新教材高中物理第九章静电场及其应用2库仑定律课件新人教必修第三册

1、2.库仑定律第九章2022内容索引0102课前篇 自主预习课堂篇 探究学习学习目标1.知道点电荷的定义,以及带电体可以简化成点电荷的条件,体会物理模型在自然规律中的作用。(科学思维)2.理解库仑定律的内容、公式,会用库仑定律进行相关的计算。(科学思维)3.了解库仑扭秤,领会研究电荷间相互作用的物理思想方法。(科学探究)4.通过库仑定律与万有引力定律比照,体会物理学和谐统一之美,提高探索自然的兴趣。(科学态度与责任)思维导图课前篇 自主预习【必备知识】一、电荷之间的作用力想一想如以下图,一带正电的物体位于M处,用绝缘丝线系上带正电的相同的小球,分别挂在P1、P2、P3的位置,当小球静止时发现丝线

2、与竖直方向的夹角123,由此猜测是什么因素影响电荷间的作用力。提示 对小球受力分析如以下图由平衡条件得FNsin =F斥FNcos =mg联立得F斥=mgtan 由知,离M越近越大,F斥越大,电荷间作用力与电荷间距离有关。1.电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大,随着距离的增大而减小。2.库仑定律(1)内容:真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。(2)公式: ,其中k=9.0109Nm2/C2 ,叫作静电力常量。(3)库仑定律的适用条件:在真空中;静止的点电荷。(4)实际带电体看成点电荷的条件是:当带电体的形

3、状、大小及电荷分布状况对作用力的影响可以忽略时,带电体可以看作点电荷。二、库仑的实验1.库仑利用扭秤实验研究电荷间的相互作用,该装置通过悬丝扭转的角度来比较力的大小。2.库仑时代无法测量物体所带的电荷量,库仑利用“两个相同金属小球接触后所带的电荷量相等解决了无法测量电荷量的问题。三、静电力计算1.微观粒子间的万有引力远小于库仑力。2.两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力,等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。【自我检测】1.正误判断,判断结果为错误的小题说明原因。(1)点电荷就是体积和电荷量都很小的带电体。()答案 解析 一个带电体能否看成点电荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形

4、状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计。(2)点电荷是一种理想模型,真正的点电荷是不存在的。()答案 (3)假设点电荷q1的电荷量大于q2的电荷量,那么q1对q2的静电力大于q2对q1的静电力。()答案 解析 两电荷间的作用力遵从牛顿第三定律,所以q1对q2的静电力与q2对q1的静电力大小相等。(4)点电荷就是元电荷。()答案 解析 点电荷是忽略带电体的形状和大小,将带电体看成一个点,而元电荷是电荷量的最小数值,所有带电体所带的电荷量都是元电荷的整数倍。(5)静电力常量k=9.0109 Nm2/C2。()答案 2.(2021湖北随州二中月考)两个半径为R的带电金属球所带电荷量分别为q1和

5、q2,当两球心相距3R时,相互作用的静电力大小为()答案 D解析 因为两球心的距离不比球的半径大得多,所以两带电金属球不能看作点电荷,必须考虑电荷在球面上的实际分布。当q1、q2是异种电荷时,相互吸引,电荷分布于较近的两侧,电荷中心距离小于3R,故静电力大于当q1、q2是同种电荷时,相互排斥,电荷分布于较远的两侧,电荷中心距离大于3R,静电力小于 ,故D正确。课堂篇 探究学习探究一对“点电荷”的理解【情境导引】某次物理课上,甲、乙两位同学探讨点电荷的对话如下:甲:“由于带电体A的体积很小,故它一定是点电荷。乙:“由于带电体B的带电荷量很小,故它一定是点电荷。(1)甲、乙两位同学的观点,你认为谁

6、的正确?为什么?(2)什么是点电荷?现实中有点电荷吗?要点提示 (1)甲、乙同学的观点都不正确,一个带电体能否看作点电荷,不能只看它的体积大小,也不能只看它的带电荷量多少。(2)点电荷是一种理想模型,它是不计大小的带电体,现实中显然不存在。【知识归纳】1.特点:点电荷是只有电荷量,没有大小、形状的理想化模型,类似于力学中的质点,实际上并不存在。2.条件:带电体能否看成点电荷视具体问题而定,不能单凭它的大小和形状下结论。如果带电体的大小比带电体间的距离小得多,那么带电体的大小及形状就可以忽略,此时带电体就可以看成点电荷。要点笔记 如果带电体间的距离比它们自身的大小大得多,就可以忽略形状、大小等次

7、要因素,只保存对问题有关键作用的电荷量这一主要因素,这样处理会使问题大为简化,对结果又没有太大的影响,这是物理学上经常用到的方法。【典例示范】例1 以下关于点电荷的说法正确的选项是()A.任何带电球体,都可看成电荷全部集中于球心的点电荷C.当两个带电体的大小远小于它们之间的距离时,可将这两个带电体看成点电荷答案 C解析 能否把一个带电体看作点电荷,不能以它的大小而论,应该根据具体情况而定,假设它的大小和形状以及电荷分布状况可不予考虑,就可以将其看成点电荷。应选项A、B、D错误,选项C正确。变式训练1(多项选择)关于点电荷,以下说法正确的选项是()答案 BC解析 点电荷是一种物理模型,实际中并不

8、存在,选项B正确;一个带电体能否看成点电荷,不是看它是否很小,而是看它的大小和形状以及电荷分布状况对所研究的问题的影响是否可以忽略不计,假设可以忽略不计,那么它就可以看作点电荷,否那么就不能看作点电荷,选项A、D错误;所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍,选项C正确。探究二库仑定律的理解和应用【情境导引】原子结构模型示意图如以下图。该模型中,电子绕原子核做匀速圆周运动,就像地球的卫星一样。观察图片,思考:电子做匀速圆周运动所需的向心力是由原子核对电子的万有引力提供的吗?要点提示 原子核对电子的库仑力提供了向心力,两者间的万有引力要比库仑力小得多,完全可以忽略不计。【知识归纳】(1)大小:利用库

9、仑定律计算静电力时不必将表示电性的正、负号代入公式,只代入q1和q2的绝对值即可。(2)方向:利用同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来判断。不管电荷量大小如何,两点电荷间的库仑力大小总是相等的。(1)库仑定律只适用于能看成点电荷的带电体之间的相互作用。(2)两个形状规那么的均匀球体相距较远时可以看作点电荷;相距较近时不能看作点电荷,此时球体间的作用力会随着电荷的分布而变化。【典例示范】例2有两个完全相同的带电绝缘金属球A、B,分别带有电荷量QA=810-9 C,QB=-3.210-9 C。问:(1)让两绝缘金属球接触后,A、B所带电荷量各是多少?此过程中电荷发生了怎样的转移,转移了多少?(2)

10、A、B两球接触前固定好,让第三个与它们相同的不带电小球C反复与A、B接触,最终A、B两球的电荷量和电性如何?答案 (1)均为2.410-9 C电子由B球转移到了A球,转移的电荷量为5.610-9 C(2)均为1.610-9 C均带正电解析 (1)两金属球接触时,电荷量少的负电荷先被中和,剩余的正电荷再重新分配,即接触后两小球的电荷量在接触过程中,电子由B球转移到A球,自身的“净电荷全部中和后,继续转移,直至其带QB的正电荷,这样,共转移的电子电荷量为Q=QB-QB=2.410-9 C-(-3.210-9 C)=5.610-9 C。(2)由于三球完全相同,反复接触后三球最终电荷量相同,均分中和后

11、的电荷量,故A、B均带正电,电荷量为规律方法 接触起电时电荷量的分配规律1.导体接触起电时电荷量的分配与导体的形状、大小有关。2.当两个完全相同的金属球接触后,电荷量将平均分配。(1)假设两个球原先带同种电荷,那么电荷量相加后均分;(2)假设两个球原先带异种电荷,那么电荷量先中和再均分。例3(多项选择)两个用相同材料制成的半径相等的带电金属小球,相距很远放置,其中一个球带的电荷量是另一个的5倍,它们之间的库仑力大小是F。现将两球接触后再放回原处,它们之间的库仑力大小可能为()答案 BD 规律方法 对于库仑定律和电荷守恒定律综合应用的问题,有时需要考虑两电荷之间的作用力是引力还是斥力,或者说要考

12、虑两电荷是同号还是异号。变式训练2有三个完全相同的金属小球A、B、C,A所带电荷量为+7Q,B所带电荷量为-Q,C不带电。将A、B固定起来,然后让C反复与A、B接触,最后移去C,A、B间的相互作用力变为原来的()答案 C 探究三静电力的叠加【情境导引】如以下图,真空中有三个点电荷A、B、C,它们固定在边长为a的等边三角形的三个顶点上,电荷量都是Q,那么电荷C所受的静电力方向向哪?要点提示 以C为研究对象,共受到F1和F2的作用,相互间的距离都相同。故F1=F2。根据平行四边形定那么,合静电力的方向沿A与B连线的垂直平分线斜向下。【知识归纳】1.真空中两个静止点电荷间相互作用力的大小只跟这两个点

13、电荷的电荷量及间距有关,跟它们的周围是否存在其他电荷无关。2.假设空间存在多个点电荷,某点电荷受到的作用力等于其他点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。要点笔记 静电力是一种性质力,遵守力的所有规律。【典例示范】例4如以下图,在A、B两点分别放置点电荷Q1=+210-14 C和Q2=-210-14 C,在AB的垂直平分线上有一点C,且AB=AC=BC=610-2 m。如果有一个电子在C点,它所受到的静电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 电子在C点同时受A、B点的两点电荷对它的静电力FA、FB作用,如以下图,由库仑定律得 =8.010-21 N。由平行四

14、边形定那么和几何知识得:在C点的电子受到的静电力F=FA=FB=8.010-21 N,方向平行于AB向左。规律方法 当多个带电体同时存在时,每两个带电体间的静电力都遵守库仑定律。某一带电体同时受到多个静电力作用时可利用力的平行四边形定那么求出其合力。这就是静电力的叠加原理。变式训练3如以下图,等边三角形ABC,边长为L,在顶点A、B处有等量同种正点电荷QA、QB,QA=QB=Q,求在顶点C处的正点电荷QC(QC)所受的静电力大小。解析 正点电荷QC在C点的受力情况如以下图,QA、QB对QC的作用力大小和方向都不因其他电荷的存在而改变,仍然遵守库仑定律。拓展探究非点电荷间的静电力求法【典例示范】

15、例5如以下图,一个半径为R的绝缘圆环均匀带电,ab为一极小的缺口,缺口长为L(LR),圆环的带电荷量为Q(正电荷),在圆心O处放置一带电荷量为q的负点电荷,试求负点电荷受到的库仑力的大小和方向。规律方法 对于不能视为点电荷的问题,可利用对称性、割补法等,化非点电荷为点电荷,这样可使难点得以突破,公式得以运用,问题可迎刃而解。变式训练4 如以下图,半径为R的绝缘球壳上均匀带有电荷量为+Q的电荷,另一电荷量为+q的点电荷放在球心处,由于对称性,点电荷受力为零。现在球壳上挖去半径为r(rR)的一个小圆孔,那么此时置于球心的点电荷所受静电力的大小为多少?方向如何?(静电力常量为k)解析 解法一由于球壳

16、上均匀带电,原来每条直径两端相等的一小块面积上的电荷对球心处点电荷的静电力相互平衡。当在球壳上挖去半径为r的小圆孔后,因为是绝缘球壳,其余局部的电荷分布不改变,所以其他直径两端的电荷对球心处点电荷的作用力仍相互平衡,剩下的就是与小圆孔相对的半径也为r的一小块圆面上的电荷对它的作用力。又rR,所以这一带电小圆面可看成点电荷,库仑定律适用。小块圆面上的电荷量为解法二根据中和的特点可知,挖去的小圆孔相当于在此处加上了等量的异种电荷,因为完整球壳对球心处的点电荷的静电力为零,那么被挖去小圆孔后的球壳对球心处点电荷的静电力等于在小圆孔处补上的等量异种电荷探究四静电力作用下的平衡问题【情境导引】如以下图,

17、A、B、C三个带电小球静止在光滑水平面上,A球带正电,B球带负电,试判断C球带何种电荷。要点提示 C球带正电。【知识归纳】处理点电荷的平衡问题及动力学问题的关键三步(1)确定研究对象。如果有几个物体相互作用时,要依据题意,适中选取“整体法或“隔离法。(2)对研究对象进行受力分析,相比之前多了库仑力 。 仅是多了库仑力呀(3)列平衡方程(F合=0或Fx=0,Fy=0)。【典例示范】例6 如以下图,质量为m、电荷量为q的带电小球A用绝缘细线悬挂于O点,带有电荷量也为q的小球B固定在O点正下方绝缘柱上。绝缘细线长为l,O点与小球B的间距为 l,当小球A平衡时,悬线与竖直方向夹角=30。带电小球A、B

18、均可视为点电荷,静电力常量为k。那么()答案 B 变式训练5如以下图,把一带正电的小球a放在光滑绝缘斜面上,欲使小球a能静止在斜面上,可在MN间放一带电小球b,那么b可()A.带负电,放在A点B.带负电,放在B点C.带负电,放在C点D.带正电,放在C点答案 C解析 小球a受到重力、支持力和库仑力的作用处于平衡状态时,才能静止在斜面上。上述选项中只有C选项的情况才可使小球a所受合力为零,应选C。 随堂训练1.(多项选择)以下说法中正确的选项是()A.点电荷是一种理想化模型,实际上是不存在的C.两带电荷量分别为Q1、Q2的球体间的作用力在任何情况下都可用公式D.一个带电体能否看成点电荷,不是看它的尺寸大小,而是看它的形状、大小及电荷分布对所研究问题的影响是否可以忽略不计答案 AD解析 点电荷是一种理想化模型,实际上并不存在。一个带电体能否看成点电荷不是看其大