控制變量法探究力與電量 距離之間的關(guān)系 電荷量 距離 二 庫侖定律1 真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與它們電荷量的成正比 與它們的距離的成反比 作用力的方向在它們的上 2 電荷之間的相互作用力叫做靜電力或 乘積 二次方 連線 庫侖力 3 當(dāng)帶電體間的距離比它們自身的大小大的多 以至于帶電體的 及對它們之間相互作用力的影響可以忽略時 這樣的帶電體就可以看作帶電的點 叫做 類似于力學(xué)中的 也是一種理想化的物理模型 形狀 大小 電荷分布狀況 點電荷 質(zhì)點 三 庫侖的實驗1 庫侖扭秤實驗是通過懸絲扭轉(zhuǎn)的比較靜電力F大小的 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜電力F與距離r的成反比 2 庫侖在實驗中為研究F與q的關(guān)系 采用的是兩個的金屬帶電小球互相接觸后 它們的電量的方法來改變電量的 實驗發(fā)現(xiàn)F與q1和q2的成正比 角度 二次方 均分 相同 乘積 3 庫侖定律的公式 式中k叫做 數(shù)值是k 庫侖定律的公式和萬有引力公式相似 但庫侖力比萬有引力要強(qiáng)的多 靜電力常量 9 0 109 N m2 C2 一 對點電荷概念的理解1 點電荷是只有電荷量 沒有大小 形狀的理想化模型 類似于力學(xué)中的質(zhì)點 實際中并不存在 2 當(dāng)帶電體之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身的大小時 帶電體的形狀 大小及電荷分布情況對相互作用力的影響可以忽略不計 就可以把這個帶電體看作一個帶電的幾何點 即看成點電荷 相當(dāng)于力學(xué)中的質(zhì)點 舉例說明 1 均勻帶電球體 半徑為R 若電荷分布不變 研究r R的任何點的電場分布時 帶電體可看成點電荷 與電荷量集中在球心的點等效 若電荷分布是可改變的 在附近放另一個電荷時 其表面電荷量的分布發(fā)生改變 就不能看作點電荷 若研究的位置離得很遠(yuǎn) r R 就可以把球看作點電荷 2 對于板狀帶電體或桿狀帶電體 在研究它和位于附近的其他帶電體間的相互作用時 均不能看作點電荷 只有當(dāng)研究的位置到帶電體的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶電體的線度時 才能當(dāng)作點電荷處理 不能將點電荷和元電荷相混淆 二 庫侖定律的正確理解和應(yīng)用1 庫侖定律只適用于計算真空中兩個點電荷間的相互作用力 空氣中兩點電荷間的相互作用力也可以近似用庫侖定律計算 1 有人根據(jù)F 推出當(dāng)r 0時 F 從數(shù)學(xué)角度分析似乎正確 但從物理意義上分析 這種看法是錯誤的 因為當(dāng)r 0時 兩帶電體已不能看作點電荷 庫侖定律及其公式也就不再適用 不能成立了 2 兩個導(dǎo)體球 球心之間的距離為r 由于電荷間力的作用 電荷在導(dǎo)體球上的分布如圖1 2 1所示 兩球帶同種電荷時F 圖1 2 1 2 應(yīng)用庫侖定律公式計算庫侖力時不必將表示電荷性質(zhì)的正 負(fù)號代入公式中 只將其電荷量的絕對值代入公式中算出力的大小 力的方向根據(jù)同種電荷相互排斥 異種電荷相互吸引的原則另行判斷 3 各物理量要統(tǒng)一用國際單位 只有采用國際單位時 k的值才是9 0 109N m2 C2 4 庫侖力具有力的一切性質(zhì) 可以與其他力合成 分解 可以與其他力平衡 可以產(chǎn)生加速度 遵從牛頓第三定律 兩點電荷間的庫侖力是一對相互作用力 大小相等 方向相反 三 庫侖定律與萬有引力定律的比較 通過對比我們發(fā)現(xiàn) 大自然盡管是多種多樣的 但也有規(guī)律可循 具有統(tǒng)一的一面 規(guī)律的表達(dá)那么簡捷 揭示了自然界中深奧的道理 這就是自然界的和諧之美 簡約之美 如圖1 2 2所示 兩個半徑均為r的金屬球放在絕緣支架上 兩球面最近距離為r 帶等量異種電荷 電荷量為Q 兩球之間的靜電力符合下列選項中的 圖1 2 2 例1 思路點撥 思考兩個帶電球能否簡化成點電荷 不能簡化成點電荷就不符合庫侖定律的適用條件 答案 B 題后反思 帶電體能否簡化為點電荷 是庫侖定律應(yīng)用中的關(guān)鍵點 定律的另一個條件是 真空 中 一般沒有特殊說明的情況下 都可按真空來處理 1 例1中如果兩球帶等量同種電荷 兩球間靜電力符合下列選項中的哪一個 答案 C 2010年西安八校4月高三模擬考試 一半徑為R的絕緣球殼上均勻地帶有電荷量為 Q的電荷 另一電荷量為 q的點電荷放在球心O上 由于對稱性 點電荷所受的力為零 現(xiàn)在球殼上挖去半徑為r r R 的一個小圓孔 則此時置于球心的點電荷所受力的大小為 已知靜電力常量為k 方向 例2 解析 由于球殼上均勻帶電 原來每條直徑兩端相等的一小塊圓面上的電荷對球心 q的力互相平衡 現(xiàn)在球殼上A處挖去半徑為r的小圓孔后 其他直徑兩端電荷對球心 q的力仍互相平衡 剩下的就是與A相對的B處 半徑也等于r的一小塊圓面上電荷對它的力F 如圖1 2 3所示 圖1 2 3 答案 由球心指向小孔中心 思維總結(jié) 該例題中兩處合理的近似 1 挖去小圓孔后 認(rèn)為不改變電荷在球殼上的分布 2 把B處圓面上的電荷看成點電荷 2 有三個完全相同的金屬小球A B C A帶電荷量 6Q B帶電荷量 3Q C球不帶電 今將A B兩球固定起來且距離遠(yuǎn)大于小球半徑 然后讓C經(jīng)很多次反復(fù)與A B接觸 最后移去C球 求A B間的相互作用力變?yōu)樵瓉淼亩嗌?如圖1 2 4所示 在一條直線上有兩個相距0 4m的點電荷A B A帶電荷量 Q B帶電荷量 9Q 現(xiàn)引入第三個點電荷C 恰好使三個點電荷都處于平衡狀態(tài) 問 C應(yīng)帶什么性質(zhì)的電 應(yīng)放于何處 所帶電荷量為多少 圖1 2 4 例3 思路點撥 根據(jù)點電荷間相互作用規(guī)律知能使引入的第三個點電荷平衡的可能位置應(yīng)在A B連線的延長線上 且在A的左側(cè) 然后列式計算 解析 根據(jù)題意 三個點電荷中每個點電荷都在庫侖力的作用下處于平衡狀態(tài) 由此可知 三個點電荷應(yīng)位于同一條直線上 且C應(yīng)帶負(fù)電放在A的左邊 如圖1 2 5所示 圖1 2 5 答案 帶負(fù)電放在AB延長線上A點的左側(cè)0 2m處 思維總結(jié) 1 處理此類題的基本思路是對三個電荷中的任意兩個列受力平衡方程 2 使同一直線上三個電荷平衡放置的規(guī)律可總結(jié)如下 三電荷在同一直線上 兩同夾一異 兩大夾一小 3 2010年天津模擬 如圖1 2 6所示 三個點電荷q1 q2 q3固定在一直線上 q2與q3的距離為q1與q2距離的2倍 每個電荷所受靜電力的合力均為零 由此可以判定 三個電荷的電荷量之比q1 q2 q3為 A 9 4 36B 9 4 36C 3 2 6D 3 2 6 圖1 2 6 解析 選A 每個電荷都受到另外兩個電荷對它的靜電力的作用 其合力為零 這兩個力必須滿足的條件為 大小相等 方向相反 由分析可知 三者電性不可能相同 只能是如圖所示兩種情況 考慮q2的平衡 由r12 r23 1 2據(jù)庫侖定律得q3 4q1 考慮q1的平衡 由r12 r13 1 3同理得 q1 q2 q3 1 4 9 4 36考慮電性后應(yīng)為 9 4 36或9 4 36 只有A正確 如圖1 2 7所示 帶電小球A和B放在光滑絕緣水平面上 質(zhì)量分別為m1 2g m2 1g 所帶電荷量值q1 q2 10 7C A帶正電 B帶負(fù)電 現(xiàn)有水平向右的恒力F作用于A球 可使A B一起向右運(yùn)動 且保持間距d 0 1m不變 試問F多大 圖1 2 7 例4 答案 2 7 10 2N 思維總結(jié) 用牛頓第二定律處理帶電體的運(yùn)動時 采用的方法與以前相同 只是在受力分析時多了一個庫侖力 4 一根置于水平面上的光滑玻璃管 絕緣體 內(nèi)部有兩個完全一樣的彈性金屬球A B 帶電荷量分別為9Q和 Q 從圖1 2 8所示的位置由靜止開始釋放 問兩球再經(jīng)過圖中位置時 兩球的加速度是釋放時的 倍 圖1 2 8 1 2010年南安一中高二檢測 關(guān)于點電荷 下列說法中正確的是 A 體積小的帶電體B 球形帶電體C 帶電少的帶電體D 大小和形狀對作用力影響可忽略的帶電體 解析 選D 點電荷不能理解為體積很小的電荷 也不能理解為電荷量很少的電荷 同一帶電體 有時可以作為點電荷 有時則不能 如要研究它與離它較近的電荷間的作用力時 就不能看成點電荷 而研究它與離它很遠(yuǎn)的電荷間的作用力時 就可以看成點電荷 因此 一個帶電體能否看成點電荷 要視具體情況而定 2 2010年廣東實驗中學(xué)模擬 如圖1 2 9所示 兩個帶電球 大球的電荷量大于小球的電荷量 可以肯定 圖1 2 9 A 兩球都帶正電B 兩球都帶負(fù)電C 大球受到的靜電力大于小球受到的靜電力D 兩球受到的靜電力大小相等解析 選D 由題圖可知 兩帶電球相互排斥 則說明兩球一定帶有同種電荷 但不能確定是正電荷 還是負(fù)電荷 故A B錯 兩帶電球間的靜電力具有一般力的共性 符合牛頓第三定律 故選項C錯 D對 3 對庫侖定律 下面的說法正確的是 A 凡計算真空中兩個點電荷間的相互作用力 就可以使用公式F B 兩個帶電小球即使相距非常近 也能用庫侖定律計算庫侖力C 相互作用的兩個點電荷 不論它們的電荷量是否相同 它們之間的庫侖力大小一定相等D 庫侖定律中的靜電力常量k只是一個比例常數(shù) 只有數(shù)值 沒有單位 解析 選AC 庫侖定律只適用于真空中兩個點電荷間相互作用力的計算 故選項A正確 點電荷只是個相對的概念 只有當(dāng)帶電體的線度遠(yuǎn)比兩電荷間的距離小時 才能看作點電荷 即兩個帶電小球相距很遠(yuǎn)時能夠看作點電荷 而相距很近時就不能看作點電荷 因而庫侖定律也不再適用 選項B錯誤 庫侖力是兩個點電荷間的相互作用力 是作用力與反作用力的關(guān)系 故選項C正確 靜電力常量k是一個比例系數(shù) 但是既有數(shù)值 又有單位 其單位由決定 即N m2 C2 故選項D錯誤 4 2009年高考江蘇卷 兩個分別帶有電荷量 Q和 3Q的相同金屬小球 均可視為點電荷 固定在相距為r的兩處 它們間庫侖力的大小為F 兩小球相互接觸后將其固定距離變?yōu)?則兩球間庫侖力的大小為 5 如圖1 2 10所示 一條長為3L的絕緣絲線穿過兩個質(zhì)量都是m的小金屬環(huán)A和B 將絲線的兩端共同系于天花板上的O點 使金屬環(huán)帶電后 便因排斥而使絲線構(gòu)成一個等邊三角形 此時兩環(huán)恰處于同一水平線上 若不計環(huán)與線間的摩擦 求金屬環(huán)所帶電量是多少 圖1 2 10 解析 小球A受力如圖 受四個力 重力mg 庫侖力F 絲線兩個拉力FT相等 則FTsin60 mgFTcos60 FT 解得q 答案 均為 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全