高三——电场

1、第十三章第十三章静电场静电场 创新设计第九章创新设计第九章 静电场静电场1电荷及其守恒定律电荷及其守恒定律 2 库仑定律库仑定律 3电场强度电场强度4电势能和电势电势能和电势 5电势差电势差 6电势差与电场强度的关系电势差与电场强度的关系 7电容器与电容电容器与电容 8 带电粒子在电场中的运动带电粒子在电场中的运动 2007考试说明考试说明1 物质的电结构物质的电结构、电荷守恒电荷守恒 2 静电现象的解释静电现象的解释 3 点电荷点电荷 4 库仑定律库仑定律 5静电场静电场 6电场强度电场强度.点电荷的电场点电荷的电场 7电场线电场线 8电势能电势能、电势电势 9电势差电势差 10匀强电场中电

2、势差与电场强度的关系匀强电场中电势差与电场强度的关系 11带电粒子在匀强电场中的运动带电粒子在匀强电场中的运动 12示波管示波管 13常见电容器常见电容器 14电容器的电压电容器的电压、电荷量和电容的关系电荷量和电容的关系 电电 场场 力力电场强度电场强度. .电场线电场线电势差与电场强度的关系电势差与电场强度的关系电势电势. .电势差电势差. .等势面等势面电电 势势 能能库仑定律库仑定律 电场电场知识结构电容器与电容电容器与电容.带电粒子在电场中的运动带电粒子在电场中的运动. 定义式定义式决定式决定式电场强度电场强度F / q（点电荷）（点电荷）电电 势势E / q（点电荷）（点电荷）电电

3、 容容Q / U（平行板电容器）（平行板电容器）一一. 教材的设计有利于知识的类比：教材的设计有利于知识的类比：学习方法学习方法二二. .方法的迁移方法的迁移1.带电粒子在电场中的偏转带电粒子在电场中的偏转-类平抛运动类平抛运动2.将电场问题看作只是增加了电场力的力学问题将电场问题看作只是增加了电场力的力学问题,前面学习的物前面学习的物理规律理规律(如如:平衡条件平衡条件.牛顿运动定律牛顿运动定律.动能定理等动能定理等)均可在此使用均可在此使用.二、教学设计思路及教学建议二、教学设计思路及教学建议1、电荷及电荷守恒定律电荷及电荷守恒定律2、库仑定律库仑定律3、电场强度电场强度4、 电势能和电势

4、电势能和电势5 、电势差电势差6、电势差与电场强度的关系电势差与电场强度的关系7、电容器与电容电容器与电容8、带电粒子在电场中的运动带电粒子在电场中的运动a:a:电荷有两类以及性质，正电荷、负电荷电荷有两类以及性质，正电荷、负电荷b:b:电荷之间的作用。电荷之间的作用。a.a.摩擦起电摩擦起电b. b. 感应起电感应起电1有关电荷知识的回顾2起电的方式一、电荷一、电荷a.a.摩擦起电摩擦起电复习：用丝绸摩擦过的玻璃棒之间相互排斥，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒之间也相互复习：用丝绸摩擦过的玻璃棒之间相互排斥，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒之间也相互排斥，而玻璃棒和硬橡胶棒之间却相互吸引，所以自然界存在两种电荷

5、同种电荷排斥，而玻璃棒和硬橡胶棒之间却相互吸引，所以自然界存在两种电荷同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引相互排斥，异种电荷相互吸引 自然界中的两种电荷：正电荷和负电荷：把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为自然界中的两种电荷：正电荷和负电荷：把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为正电荷，用正数表示把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷称为负电荷，用负数正电荷，用正数表示把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷称为负电荷，用负数表示表示 结果：两个相互摩擦的物体带上了等量异种电荷电荷总量没有变。结果：两个相互摩擦的物体带上了等量异种电荷电荷总量没有变。 原子的核式结构及摩擦起电的微观解释原子的核式结构及摩擦起

6、电的微观解释构成物质的原子本身就是由带电微粒组成，构成物质的原子本身就是由带电微粒组成，包括带正电原子核（质子和中子）和带包括带正电原子核（质子和中子）和带负电的核外电子，负电的核外电子，不同物质的原子核不同物质的原子核束缚电子的能力束缚电子的能力不同，在摩擦过程中不同，在摩擦过程中电子发生电子发生转移转移现象及解释：把带正电荷的球C移近彼此接触的异体A，B金属箔都张开了，表示A，B都带上了电荷如果先把C移走，A和B上的金属箔都会闭合如果先把A和B分开，然后移开C，可以看到A和B仍带有电荷，金属箔仍张开；如果再让A和B接触，金属箔都会闭合这说明A和B分开后所带的是异种等量的电荷，重新接触后等量

7、异种电荷发生中和 静电感应：把电荷移近不带电的异体，可以使导体带电的现象。利用静电感应使物体带电，叫做感应起电b感应起电感应起电的本质原因：把带电的球C移近金属导体A和B时，由于同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，使导体上的自由电子被吸引过来，因此导体A和B带上了等量的异种电荷感应起电也不是创造了电荷，而是使物体中的正负电荷分开，是电荷从物体的一部分转移转移到另一部分，电荷总量没有变总量没有变。3、起电的本质：不是创造了电荷，而是使物体中的电荷分开二二. .电荷守恒定律电荷守恒定律 电荷守恒定律：电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物体转移转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移转移到另一部

8、分 另一种表述：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和总是保持不变。 三三. .元电荷元电荷电荷量：电荷的多少叫做电荷量符号： q 或Q 单位：库仑 符号：C元电荷:电子所带的电荷量，用e表示，是最小的电荷量比荷：电子的电荷量e和电子的质量me的比值,为C/密立根油滴法测定： e =1.6021773310-19库仑(C) e =1.610-19库仑(C) 本题功能：本题功能： 物理学中一个常用的处理方法：利用情境的物理学中一个常用的处理方法：利用情境的对称性。也为对称性。也为下一节下一节“库仑的实验库仑的实验”做准备。要明做准备。要明确条件：确条件：完全一样的金属球。完全一样的金属球。

9、介绍第三种起电方式：接触起电。介绍第三种起电方式：接触起电。例：例： 有三个完全一样的绝缘金属球，有三个完全一样的绝缘金属球，A球带的球带的电荷量为电荷量为q，B、C均不带电。现要使均不带电。现要使B球带的电球带的电荷量为荷量为3q/83q/8，应该怎么办？，应该怎么办？二、二、库仑定律库仑定律依据实验现象猜想：力的大小与什么因素有关，会不会与万有引力的大小具有相似的形式呢？1、问题的提出：、问题的提出：2、库仑扭秤实验、库仑扭秤实验1 1、思想方法、思想方法_控制变量法、对称法控制变量法、对称法2 2、保持两个小球带电荷量不变，改、保持两个小球带电荷量不变，改变距离，探究发现力的大小跟它们的

10、变距离，探究发现力的大小跟它们的距离的二次方成反比距离的二次方成反比 3 3、保持两个小球距离不变，改变电、保持两个小球距离不变，改变电荷量，探究发现力的大小跟两个点电荷量，探究发现力的大小跟两个点电荷的电荷量的乘积成正比荷的电荷量的乘积成正比 3、库仑定律、库仑定律静电力常量：静电力常量：k k = 9.0= 9.010109 9 N Nm m2 2/C/C2 2内容表述：内容表述：真空真空中两个静止中两个静止点电荷点电荷之间的相互作用力的大小跟两个点电荷的之间的相互作用力的大小跟两个点电荷的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比作用作用

11、力的方向在两个力的方向在两个点电荷的连线上点电荷的连线上公式：公式： 221rqqkF 适用条件：真空中，点电荷适用条件：真空中，点电荷点电荷点电荷理想化模型，实际上是不存在的但只要带电体本身的大小跟它理想化模型，实际上是不存在的但只要带电体本身的大小跟它们之间的距离相比可以忽略，带电体就可以看作点电荷并非是体积小就能们之间的距离相比可以忽略，带电体就可以看作点电荷并非是体积小就能当点电荷（理想化研究方法）当点电荷（理想化研究方法） 【例题2】：试比较电子和质子间的静电引力和万有引力已知电子的质量m1=9.1010-31kg，质子的质量m2=1.6710-27kg电子和质子的电荷量都是1.60

12、10-19C分析：这个问题不用分别计算电子和质子间的静电引力和万有引力，而是列公式，化简之后，再求解解：电子和质子间的静电引力和万有引力分别是FQrFmrFFQGmmFF12222212212121919113127160160910167= kQ=Gm=kQ=9.01010106.67101010=2.310111939，.启示与小结：可以看出，万有引力公式和库仑定律公式在表面启示与小结：可以看出，万有引力公式和库仑定律公式在表面上很相似，只有质量和电荷量的区别，体现了科学的一种对称上很相似，只有质量和电荷量的区别，体现了科学的一种对称美，它们的实质区别是：首先万有引力公式计算出的力只能是美

13、，它们的实质区别是：首先万有引力公式计算出的力只能是相互吸引的力，绝没有相排斥的力其次，由计算结果看出，相互吸引的力，绝没有相排斥的力其次，由计算结果看出，电子和质子间的万有引力比它们之间的静电引力小的很多电子和质子间的万有引力比它们之间的静电引力小的很多，因，因此在研究微观带电粒子间的相互作用时，主要考虑静电力，万此在研究微观带电粒子间的相互作用时，主要考虑静电力，万有引力虽然存在，但相比之下非常小，所以可忽略不计有引力虽然存在，但相比之下非常小，所以可忽略不计问题与练习问题与练习本题再一次用到对称的研究方法本题再一次用到对称的研究方法三、电场三、电场 电场强度电场强度一、电场的存在一、电场

14、的存在a:力的作用媒介：电荷之间的相互作用是通过特殊特殊形式的物质电场发生的，电荷的周围都存在电场.b:电场的基本特征： 引入电场中的任何带电体都将受到电场力的作用。当带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功，这表示电场具有能量.可见，电场具有力和能的特征电场具有力和能的特征c:电场的物质性是客观存在的，具有物质的基本属性质量和能量。它不同于生活中常见的物质，看不见，摸不着，无法称量，可以叠加.静电场：静止电荷产生的电场二、电场强度二、电场强度a:电场强度概念的提出：同一电荷q在电场中不同点受到的电场力的方向和大小一般不同，因此电场具有方向性以及各点强弱方向性以及各点强弱的不同的不同，引出电

15、场强度的概念来描述电场这种性质的不同。b:检查强度的方法：用同一检验电荷检验电荷q q在电场中不同点受到的电场力的方向和大小不同，用来表示电场的强弱和方向的不同c:电场强度的定义：虽然可用同一检验电荷q在电场中各点所受电场力F的大小来比较各点的电场强弱，但是电场力F的大小还和电荷q的电量有关，所以不能直接用电场力的大小表电场的强弱实验表明：在电场中的同一点，电场力实验表明：在电场中的同一点，电场力F与电荷电与电荷电量量q成正比，成正比，比值F/q由电荷q在电场中的位置所决定，跟电荷电量无关，是反映电场性质的物理量，所以我们用这个比值F/q来表示电场的强弱 4、决定因素:电场中某一点处的电场强度

16、E是唯一的，它的大小和方向与放入该点电荷点电荷q q无关无关，它决定于电场的源电荷及空间位置，电场中每一点对应着的电场强度与是否放入电荷无关.1、定义：电场中某一点的电荷受到的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强用E表示。2、公式（大小）：E=F/q （适用于所有电场适用于所有电场）单位：N/C 意义：3、方向性：电场强度是矢量物理学中规定，电场中某点的场强方向跟正电荷正电荷在该点所受的电场力的方向相同在该点所受的电场力的方向相同指出：负电荷在电场中某点所受的电场力的方向跟该点的场强方向相反定义式和决定式 加速度的定义式与决定式 电场强度的 电容 电势 电阻的. 磁感强度

17、比值法三、点电荷的电场三、点电荷的电场a真空中点电荷真空中点电荷的电场强度的决定式(检验电荷与产生电场的电荷)E=F/q和E=kQ/r2 b点电荷电场的方向：如果是正电荷，E的方向就是沿着PQ的连线并背离Q；如果是负电荷：E的方向就是沿着PQ的连线并指向Q c多个点电荷的电场的求解：某点的场强等于该点周围各个电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和矢量和四、电场线四、电场线电场线：电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的电场线：电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表切线方向表示该点的电场强度的方向示该点的电场强度的方向。 电场线的基本性质电场线的基本性质电场线

18、上每点的切线方向就是该点电场强度的方向电场线上每点的切线方向就是该点电场强度的方向. .电场线的疏密反映电场强度的大小电场线的疏密反映电场强度的大小( (疏弱密强疏弱密强).).静电场中电场线始于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远静电场中电场线始于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远. .它不封闭，也不在它不封闭，也不在无电荷处中断无电荷处中断. .任意两条电场线任意两条电场线不会在无电荷处相交不会在无电荷处相交电场线是为了形象描述电场而引入的电场线是为了形象描述电场而引入的假想的线假想的线，不是实际存在的线。，不是实际存在的线。 5 5、匀强电场、匀强电场(1)定义：电场中各点场强的大小相等、

19、方向相同的电场就叫匀强电场.(2)匀强电场的电场线：是一组疏密程度相同(等间距)的平行直线.例如，两等大、正对且带等量异种电荷的平行两等大、正对且带等量异种电荷的平行金属板间的电场金属板间的电场中，除边缘附近外，就是匀强电场.如右图所示常见电场的电场线常见电场的电场线 电场电场线图样简要描述正点电荷发散状负点电荷会聚状等量同号电荷相斥状等量异号电荷相吸状匀强电场平行的、等间距的、同向的直线四四 电势能、电势电势能、电势一、电场力做功的特点一、电场力做功的特点分析试探电荷q在场强为E的均强电场中沿不同路径从A运动到B电场力做功的情况。（1）q沿直线从A到B（2）q沿折线从A到M、再从M到B（3）

20、q沿任意曲线线A到B 结果都一样即：W=qELAM =qELABcos【结论】：在任何电场中，静电力移动电荷所做的功，只与始末两点的位置有关，而与电荷的运动路径运动路径无关,与重力做功类比。二电势能二电势能1、电势能：由于移动电荷时静电力做功与移动的路径无关，电荷在电场中也具有由位置决定的势能，这种势能叫做电势能。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。写成式子为：PBPAEEWAB注意： 电场力做正功，电荷的电势能减小；电场力做负功，电荷的电势能增加 电场力力做多少功，电势能就变化多少，在只受电场力作用下，电势能与动能相互转化，而它们的总量保持不变。 求电荷在电场中

21、某点具有的电势能电荷在电场中某一点A具有的电势能EP等于将该点电荷由A点移到电势零点电场力所做的功W的。即EP=W类比于重力势能，有正负无方向 电势-表征电场性质的重要物理量度，通过研究电荷在电场中电势能与它的电荷量的比值得出。（类比电场强度的定义）（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，叫做这一点的电势。用表示。标量，只有大小，没有方向，但有正负。（2）公式： （与试探电荷无关）（3）单位：伏特（V）（4）电势与电场线的关系：电势顺线降低。（电场线指向电势降低最快电势降低最快的方向的方向）（5）零电势位置的规定：电场中某一点的电势的数值与零电势的选择有关，即电势的数值决定于

22、零电势的选择（大地或无穷远默认为零）三、电势三、电势qEP（1）定义：电场中两点间电势的差值，也叫电压。用表示。 或注意：电势差也是标量，可正，可负。BAABU四、电势差四、电势差ABABU 电荷Q在电场中从A移动到B时，静电力做的功WAB等于电荷在A、B两点的电势能之差。推导： 所以有： 或 即：电场中电场中A A、B B两点间的电势差等于电场力做的功与试探电荷两点间的电势差等于电场力做的功与试探电荷Q Q的比值。的比值。注意：电场中A、B两点间的电势差跟移动电荷的路径无关，只与AB位置有关五、静电力做功与电势差的关系五、静电力做功与电势差的关系ABBABAPBPAABqUqqqEEWABA

23、BqUWqWUABAB注：注： 在研究微观粒子时常用电子伏特（在研究微观粒子时常用电子伏特（eV）作做能量的单）作做能量的单位。位。1 eV等于一个电子经过等于一个电子经过1 V电压加速后所增加的动能。电压加速后所增加的动能。请推导电子伏特与焦耳的换算关系。请推导电子伏特与焦耳的换算关系。这个值这个值1.61019让学生在脑子中记一记，常用到。让学生在脑子中记一记，常用到。 养成良好的作图分析的习惯归纳总结一：电场强度与电势无直接关系，而是与电势的变化相联系与电势的变化相联系，并举例说明电场强度为零的地方电势不一定为零，电势为不为零取决于电势零点。电势为零的地方电场强度不一定为零。电场强度相等

24、的地方电势不一定相等。电势相等的地方电场强度不一定相等。归纳总结二：概括场强三个公式E=F/q、E=kQ/r2和E=UAB/d ，对比其适用条件。六等势面六等势面六等势面六等势面定义：电场中电势相等的点构成的面等势面的性质： 在同一等势面上各点电势相等，所以在同一等势面上移动电荷，电场力不做功电场线跟等势面一定垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。等势面越密，电场强度越大等势面不相交，不相切说明说明:这里讨论等势面与电场线的关系时用到了反证法。反证这里讨论等势面与电场线的关系时用到了反证法。反证法是科学研究中重要的逻辑方法，在日常生活中也常用到。法是科学研究中重要的逻辑方法，在日常生活

25、中也常用到。 几种电场的电场线及等势面几种电场的电场线及等势面+ + + + + + + + + + + 七、电势差与电场强度的关系七、电势差与电场强度的关系(1)电场力做功的两种不同途径求出电场力做的功。(2)匀强电场中电势差与电场强度的关系:结论一：匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离沿电场方向的距离的乘积。即 EdUAB结论二：在匀强电场中，电场强度的大小等于两点间的电势差与两点沿电场线方向的距离沿电场线方向的距离的比值。即 dUEAB适用条件：匀强电场八、电容器与电容八、电容器与电容一、电容器一、电容器电容器的结构：任何两个彼此绝缘彼此绝缘又相隔很近的导体都可以

26、看成一个电容器。电容器的充电、放电： 把电容器的一个极板与电池组的正极相连，另一个极板与负极相连，两个极板上就分别带上了等量等量的异种电荷。这个过程叫做充电充电。 把充电后的电容器的两个极板接通,两极板上的电荷互相中和,电容器就不带电了,这个过程叫放电放电.内部能量：充电后,切断与电源的联系,两个极板间有电场存在,充电过程中由电源获得的电能贮存在电场中,称为电场能.放电后,两极板间不存在电场,电场能转化为其他形式的能量.归纳：充电归纳：充电带电量带电量Q Q增加增加, ,板间电压板间电压U U增加增加, ,板间场强板间场强E E增加增加, , 电能转化为电电能转化为电场能场能放电放电带电量带电

27、量Q减少减少,板间电压板间电压U减少减少,板间场强板间场强E减少减少,电场能转化为电能电场能转化为电能 二：电容二：电容(类比类比)2. 与储水容器类比。对于给定电容器，相对于给定柱形水容器，C（类比于横截面积）不变,U(类比于水的深度),Q(类比于储水的体积)。在C一定情况下，Q=CU，Q正比于U,Q/U是一个 常量.3.电容的定义:电容器所带的电量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容。4.电容的定义式:UQC 5.单位(数量级的名称):法拉（F）还有微法（F）和皮法（pF） 1F=106F=1012pF6.物理意义:电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，是由电容器本身的性质

28、（由导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的,与电容器是不是带电无关 1电容的引入:讨论充电后的电容器Q 与U的比值Q/U的意义。平行板电容器的电容平行板电容器的电容1.保持Q和d不变， S越小,静电计的偏转角度越大, U越大,电容C越小；2.保持Q和S不变，d越大，偏转角度越大，C越小.3.保持Q、d、S都不变,在两极板间插入电介质板,静电计的偏转角度并且减小,电势差U越小电容C增大.结论结论:平行板电容器的电容C与介电常数成正比,跟正对面积S成正比,跟极板间的距离d成反比.平行板电容器的决定式：真空 介质 kdSC4kdSCr4四、常用电容器四、常用电容器铝质电解电容器铝质电解电容器 聚苯

29、乙烯电容器聚苯乙烯电容器1、固定电容器、固定电容器2、可变电容器、可变电容器例例8如图所示，在平行板电容器正中有一个带电微如图所示，在平行板电容器正中有一个带电微粒。粒。K 闭合时，该微粒恰好能保持静止。在闭合时，该微粒恰好能保持静止。在保保持持K 闭合；闭合；充电后将充电后将K 断开；两种情况下，各断开；两种情况下，各用什么方法能使该带电微粒向上运动打到上极板？用什么方法能使该带电微粒向上运动打到上极板？A上移上极板上移上极板M B上移下极板上移下极板N C左移上极板左移上极板M D把下极板把下极板N接地接地 例例9传感器是把非电学量（如温度、速度、压力等）传感器是把非电学量（如温度、速度、

30、压力等）的变化转换为电学量变化的一种元件，在自动控的变化转换为电学量变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用如图是一种测量液面制中有着相当广泛的应用如图是一种测量液面高度高度h 的电容式传感器的示意图从电容的电容式传感器的示意图从电容C大小的大小的变化就能反映液面的升降情况关于两者关系的变化就能反映液面的升降情况关于两者关系的说法中正确的是说法中正确的是AC增大表示增大表示h 减小减小 BC减小表示减小表示h 增大增大CC减小表示减小表示h 减小减小 DC的变化与的变化与h 变化无直接关系变化无直接关系九、静电感应、静电屏蔽九、静电感应、静电屏蔽1、静电感应静电感应：把电荷移近不带电的导

31、体，可以使导体把电荷移近不带电的导体，可以使导体带电，这种现象叫做带电，这种现象叫做静电感应静电感应。2、静电平衡状态：静电平衡状态：导体中没有电荷定向移动的状态导体中没有电荷定向移动的状态 3、特点：特点：（1）电荷分布在外表面；）电荷分布在外表面；（2）整个导体是等势体；）整个导体是等势体；（3）内部场强处处为零，导体表面场强垂直于表面。）内部场强处处为零，导体表面场强垂直于表面。4、静电屏蔽：静电屏蔽：导体壳可以保护它所包围的区域，使这导体壳可以保护它所包围的区域，使这个区域不受外部电场的影响。这种现象叫个区域不受外部电场的影响。这种现象叫静电屏蔽静电屏蔽。5、例：、例：电学仪器和电子设备外面套有金属罩、通信电电学仪器和电子设