新教材高中物理第九章靜電場及其應(yīng)用2庫侖定律課件新人教必修第三冊

1、2.庫侖定律第九章2022內(nèi)容索引0102課前篇 自主預(yù)習(xí)課堂篇 探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標1.知道點電荷的定義,以及帶電體可以簡化成點電荷的條件,體會物理模型在自然規(guī)律中的作用。(科學(xué)思維)2.理解庫侖定律的內(nèi)容、公式,會用庫侖定律進行相關(guān)的計算。(科學(xué)思維)3.了解庫侖扭秤,領(lǐng)會研究電荷間相互作用的物理思想方法。(科學(xué)探究)4.通過庫侖定律與萬有引力定律比照,體會物理學(xué)和諧統(tǒng)一之美,提高探索自然的興趣。(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)思維導(dǎo)圖課前篇 自主預(yù)習(xí)【必備知識】一、電荷之間的作用力想一想如以下圖,一帶正電的物體位于M處,用絕緣絲線系上帶正電的相同的小球,分別掛在P1、P2、P3的位置,當(dāng)小球靜止時發(fā)現(xiàn)絲線

2、與豎直方向的夾角123,由此猜測是什么因素影響電荷間的作用力。提示 對小球受力分析如以下圖由平衡條件得FNsin =F斥FNcos =mg聯(lián)立得F斥=mgtan 由知,離M越近越大,F斥越大,電荷間作用力與電荷間距離有關(guān)。1.電荷之間的作用力隨著電荷量的增大而增大,隨著距離的增大而減小。2.庫侖定律(1)內(nèi)容:真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上。(2)公式: ,其中k=9.0109Nm2/C2 ,叫作靜電力常量。(3)庫侖定律的適用條件:在真空中;靜止的點電荷。(4)實際帶電體看成點電荷的條件是:當(dāng)帶電體的形

3、狀、大小及電荷分布狀況對作用力的影響可以忽略時,帶電體可以看作點電荷。二、庫侖的實驗1.庫侖利用扭秤實驗研究電荷間的相互作用,該裝置通過懸絲扭轉(zhuǎn)的角度來比較力的大小。2.庫侖時代無法測量物體所帶的電荷量,庫侖利用“兩個相同金屬小球接觸后所帶的電荷量相等解決了無法測量電荷量的問題。三、靜電力計算1.微觀粒子間的萬有引力遠小于庫侖力。2.兩個或兩個以上點電荷對某一個點電荷的作用力,等于各點電荷單獨對這個點電荷的作用力的矢量和?！咀晕覚z測】1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯誤的小題說明原因。(1)點電荷就是體積和電荷量都很小的帶電體。()答案 解析 一個帶電體能否看成點電荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形

4、狀和大小對所研究的問題的影響是否可以忽略不計。(2)點電荷是一種理想模型,真正的點電荷是不存在的。()答案 (3)假設(shè)點電荷q1的電荷量大于q2的電荷量,那么q1對q2的靜電力大于q2對q1的靜電力。()答案 解析 兩電荷間的作用力遵從牛頓第三定律,所以q1對q2的靜電力與q2對q1的靜電力大小相等。(4)點電荷就是元電荷。()答案 解析 點電荷是忽略帶電體的形狀和大小,將帶電體看成一個點,而元電荷是電荷量的最小數(shù)值,所有帶電體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍。(5)靜電力常量k=9.0109 Nm2/C2。()答案 2.(2021湖北隨州二中月考)兩個半徑為R的帶電金屬球所帶電荷量分別為q1和

5、q2,當(dāng)兩球心相距3R時,相互作用的靜電力大小為()答案 D解析 因為兩球心的距離不比球的半徑大得多,所以兩帶電金屬球不能看作點電荷,必須考慮電荷在球面上的實際分布。當(dāng)q1、q2是異種電荷時,相互吸引,電荷分布于較近的兩側(cè),電荷中心距離小于3R,故靜電力大于當(dāng)q1、q2是同種電荷時,相互排斥,電荷分布于較遠的兩側(cè),電荷中心距離大于3R,靜電力小于 ,故D正確。課堂篇 探究學(xué)習(xí)探究一對“點電荷”的理解【情境導(dǎo)引】某次物理課上,甲、乙兩位同學(xué)探討點電荷的對話如下:甲:“由于帶電體A的體積很小,故它一定是點電荷。乙:“由于帶電體B的帶電荷量很小,故它一定是點電荷。(1)甲、乙兩位同學(xué)的觀點,你認為誰

6、的正確?為什么?(2)什么是點電荷?現(xiàn)實中有點電荷嗎?要點提示 (1)甲、乙同學(xué)的觀點都不正確,一個帶電體能否看作點電荷,不能只看它的體積大小,也不能只看它的帶電荷量多少。(2)點電荷是一種理想模型,它是不計大小的帶電體,現(xiàn)實中顯然不存在?！局R歸納】1.特點: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,實際上并不存在。2.條件:帶電體能否看成點電荷視具體問題而定,不能單憑它的大小和形狀下結(jié)論。如果帶電體的大小比帶電體間的距離小得多,那么帶電體的大小及形狀就可以忽略,此時帶電體就可以看成點電荷。要點筆記 如果帶電體間的距離比它們自身的大小大得多,就可以忽略形狀、大小等次

7、要因素,只保存對問題有關(guān)鍵作用的電荷量這一主要因素,這樣處理會使問題大為簡化,對結(jié)果又沒有太大的影響,這是物理學(xué)上經(jīng)常用到的方法?！镜淅痉丁坷? 以下關(guān)于點電荷的說法正確的選項是()A.任何帶電球體,都可看成電荷全部集中于球心的點電荷C.當(dāng)兩個帶電體的大小遠小于它們之間的距離時,可將這兩個帶電體看成點電荷答案 C解析 能否把一個帶電體看作點電荷,不能以它的大小而論,應(yīng)該根據(jù)具體情況而定,假設(shè)它的大小和形狀以及電荷分布狀況可不予考慮,就可以將其看成點電荷。應(yīng)選項A、B、D錯誤,選項C正確。變式訓(xùn)練1(多項選擇)關(guān)于點電荷,以下說法正確的選項是()答案 BC解析 點電荷是一種物理模型,實際中并不

8、存在,選項B正確;一個帶電體能否看成點電荷,不是看它是否很小,而是看它的大小和形狀以及電荷分布狀況對所研究的問題的影響是否可以忽略不計,假設(shè)可以忽略不計,那么它就可以看作點電荷,否那么就不能看作點電荷,選項A、D錯誤;所有帶電體的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍,選項C正確。探究二庫侖定律的理解和應(yīng)用【情境導(dǎo)引】原子結(jié)構(gòu)模型示意圖如以下圖。該模型中,電子繞原子核做勻速圓周運動,就像地球的衛(wèi)星一樣。觀察圖片,思考:電子做勻速圓周運動所需的向心力是由原子核對電子的萬有引力提供的嗎?要點提示 原子核對電子的庫侖力提供了向心力,兩者間的萬有引力要比庫侖力小得多,完全可以忽略不計?！局R歸納】(1)大小:利用庫

9、侖定律計算靜電力時不必將表示電性的正、負號代入公式,只代入q1和q2的絕對值即可。(2)方向:利用同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引來判斷。不管電荷量大小如何,兩點電荷間的庫侖力大小總是相等的。(1)庫侖定律只適用于能看成點電荷的帶電體之間的相互作用。(2)兩個形狀規(guī)那么的均勻球體相距較遠時可以看作點電荷;相距較近時不能看作點電荷,此時球體間的作用力會隨著電荷的分布而變化。【典例示范】例2有兩個完全相同的帶電絕緣金屬球A、B,分別帶有電荷量QA=810-9 C,QB=-3.210-9 C。問:(1)讓兩絕緣金屬球接觸后,A、B所帶電荷量各是多少?此過程中電荷發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移了多少?(2)

10、A、B兩球接觸前固定好,讓第三個與它們相同的不帶電小球C反復(fù)與A、B接觸,最終A、B兩球的電荷量和電性如何?答案 (1)均為2.410-9 C電子由B球轉(zhuǎn)移到了A球,轉(zhuǎn)移的電荷量為5.610-9 C(2)均為1.610-9 C均帶正電解析 (1)兩金屬球接觸時,電荷量少的負電荷先被中和,剩余的正電荷再重新分配,即接觸后兩小球的電荷量在接觸過程中,電子由B球轉(zhuǎn)移到A球,自身的“凈電荷全部中和后,繼續(xù)轉(zhuǎn)移,直至其帶QB的正電荷,這樣,共轉(zhuǎn)移的電子電荷量為Q=QB-QB=2.410-9 C-(-3.210-9 C)=5.610-9 C。(2)由于三球完全相同,反復(fù)接觸后三球最終電荷量相同,均分中和后

11、的電荷量,故A、B均帶正電,電荷量為規(guī)律方法 接觸起電時電荷量的分配規(guī)律1.導(dǎo)體接觸起電時電荷量的分配與導(dǎo)體的形狀、大小有關(guān)。2.當(dāng)兩個完全相同的金屬球接觸后,電荷量將平均分配。(1)假設(shè)兩個球原先帶同種電荷,那么電荷量相加后均分;(2)假設(shè)兩個球原先帶異種電荷,那么電荷量先中和再均分。例3(多項選擇)兩個用相同材料制成的半徑相等的帶電金屬小球,相距很遠放置,其中一個球帶的電荷量是另一個的5倍,它們之間的庫侖力大小是F?，F(xiàn)將兩球接觸后再放回原處,它們之間的庫侖力大小可能為()答案 BD 規(guī)律方法 對于庫侖定律和電荷守恒定律綜合應(yīng)用的問題,有時需要考慮兩電荷之間的作用力是引力還是斥力,或者說要考

12、慮兩電荷是同號還是異號。變式訓(xùn)練2有三個完全相同的金屬小球A、B、C,A所帶電荷量為+7Q,B所帶電荷量為-Q,C不帶電。將A、B固定起來,然后讓C反復(fù)與A、B接觸,最后移去C,A、B間的相互作用力變?yōu)樵瓉淼?)答案 C 探究三靜電力的疊加【情境導(dǎo)引】如以下圖,真空中有三個點電荷A、B、C,它們固定在邊長為a的等邊三角形的三個頂點上,電荷量都是Q,那么電荷C所受的靜電力方向向哪?要點提示 以C為研究對象,共受到F1和F2的作用,相互間的距離都相同。故F1=F2。根據(jù)平行四邊形定那么,合靜電力的方向沿A與B連線的垂直平分線斜向下?！局R歸納】1.真空中兩個靜止點電荷間相互作用力的大小只跟這兩個點

13、電荷的電荷量及間距有關(guān),跟它們的周圍是否存在其他電荷無關(guān)。2.假設(shè)空間存在多個點電荷,某點電荷受到的作用力等于其他點電荷單獨對這個點電荷的作用力的矢量和。要點筆記 靜電力是一種性質(zhì)力,遵守力的所有規(guī)律。【典例示范】例4如以下圖,在A、B兩點分別放置點電荷Q1=+210-14 C和Q2=-210-14 C,在AB的垂直平分線上有一點C,且AB=AC=BC=610-2 m。如果有一個電子在C點,它所受到的靜電力的大小和方向如何?答案 8.010-21 N,方向平行于AB向左 解析 電子在C點同時受A、B點的兩點電荷對它的靜電力FA、FB作用,如以下圖,由庫侖定律得 =8.010-21 N。由平行四

14、邊形定那么和幾何知識得:在C點的電子受到的靜電力F=FA=FB=8.010-21 N,方向平行于AB向左。規(guī)律方法 當(dāng)多個帶電體同時存在時,每兩個帶電體間的靜電力都遵守庫侖定律。某一帶電體同時受到多個靜電力作用時可利用力的平行四邊形定那么求出其合力。這就是靜電力的疊加原理。變式訓(xùn)練3如以下圖,等邊三角形ABC,邊長為L,在頂點A、B處有等量同種正點電荷QA、QB,QA=QB=Q,求在頂點C處的正點電荷QC(QC)所受的靜電力大小。解析 正點電荷QC在C點的受力情況如以下圖,QA、QB對QC的作用力大小和方向都不因其他電荷的存在而改變,仍然遵守庫侖定律。拓展探究非點電荷間的靜電力求法【典例示范】

15、例5如以下圖,一個半徑為R的絕緣圓環(huán)均勻帶電,ab為一極小的缺口,缺口長為L(LR),圓環(huán)的帶電荷量為Q(正電荷),在圓心O處放置一帶電荷量為q的負點電荷,試求負點電荷受到的庫侖力的大小和方向。規(guī)律方法 對于不能視為點電荷的問題,可利用對稱性、割補法等,化非點電荷為點電荷,這樣可使難點得以突破,公式得以運用,問題可迎刃而解。變式訓(xùn)練4 如以下圖,半徑為R的絕緣球殼上均勻帶有電荷量為+Q的電荷,另一電荷量為+q的點電荷放在球心處,由于對稱性,點電荷受力為零?，F(xiàn)在球殼上挖去半徑為r(rR)的一個小圓孔,那么此時置于球心的點電荷所受靜電力的大小為多少?方向如何?(靜電力常量為k)解析 解法一由于球殼

16、上均勻帶電,原來每條直徑兩端相等的一小塊面積上的電荷對球心處點電荷的靜電力相互平衡。當(dāng)在球殼上挖去半徑為r的小圓孔后,因為是絕緣球殼,其余局部的電荷分布不改變,所以其他直徑兩端的電荷對球心處點電荷的作用力仍相互平衡,剩下的就是與小圓孔相對的半徑也為r的一小塊圓面上的電荷對它的作用力。又rR,所以這一帶電小圓面可看成點電荷,庫侖定律適用。小塊圓面上的電荷量為解法二根據(jù)中和的特點可知,挖去的小圓孔相當(dāng)于在此處加上了等量的異種電荷,因為完整球殼對球心處的點電荷的靜電力為零,那么被挖去小圓孔后的球殼對球心處點電荷的靜電力等于在小圓孔處補上的等量異種電荷探究四靜電力作用下的平衡問題【情境導(dǎo)引】如以下圖,

17、A、B、C三個帶電小球靜止在光滑水平面上,A球帶正電,B球帶負電,試判斷C球帶何種電荷。要點提示 C球帶正電?！局R歸納】處理點電荷的平衡問題及動力學(xué)問題的關(guān)鍵三步(1)確定研究對象。如果有幾個物體相互作用時,要依據(jù)題意,適中選取“整體法或“隔離法。(2)對研究對象進行受力分析,相比之前多了庫侖力 。 僅是多了庫侖力呀(3)列平衡方程(F合=0或Fx=0,Fy=0)。【典例示范】例6 如以下圖,質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電小球A用絕緣細線懸掛于O點,帶有電荷量也為q的小球B固定在O點正下方絕緣柱上。絕緣細線長為l,O點與小球B的間距為 l,當(dāng)小球A平衡時,懸線與豎直方向夾角=30。帶電小球A、B

18、均可視為點電荷,靜電力常量為k。那么()答案 B 變式訓(xùn)練5如以下圖,把一帶正電的小球a放在光滑絕緣斜面上,欲使小球a能靜止在斜面上,可在MN間放一帶電小球b,那么b可()A.帶負電,放在A點B.帶負電,放在B點C.帶負電,放在C點D.帶正電,放在C點答案 C解析 小球a受到重力、支持力和庫侖力的作用處于平衡狀態(tài)時,才能靜止在斜面上。上述選項中只有C選項的情況才可使小球a所受合力為零,應(yīng)選C。 隨堂訓(xùn)練1.(多項選擇)以下說法中正確的選項是()A.點電荷是一種理想化模型,實際上是不存在的C.兩帶電荷量分別為Q1、Q2的球體間的作用力在任何情況下都可用公式D.一個帶電體能否看成點電荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形狀、大小及電荷分布對所研究問題的影響是否可以忽略不計答案 AD解析 點電荷是一種理想化模型,實際上并不存在。一個帶電體能否看成點電荷不是看其大