2024-2025学年高中物理第1章静电场2库仑定律学案新人教版选修3-1

PAGE8-库仑定律[学习目标]1.[物理观念]知道点电荷的概念，明的确际带电体看作点电荷的条件。(难点)2.[科学思维]理解库仑定律的内容及公式，并说明库仑定律描述的客观规律和适用条件。(重点)3.[科学探究]了解库仑扭秤试验，知道静电力常量。一、探究影响电荷间相互作用力的因素试验现象(1)小球带电荷量不变时，距离带电物体越远，丝线偏离竖直方向的角度越小(2)小球处于同一位置时，小球所带的电荷量越大，丝线偏离竖直方向的角度越大试验结论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二、库仑定律1．静电力：电荷间的相互作用力叫静电力，也叫库仑力。2．点电荷的特点(1)带电体间的距离比它们自身的大小大许多；(2)带电体的形态、大小及电荷分布状况对电荷之间的作用力的影响可以忽视。3．内容适用条件真空中两个静止的点电荷库仑力大小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库仑力方向在它们的连线上，吸引或排斥4.表达式：F＝keq\f(q1q2,r2)，式中k叫作静电力常量，k＝9.0×109N·m2/C2。5．静电力的叠加(1)两个点电荷间的作用力不会因第三个点电荷的存在而有所变更。(2)两个或者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。1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)试验表明电荷之间的作用力肯定和电荷间的距离成反比。 (×)(2)试验表明两个带电体的距离越大，作用力就越小。 (√)(3)点电荷是一个带有电荷的点，它是实际带电体的抽象，是一种志向化模型。 (√)(4)球形带电体肯定可以看成点电荷。 (×)(5)很大的带电体也有可能看作点电荷。 (√)2.(多选)如图所示，O是一个带电的物体，若把系在丝线上的带电小球先后挂在横杆上的P1、P2、P3位置，可以比较小球在不同位置所受带电物体的作用力的大小，这个力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度θ显示出来(小球与物体O在同一水平线上)。若物体O的电荷量用Q表示，小球的电荷量用q表示，物体与小球间距离用d表示，物体和小球之间的作用力大小用F表示。则下列对该试验的推断正确的是()A．可用限制变量法，探究F与Q、q、d的关系B．保持Q、q不变，减小d，则θ变大，说明F与d成反比C．保持Q、d不变，减小q，则θ变小，说明F与q有关D．保持q、d不变，减小Q，则θ变小，说明F与Q成正比AC[保持Q、q不变，减小d，则θ变大，说明F与d有关，但不能确定成反比关系，选项B错误；保持Q、d不变，减小q，则θ变小，说明F与q有关，选项C正确；保持q、d不变，减小Q，则θ变小，说明F随Q的减小而减小，但不能确定成正比关系，选项D错误；由上述可知选项A正确。]3．关于库仑定律，下列说法正确的是()A．库仑定律适用于点电荷，点电荷其实就是体积最小的带电体B．依据F＝keq\f(q1q2,r2)，当两个带电体间的距离趋近于零时，库仑力将趋向于无穷大C．所带电荷量分别为Q和3Q的点电荷A、B相互作用时，B受到的静电力是A受到的静电力的3倍D．库仑定律的适用条件是真空和静止点电荷D[假如在探讨的问题中，带电体的形态、大小以及电荷分布可以忽视不计，即可将它看成是一个几何点，则这样的带电体就是点电荷，故A错误；两个带电体间的距离趋近于零时，带电体已经不能看成点电荷了，F＝keq\f(q1q2,r2)已经不能适用，故B错误；依据牛顿第三定律得，B受到的静电力和A受到的静电力大小相等，故C错误；库仑定律的适用条件是真空和静止点电荷，故D正确。]对点电荷的理解1.点电荷是物理模型只有电荷量，没有大小、形态的志向化模型，类似于力学中的质点，实际中并不存在。2．带电体看成点电荷的条件假如带电体间的距离比它们自身的大小大得多，以至于带电体的形态和大小对相互作用力的影响很小，就可以忽视形态、大小等次要因素，只保留对问题有关键作用的电荷量，带电体就能看成点电荷。3．留意区分点电荷与元电荷(1)元电荷是最小的电荷量，其数值等于一个电子或一个质子所带电荷量的肯定值。(2)点电荷只是不考虑带电体的大小和形态，是带电个体，其带电荷量可以很大也可以很小，但它肯定是元电荷的整数倍。【例1】(多选)下列关于点电荷的说法中正确的是()A．无论两个带电体多大，只要它们之间的距离远大于它们的大小，这两个带电体就可以看作点电荷B．一个带电体只要它的体积很小，则在任何状况下，都可以看作点电荷C．一个体积很大的带电体，在任何状况下，都不能看作点电荷D．两个带电的金属小球，不肯定能将它们作为电荷集中在球心的点电荷处理思路点拨：解答本题的关键是弄清以下两个问题：(1)点电荷的概念是什么？(2)把带电体看作点电荷的条件是什么？AD[无论两带电体自身大小怎样，当两带电体之间的距离远大于它们的大小时，带电体本身的大小对于所探讨的问题影响很小，可把带电体看作点电荷，选项A正确，而选项C错误；尽管带电体很小，但两带电体相距很近，以至于本身的大小和形态对问题的影响不能忽视，两带电体也不能被看作点电荷，选项B错误；两个带电金属小球，若离的很近，两球所带的电荷在静电力作用下会分布不均，电荷的分布影响到静电力的大小，若带同种电荷，相互排斥，等效的点电荷间距大于球心距离；若带异种电荷，相互吸引，等效的点电荷间距小于球心距离，因此，选项D正确。]对点电荷的两点理解(1)带电体能否看作点电荷，不取决于带电体的大小，而取决于它们的大小、形态与距离相比能否忽视。(2)同一带电体，在不同问题中有时可以看作点电荷，有时不行以看作点电荷。eq\o([跟进训练])1．下列带电体能否视为点电荷的说法正确的是()A．电子和质子在任何状况下都可视为点电荷B．在计算库仑力时匀称带电的绝缘球体可视为点电荷C．带电的细杆在肯定条件下可以视为点电荷D．带电的金属球肯定不能视为点电荷C[电子和质子在探讨的范围特别小，可以与它的大小差不多时，不能看作点电荷，故A错误；在计算库仑力时匀称带电的绝缘球体在肯定的条件下可视为点电荷，故B错误；带电的细杆在它的大小相比与探讨的范围来说可以忽视不计时，可以视为点电荷，故C正确；带电的金属球在它的大小相比与探讨的范围来说可以忽视不计时，可以视为点电荷，故D错误。]对库仑定律的理解1.两个点电荷间的库仑力(1)真空中两个静止点电荷间相互作用力的大小只跟两个电荷的电荷量及间距有关，跟它们的四周是否存在其他电荷无关。(2)两个电荷之间的库仑力同样遵守牛顿第三定律，与两个电荷的性质、带电多少均无关，即作用力与反作用力总是等大反向。2．两个带电球体间的库仑力(1)两个规则的匀称带电球体，相距比较远时，可以看成点电荷，也适用库仑定律，球心间的距离就是二者的距离。(2)两个规则的带电球体相距比较近时，不能被看作点电荷，此时两带电球体之间的作用距离会随所带电荷量的变更而变更，即电荷的分布会发生变更。若带同种电荷时，如图(a)所示，由于排斥而距离变大，此时F<keq\f(q1q2,r2)；若带异种电荷时，如图(b)所示，由于吸引而距离变小，此时F>keq\f(q1q2,r2)。【例2】A、B、C三点在同始终线上，AB∶BC＝1∶2，B点位于A、C之间，在B处固定一电荷量为Q的点电荷。当在A处放一电荷量为＋q的点电荷时，它所受到的静电力为F；移去A处电荷，在C处放一电荷量为－2q的点电荷，其所受静电力为()A．－eq\f(F,2) B．eq\f(F,2)C．－F D．F思路点拨：解答本题应留意以下三点：(1)静电力与电荷电荷量大小的关系。(2)静电力与点电荷间距的关系。(3)静电力的方向规定。B[在A处放电荷量为＋q的点电荷时，Q所受静电力大小为F＝eq\f(kQq,r\o\al(2,AB))；在C处放一电荷量为－2q的点电荷时，Q所受静电力大小为F′＝eq\f(kQ·2q,r\o\al(2,BC))＝eq\f(2kQq,2rAB2)＝eq\f(kQq,2r\o\al(2,AB))＝eq\f(F,2)。且不管电荷Q是正还是负，两种状况下，Q受力方向相同，故选项B正确，A、C、D错误。]eq\o([跟进训练])2．三个相同的金属小球1、2、3分别置于绝缘支架上，各球之间的距离远大于小球的直径。球1的带电荷量为q，球2的带电荷量为nq，球3不带电且离球1和球2很远，此时球1、2之间作用力的大小为F。现使球3先与球2接触，再与球1接触，然后将球3移至远处，此时1、2之间作用力的大小仍为F，方向不变。由此可知()A．n＝3 B．n＝4C．n＝5 D．n＝6D[设1、2两电荷之间的距离为r,3和它们没有接触前，由库仑定律有eq\f(knq2,r2)＝F，接触后，2球带电荷量为eq\f(n,2)q，1球带电荷量为eq\f(n＋2,4)q，由库仑定律有eq\f(n2＋2nq2k,8r2)＝F，联立上面两式解得n＝6，D项对。]库仑定律的应用1.分析带电体在有库仑力作用下的平衡问题时，方法仍旧与力学中物体的平衡方法一样，详细步骤：(1)确定探讨对象；(2)进行受力分析；(3)建立坐标系；(4)列方程F合＝0，正交分解，∑Fx＝0，∑Fy＝0；(5)求解方程。2．三个自由点电荷的平衡问题(1)条件：每个点电荷受到的两个库仑力必需大小相等，方向相反。(2)规律“三点共线”——三个点电荷分布在同始终线上；“两同夹异”——正负电荷相互间隔；“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小；“近小远大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷。【例3】a、b两个点电荷相距40cm，电荷量分别为q1、q2，且q1＝9q2，都是正电荷。现引入点电荷c，这时a、b电荷恰好都处于平衡状态。试问：点电荷c的带电性质是怎样的？电荷量多大？它应当放在什么地方？[解析]设c与a相距x，则c、b相距0.4m－x，设c的电荷量为q3，依据二力平衡可列平衡方程。a平衡，则keq\f(q1q2,0.4m2)＝keq\f(q1q3,x2)；b平衡，则keq\f(q1q2,0.4m2)＝keq\f(q2q3,0.4m－x2)；c平衡，则keq\f(q1q3,x2)＝keq\f(q2q3,0.4m－x2)。解其中随意两个方程，可解得x＝0.3m(c在a、b连线上，与a相距30cm，与b相距10cm)，q3＝eq\f(9,16)q2＝eq\f(1,16)q1(q1、q2为正电荷，q3为负电荷)。[答案]负电荷eq\f(1,16)q1在a、b连线上，与a相距30cm，与b相距10cm上例中，若a、b两个电荷固定，其他条件不变，则结果如何？提示：由c平衡知，对q3的电性和电荷量无要求，位置应放在与a相距30cm，与b相距10cm处。解决三个自由点电荷的平衡问题时，首先应依据三个自由点电荷的平衡问题的规律确定出点电荷的电性和大体位置。求点电荷间的距离时，对未知电荷量的电荷列平衡方程；求未知电荷的电荷量时，对其中随意已知电荷量的电荷列平衡方程求解。eq\o([跟进训练])3．如图所示，一光滑墙面固定一个定滑轮，通过轻绳连接两个带电小球A、B，所受重力分别为GA、GB。A、B两球球心连线水平。两小球静止，连接A球的轻绳竖直，连接B球的轻绳与竖直方向夹角θ，则下列推断正确的是()A．两小球带异种电荷B．两小球带电荷量关系QA>QBC．两小球的重力关系GA>GBD．两小球间的库仑力F＝GAtanθC[B球受力平衡，则B受到A对B水平向右的库仑力，则两小球带同种电荷，故A错误；依据题意无法推断电荷量的大小关系，故B错误；A处于平衡状态，受力平衡，则绳子拉力T＝GA；B球受力平衡，依据平衡条件得：Tcosθ＝GB，则GA＞GB，故C正确；B球受力平衡，依据平衡条件得库仑力：F＝Tsinθ＝GAsinθ，故D错误。]1．[物理观念]对点电荷的理解及带电体能看作点电荷的条件。2．[科学思维]库仑定律的理解及应用。3．[科学方法]电荷平衡问题的分析方法。1．下列关于点电荷的说法中，正确的是()A．只有体积很小的带电体才能看成点电荷B．体积很大的带电体肯定不能看成点电荷C．只有球形带电体才能看成点电荷D．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D[由带电体看作点电荷的条件可知，当带电体的形态、大小及电荷分布对它们间相互作用力的影响可忽视时，这个带电体可看作点电荷，带电体能否看作点电荷由探讨问题的性质确定，与带电体自身大小、形态无详细关系，故选项A、B、C错误；当两个带电体的大小远小于它们之间的距离时，两带电体的大小、形态及电荷分布对两带电体间相互作用力的影响可忽视不计，因此可将这两个带电体看成点电荷，选项D正确。]2．如图所示的试验装置为库仑扭秤。细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个带电的金属小球A，另一端有一个不带电的球B，B与A所受的重力平衡，当把另一个带电的金属球C插入容器并使它靠近A时，A和C之间的作用力使悬丝扭转，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小，便可找到力F与距离r和电荷量q的关系。这一试验中用到了下列哪些方法？①微小量放大法②极限法③限制变量法④逐差法()A．①② B．①③C．③④ D．②④B[把微弱的库仑力转换放大成可以看得到的扭转角度，并通过