高一物理電荷及其守恒定律--庫侖定律

1、高一物理電荷及其守恒定律、庫侖定律【本講教育信息】一.教學內容：電荷及其守恒定律 庫侖定律 知識要點：1 .知道各種起電的方法及實質2 .掌握電荷守恒定律的內容3 .知道點電荷的概念和靜電力常數(shù)4 .知道庫侖定律，理解它的含義及其表達式重點、難點解析一、電荷及其守恒定律1 .物體帶電的實質(1)物質是由原子組成的，而原子又是由原子核和核外電子構成的，電子帶負電，原 子核帶正電。整個原子一般表現(xiàn)為電中性。(2)物體失去電子則帶正電，物體得到電子則帶負電，物體帶電的實質就是電子的得 失。2 .物體帶電的三種方式：即摩擦起電、感應起電和接觸帶電。(1)摩擦起電是由于相互摩擦的物體間的電子的得失而使物

2、體分別帶上等量異種電荷， 玻璃棒與絲綢摩擦時，由于玻璃棒容易失去電子而帶正電，硬橡膠棒與毛皮摩擦時，由于硬橡膠棒容易得到電子而帶負電。(2)感應起電是指利用靜電感應使物體帶電的方式，例：如圖所示，將導體 A、B接 觸后去靠近帶電體 C,由于靜電感應，A、B上的自由電子受到帶電體 C的吸引而聚集到 A 端，使A端帶負電，B端由于失去電子而帶正電。這時先把 A、B分開，然后移去 C,則A 和B兩導體上就分別帶上了等量異種電荷，如圖所示。(3)接觸帶電比較簡單，指一個不帶電的金屬導體跟另一個帶電的金屬導體接觸后分開，而使不帶電的導體帶上電荷的方式。電荷的中和：正負電荷放在一起會相互抵消，等量的異種電

3、荷完全抵消的情況，叫正負電荷的中和。電荷的分配：接觸起電時，兩個物體最終的電荷的分配很復雜，大多靠實驗才能確定，但有一種情況能確定電荷的分配，即兩個完全相同.的導體球相互接觸后的情況。若為帶電導體球和不帶電導體球接觸，則電荷平分若兩個帶電導體球為同種電荷，則總電荷平分若兩個帶電導體球為異種電荷，則先中和再平分從物體帶電的各種方式不難看出，它們都不是創(chuàng)造了電荷， 只是電荷從一個物體轉移到了另一個物體，或者從物體的一部分轉移到了物體的另一部分。3 .電荷守恒定律電荷守恒定律的原始表述為：電荷既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分；在轉移過程中，電荷

4、的總量保持不變。隨著物理學的發(fā)展。 近代物理實驗發(fā)現(xiàn)， 在一定的條件下電荷是可以產生和湮沒的，但產生與湮沒總是成對發(fā)生的，電荷的代數(shù)和仍然不變，故電荷守恒定律的表述經修正后為： 一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和是保持不變的。注意：近代物理實驗所發(fā)現(xiàn)的電荷的產生與湮沒并沒有否定電荷守恒定律，只是對定律 的內容作了修正。例1.如圖所示，有一帶正電的驗電器，當一金屬球A靠近驗電器的小球 B （不接觸） 時，驗電器的金箔張角減小，則A.金屬球可能不帶電C.金屬球可能帶正電解析：驗電器的金箔之所以張開，是因為它們都帶有正電荷，而同種電荷相互排斥，張開角度的大小決定于兩金箔帶電荷的多少，如果A球

5、帶負電，靠近驗電器的 B球時，異種電荷相互吸引，使金箔上的正電荷逐漸“上移”（實質上是金屬導體內的自由電子下移與金箔上的正電荷中和，使金箔帶的正電減小），從而使兩金箔夾角減少，選項 B正確，同時否定選項C,如果A球不帶電，在靠近 B球時，發(fā)生靜電感應現(xiàn)象使 A球發(fā)生極性分布， 靠近B球的端面出現(xiàn)負的感應電荷，而背向B球的端面出現(xiàn)正的感應電荷，A球上的感應電荷與驗電器上的正電荷發(fā)生相互作用，因距離的不同而表現(xiàn)為吸引作用，從而使金箔張角減小，選項 A正確，同時否定選項 D。答案：AB小結：本題主要考查了電荷間的相互作用規(guī)律和靜電感應現(xiàn)象，在解決這類問題時根據(jù)電荷間相互作用規(guī)律和靜電感應現(xiàn)象， 判斷

6、電荷的重新分布情況， 進而判斷驗電器金箔張角 大小等問題。同學們再思考：當某帶電導體靠近不帶電的驗電器的金屬小球時，兩金箔張角將如何變化？例2.將一根用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近一個小通草球時A.如果小球被吸引，小球必帶負電B.如果小球被吸引，小球必帶正電C.如果小球被排斥，小球必帶負電D.如果小球被排斥，小球必帶正電解析：絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，可以吸引帶負電或不帶電的小球，但必定排斥帶 正電的小球。所以應選答案D答案：D小結：本題主要考查以下幾點：（1）絲綢摩擦玻璃棒的帶電情況；（2）帶電體既可吸引異種電荷，也能吸引輕小物體。例3.有兩個完全相同的帶電絕緣金屬小球A、B,分別帶有電荷量 Qa

7、 = 6.4X 10-9C。Qb=一 3.2X10-9C,讓兩絕緣金屬小球接觸，在接觸過程中，電子如何轉移并轉移了多少？解析：當兩小球接觸時，帶電荷量少的負電荷先被中和，剩余的正電荷再重新分配，由于兩小球相同，剩余正電荷必均分，即接觸后兩小球帶電荷量。圓-+ Q/2 - 6-4X132X104> C - 1.6X在接觸過程中，電子由 B球轉移到A球，不僅將自身電荷中和，且繼續(xù)轉移。使 B球 帶Qb，的正電，這樣，共轉移的電子電荷量為9轉移的電子數(shù)n 4.83,0 1010（個）e 1.6 10 19答案：電子由B球轉移到A球，轉移了 3.0 1010電子。小結：本題考查了電荷守恒定律，元

8、電荷概念，涉及正負電荷中和，電荷重新分布, 電子轉移數(shù)量等問題。二、庫侖定律1.庫侖定律：在真空中兩個靜止點電荷間相互作用的靜電力跟它們的電荷量的乘積成正 比，跟它們間的距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫侖力的大?。篎 KQQ2r庫侖力的方向：在兩點電荷連線上，同種電荷相斥，異種電荷相吸。庫侖定律的適用范圍：真空中兩個靜止點電荷。注意：兩個電荷間的距離趨于零時，兩個電荷就不能視為點電荷，它們之間的作用力也就不遵守庫侖定律了，因此它們之間的庫侖力不能認為趨于無窮大。2,靜電力常量K:常量K是一個重要的物理常數(shù)，庫侖定律公式中各個物理量的單位都 用國際制單位，公式中的比例恒量一一 K

9、的單位也就確定了， 它的數(shù)值由實驗得出， 通常計 算時取：K=9,0X 109N . m/C23,靜電力：同樣具有力的共性，例如，兩個靜止的點電荷之間的相互作用力遵守牛頓第 三定律一一大小相等、 方向相反，并且在一條直線上； 又如一點電荷同時受到另外兩個點電 荷的作用力，這兩個力遵循力的合成法則，根據(jù)平行四邊形定則， 可求出這個點電荷受到的合力。如圖所示。十%4,點電荷是理想模型當帶電體之間的距離遠遠大于自身的大小時，帶電體的形狀、大小及電荷分布狀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。物理學中，抓住問題的要害及關鍵，將研究對象或物理變化過程模型

10、化，?？梢允箚栴}的處理變得簡單可行，又使處理結果基本符合客觀實際，因而理想化模型既是客觀存在的抽象，又是重要的思維方法和處理方法，處理物理問題時，首先選擇研究對象或物理過程，建 立必要的物理模型，常是首要的任務。5 .庫侖定律的應用應用庫侖定律解題時，首先應注意庫侖定律的適用條件。公式f Kqq2僅適用于真r空中的兩個靜止點電荷間的相互作用。其次應注意將計算庫侖力的大小與判斷庫侖力的方向二者分別進行，即應用公式計算庫侖力大小時，不必將表示電荷qi、q2的帶電性質的符號代入公式中，只將其電量絕對值代入公式中，從而計算出力的大??； 庫侖力的方向再依據(jù)同性電荷相互排斥、異性電荷相互吸引加以判別，這樣

11、分別加以處理的方法，可以避免將表示 帶電性質的符號代入公式中一起運算，從而帶來的運算結果是正、負號再判定的麻煩。 第三應注意統(tǒng)一單位，因為靜電力常量 K= 9X 109n m2/C2是在SI中的數(shù)值。第四運算中常將 有效數(shù)字與數(shù)量級分別加以運算，以避免顧此失彼的失誤。6 .微觀帶電粒子之間的庫侖力與萬有引力的比較。F#“質子與電子之間 2.3 1039即：微觀粒子之間的萬有引力遠小于庫侖力，研究微觀粒子間的相互作用時，可以忽略萬有引力。例1.真空中有兩個點電荷 Qi和Q2,相距18cm,已知Qi是正電荷，其電荷量為1.8X10-12C, 它們之間的引力大小為 F=1.0Xl0-12N,求Q2的

12、電荷量及帶電性質。解析：由于真空中的兩個點電荷，符合運用庫侖定律解題的條件根據(jù)庫侖定律F K q快得r至.小二臂劍1。七KQ1 9<L0F, 8Mo因為電荷Q1和Q2間表現(xiàn)為引力，可見 Q2是負電荷小結：(1)利用庫侖定律進行計算時，不但可以求電荷間的相互作用力，還可以根據(jù)相互作用力的性質，判斷電荷的電性。(2)在利用庫侖定律進行計算時，電荷量應代入絕對值計算，再根據(jù)其電性判斷相互 作用力的方向。例2.兩個半徑均為 R的金屬球，分別帶電 q和一3q,當球心相距r= 3R放置時，兩球的 相互作用力為F,若將兩球接觸后放回原來的位置，則兩球之間的相互作用力大小為A. FB.等于1 FC.大于

13、-FD.小于1 F333解析：在電場力的作用下，金屬球上的電荷分布不均勻，電荷中心不位于球心，在相互接觸前，異種電荷相互吸引，電荷中心距離1小于3R,在接觸后，同種電荷相互排斥，電荷中心的距離2大于3R,如圖所示，根據(jù)庫侖定律有3q2F1 K”, F21K ,則兩靜電2小結：應用電荷守恒定律時， 應明確完全相同的兩金屬球接觸后將平均分配電荷. 運用 庫侖定律解題時，應首先明確帶電體是否可看做電荷量集中于球心的點電荷， 然后分析帶電 情況，再根據(jù)庫侖定律進行有關判斷。例3.如圖所示，帶電荷量分別為 +q和+4q的兩個點電荷 A、B ,相距L,求在何處放一 個什么性質的電荷，才可以使三個電荷都處于

14、平衡狀態(tài)？q4Q1 L B解析：A、B兩點電荷同性排斥，相互作用的靜電力均沿 AB連線向外，若能平衡，第 三個點電荷C對A、B的作用力方向必沿 A、B連線向內，故 C必與A帶異性電荷，且在 A、B連線上。設C帶電荷量為-Q,距A為x,則距B為L x,對A、C列平衡方程：A:坐 KqQ L xK4Qq< qQB ：2 K 2(L x) xL4聯(lián)立斛得：x一,Q q39即帶電荷量為 9q的電荷C置于距A點L處，系統(tǒng)可平衡。93小結：本題涉及靜電力和靜力學問題，只要明確靜電力特點，運用共點力平衡條件即 可解決，通過本題分析可知，若要三個電荷都處于平衡，放置電荷的條件是：“兩大夾小，兩同夾異”。

15、例4.兩個大小相同的小球帶有同種電荷，質量分別為mi和m2,帶電量分別為 Qi和Q2,用細絕緣線懸掛后，因靜電力而使兩懸線張開，分別與豎直線方向成夾角1和2,且兩球同處在一水平線上，如圖所示，若 1=2,則下述結論正確的是5 / 10A. q i 一定等于q2B. 一定?t足 q1/m1 q2/m2C. mi 一定等于m2D.必須同時滿足qi = q2, mi = m2解析：因為小球所處的狀態(tài)是靜止，所以用平衡條件去分析。小球mi受到三個力 F、Fi、mig作用，如圖所示，以水平和豎直方向建立坐標，由平 衡條件得FiFsin i 0F cos i mig 0所以tan i mig同理，對m2分

16、析得Fq022 migrtan 2F2m2 gFqQ2 m2gr因為1=2,所以tan i tan 2故mi=m2,可見，只要 mi=m2,不管qi、q2如何，i都等于 2,故選C答案：C小結：本題涉及力的平衡問題，要利用共點力平衡條件來求解.可以采用正交分解法，也可以先求出F、mig的合力，m1g tan 再與靜電力平衡求解，即migtan =F2【模擬試題】1 .下面關于電現(xiàn)象的敘述，正確的是（）A.玻璃棒無論與什么物體摩擦都帶正電，橡膠棒無論與什么物體摩擦都帶負電B.摩擦可以起電，是普遍存在的現(xiàn)象，相互摩擦的兩個物體總是同時帶等量的異種電荷C.帶電現(xiàn)象的本質是電子的轉移，呈電中性的物體得

17、到電子就一定顯負電性，失去電 子就一定顯正電性D.摩擦起電的過程，是通過摩擦創(chuàng)造了等量異種電荷的過程2 .關于元電荷的理解，下列說法正確的是（）A.兀電荷就是電子B.元電荷是表示跟電子所帶電荷量數(shù)值相等的電荷量C.元電荷就是質子D.物體所帶的電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍3 .如圖所示，原來不帶電的絕緣金屬導體MN ,在其兩端下面都懸掛著金屬驗電箔，若使帶負電的絕緣金屬球 A靠近導體的M端，可能看到的現(xiàn)象是（）A.只有M端驗電箔張開，且 M端帶正電B.只有N端驗電箔張開，且 N端帶負電C.兩端的驗電箔都張開，且左端帶負電，右端帶正電 D.兩端的驗電箔都張開，且左端帶正電，右端帶負電10 / 10由

18、于電荷的相互作用而靠近，如圖甲所示；或遠離,4 .掛在絕緣細線下的兩輕質通草球, 如圖乙所示，則（）A.甲圖中兩球一定帶異種電荷 B.乙圖中兩球一定帶同種電荷 C.甲圖中兩球至少有一個帶電 D.乙圖中兩球至少有一個帶電a的表面鍍有鋁膜，在 a的近旁有一絕緣b帶電，則 （）5 .絕緣細線上端固定，下端懸掛一輕質小球a,金屬球b,開始時a、b都不帶電，如圖所示，現(xiàn)使A. ab之間不發(fā)生相互作用B. b將吸引a,吸住后不放開C. b立即把a排斥開D. b先吸引a,接觸后又把a排斥開6 .關于庫侖定律的理解，下面說法正確的是（）A.對任何點電荷之間的靜電力計算，都可以使用公式B.只要是點電荷之間的靜電

19、力計算，就可以使用公式C.兩個點電荷之間的靜電力，無論是在真空中還是在介質中，一定是大小相等、方向 相反D.摩擦過的橡膠棒吸引碎紙屑，說明碎紙屑一定帶正電7 .對點電荷的理解，你認為正確的是（）A.體積很大的帶電體都不能看作點電荷8 .只有體積很小的帶電體才能看作點電荷C.只要是均勻的球形帶電體，不管球的大小，都能被看作點電荷D.當兩個帶電體的形狀對它們的相互作用力的影響可忽略時，這兩個帶電體都能看作 點電荷8 .兩點電荷相距為d,相互作用力為F;保持兩點電荷電荷量不變，改變它們之間的距離，使之相互作用力的大小變?yōu)?F,則兩電荷之間的距離應變?yōu)椋ǎ〢. 4d B. 2dC. d/2D. d/4

20、9 .兩個帶電金屬球，當它們帶同種電荷時，它們之間的作用力的大小為Fi；當它們帶異種電荷時，電荷量與前相同，距離與前相同，它們之間的作用力大小為幾，則（）A. Fi=F2B. Fi<F2C. Fi>F2 D.不能確定10 .帶電荷量分別為 4q和一6q的兩個相同的金屬小球保持一定的距離（比小球的直徑大 得多），相互作用的靜電力為 F；若將它們接觸后分開，并再放回原處。它們的相互作用力 為 （）A. 24F B. 25F C. F/24D. 25F/2411 .如圖所示，兩個互相接觸的導體 A和B,靠近帶正電的導體球 C放置，三者均有絕緣 支架，若先將 C移走，再把A、B分開，則A 電，B 電，若先將A、B分開，再移走 C,則A 電，B 電。