第16讲-库仑定律-电场力的性质(原卷版)

第16讲库仑定律电场力的性质目录考点一库仑定律的理解及应用 1考点二电场强度的理解 1考点三电场线和运动轨迹问题 4考点四带电体的力电综合问题 6练出高分 9考点一库仑定律的理解及应用1．表达式：F＝keq\f(q1q2,r2)，适用条件是真空中两静止点电荷之间相互作用的静电力．2．平衡问题应注意：(1)明确库仑定律的适用条件；(2)知道完全相同的带电小球接触时电荷量的分配规律；(3)进行受力分析，灵活应用平衡条件．3．三个自由点电荷的平衡问题(1)条件：两个点电荷在第三个点电荷处的合场强为零，或每个点电荷受到的两个库仑力必须大小相等，方向相反．(2)规律：“三点共线”——三个点电荷分布在同一条直线上；“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．（2023•海南模拟）用绝缘细线a、b将两个带电小球1和2连接并悬挂，已知小球2的重力为G，如图所示，两小球处于静止状态，细线a与竖直方向的夹角为30°，两小球连线与水平方向夹角为30°，细线b水平，则（）A．小球1带电量一定小于小球2的带电量 B．细线a拉力大小为23C．细线b拉力大小为33D．小球1与2的质量比为1：2（2023•台州二模）如图所示，两个质量分别为mA和mB的带电小球A、B（可视为质点）通过一根绝缘轻绳跨放在光滑的定滑轮上（滑轮大小不计），两球静止，O为滑轮正下方AB连线上的一个点。两球到O点距离分别为xA和xB，到滑轮的距离分别为lA和lB，且lA：lB＝1：2，细绳与竖直方向的夹角分别为θ1和θ2，两球电荷量分别为qA和qB。则（）A．qA＞qB B．θ1＞θ2 C．mA：mB＝1：2 D．xA：xB＝1：2如图所示，带电金属小球A用绝缘细线悬挂于O点，O点正下方带电小球B固定在绝缘支座上，两小球可视为质点，平衡时其间距离为L。现将与小球A完全相同的三个不带电的金属小球依次并充分与A接触后移开，则再次平衡后A、B间距离为（）A．18L B．14L C．12L （2023•泉州模拟）三个相同的带孔金属小球A、B、C串在环形绝缘细绳上，A、B所带的电荷量分别为+Q、+2Q，C不带电。将三个小球放在绝缘水平桌面上，保持静止时三个小球的位置如图甲所示。将三个球一起接触后释放，再次静止时，三个小球的位置如图乙所示。不计小球的体积与一切摩擦，则前后两次静止时，细绳中张力大小之比为（）A．4：9 B．8：9 C．8：93 D．4：33（多选）（2023•安徽三模）如图所示，绝缘的斜面体ABC静止于水平面上，∠B＝37°，∠C＝53°，两个可视为质点的带电物体P和Q分别在AB和AC面上静止不动，且PQ连线水平。AB面和AC面光滑，设斜面体和P、Q的质量分别为M、m1、m2，重力加速度为，sin37°＝0.6。下列判断正确的是（）A．P、Q一定带异种电荷，且Q的电荷量一定等于P的电荷量 B．P、Q的质量之比是169C．水平面对斜面底部有水平向右的静摩擦力 D．水平面对斜面的支持力等于（M+m1+m2）g考点二电场强度的理解1．场强公式的比较三个公式eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝\f(F,q)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于任何电场,与检验电荷是否存在无关)),E＝\f(kQ,r2)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于点电荷产生的电场,Q为场源电荷的电荷量)),E＝\f(U,d)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(适用于匀强电场,U为两点间的电势差，d为沿电场方向两,点间的距离))))2．电场的叠加(1)电场叠加：多个电荷在空间某处产生的电场强度为各电荷单独在该处所产生的电场强度的矢量和．(2)运算法则：平行四边形定则．（2023•河北模拟）一轻质绝缘“L”型轻杆固定在水平面上，质量均为m的光滑小环A、B套在支架上，两小环之间用轻绳连接，其中B环带正电，电荷量为q，A环不带电，整个装置放在匀强电场中，电场强度的大小为E，电场强度的方向与水平面平行，垂直于OM杆，A环在一水平力F作用下缓慢向右移动一段距离，重力加速度为g，下列说法正确的是（）A．当轻绳与OM杆夹角为θ时，绳子拉力大小为mg+EqsinθB．轻杆对B环的弹力逐渐增大 C．A环缓慢向右移动过程中，绳子拉力逐渐减小 D．轻杆OM对A环的弹力大小为Eq（多选）如图所示，水平向右的匀强电场中有a、b两带电小球，小球所带电量的大小相同、电性未知。现将两小球用绝缘细线悬挂于同一点，两球静止时，它们距水平面的高度相等，线与竖直方向的夹角分别为α、β，且α＜β。不计空气阻力，下列说法正确的是（）A．若a、b电性相反，球a的质量一定大于球b的质量 B．若a、b电性相同，球a的质量可能等于球b的质量 C．若同时剪断两根细绳，a球可能先落地 D．若同时剪断两根细绳，a、b两球一定同时落地（2022•黄浦区二模）如图所示，空间存在一水平向左的匀强电场，两个带电小球P、Q用相同的绝缘细绳悬挂在水平天花板下，两细绳都恰好竖直，则（）A．P、Q均带正电 B．P、Q均带负电 C．P带正电、Q带负电 D．P带负电、Q带正电在真空中，一点电荷在M、N两点产生的电场场强方向如图所示，已知在两点的连线上电场强度的最大值为100N/C，取sin53°＝0.8，cos53°＝0.6，则（）A．该点电荷为负电荷 B．N点电势低于M点电势 C．N点的场强与M点的电场强度大小之比为3：4 D．N点的电场强度大小为E＝64N/C（2023•龙岩模拟）如图（a）。长度L＝0.8m的光滑绝缘细杆左端固定一带电荷量为QA=+4.0×10-6C的点电荷A，一质量为m＝0.04kg、带电荷量为q＝+2.0×10﹣7C的小球B套在杆上。将杆沿水平方向固定于某非均匀外电场中，以杆左端为原点，沿杆向右为x轴正方向建立坐标系。点电荷A对小球B的作用力随B位置x的变化关系如图（b）中曲线Ⅰ所示，小球B所受水平方向的合力随B位置x的变化关系如图（b（1）小球B在x＝0.30m处受到外电场对它沿杆方向的电场力F和外电场在该点沿杆方向的电场强度E；（2）已知小球在x＝0.20m处获得水平向右的初速度v＝0.20m/s时，最远可以运动到x＝0.40m。若小球在x＝0.20m处受到方向向右、大小为0.02N的恒力作用后，由静止开始运动，为使小球能离开杆，恒力作用的最小距离s是多少？考点三电场线和运动轨迹问题1．电场线与运动轨迹的关系根据电场线的定义，一般情况下，带电粒子在电场中的运动轨迹不会与电场线重合，只有同时满足以下3个条件时，两者才会重合：(1)电场线为直线；(2)电荷的初速度为零，或速度方向与电场线平行；(3)电荷仅受电场力或所受其他力的合力的方向与电场线平行．2．解题思路(1)根据带电粒子的弯曲方向，判断出受力情况；(2)把电场线方向、受力方向与电性相联系；(3)把电场线疏密和受力大小、加速度大小相联系，有时还要与等势面联系在一起．（2023•重庆模拟）如图所示，实线是一簇由负点电荷产生的电场线。一带正电的粒子仅在电场力作用下通过电场，图中虚线为粒子的运动轨迹，a、b是轨迹上的两点。下列判断错误的是（）A．a点场强大于b点场强 B．带电粒子从a到b电势能减小 C．带电粒子从a到b动能减小 D．a点电势小于b点电势如图，正点电荷放在O点，图中画出了该电荷电场八条对称分布电场线．以其中一条电场线上的O′点为圆心画一个圆，与电场线分别相交于点a、b、c、d、e和f，下列说法正确的是（）A．b、f两点的电场强度相同 B．a点电势比d点电势高 C．c、b两点间电势差小于C、f两点间电势差 D．电子沿圆周由e到b与由c到b，电场力做功相等（2022•浙江模拟）一对不等量异种点电荷周围的电场线分布如图所示，下列说法正确的是（）A．Q1为负电荷 B．Q1的带电荷量一定比Q2的带电荷量多 C．以大地为零电势，则Q1Q2连线的中点电势必定为零 D．尽管B处没画出电场线，但B处的场强比A处大（2022•浙江三模）把一个不带电的金属球壳导体置于匀强电场中，达到稳定状态后球壳周围的电场线和等势线分布如图所示，其中a、d两点对称地分布在球壳两侧且连线过球心c，b点位于球壳上。下列说法中正确的是（）A．实线是等势线 B．b点电场强度比c点大 C．感应电荷在c点产生的场强为零 D．a、b两点间的电势差值等于c、d两点间的电势差值（2022•天津模拟）把头发屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，可以模拟出电场线的分布情况，如图甲是模拟孤立点电荷和金属板之间的电场照片，乙图为简化后的电场线分布情况，则（）A．由图甲可知，电场线是真实存在的 B．图甲中，没有头发屑的地方没有电场 C．图乙中A点的电场强度大于B点的电场强度 D．在图乙电场中A点静止释放的质子能沿着电场线运动到B点考点四带电体的力电综合问题1．解答力电综合问题的一般思路2．运动情况反映受力情况(1)物体静止(保持)：F合＝0.(2)做直线运动①匀速直线运动：F合＝0.②变速直线运动：F合≠0，且F合与速度方向总是一致．(3)做曲线运动：F合≠0，F合与速度方向不在一条直线上，且总指向运动轨迹曲线凹的一侧．(4)F合与v的夹角为α，加速运动：0≤α＜90°；减速运动；90°＜α≤180°.(5)匀变速运动：F合＝恒量．（2023•成都模拟）如图，绝缘水平桌面上、电荷量为Q（Q＞0）的小球甲固定于A点，另一个电荷量为q的有孔小球乙套在固定的绝缘竖直细杆上，且恰能静止于B点，杆上O点与A等高，AO＝d，∠OAB＝α＝30°，静电力常量为k，重力加速度大小为g，不计摩擦力和空气阻力，小球视为质点且电荷量不变。（1）指出小球乙带哪种电荷，求出小球乙的质量m；（2）将小球乙向上拉到C点（∠OAC＝β＝60°），再由静止释放，求：①乙球在C点释放后瞬间的加速度大小a；②小球到达D点（C、D关于O点对称）时的动能Ek。（1）一个带电金属球达到静电平衡时，球内部没有净剩电荷，电荷均匀分布在外表面，球内部场强处处为0，其在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同。已知静电力常量为k。a．根据电场强度的定义式和库仑定律，推导一个电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处的电场强度的表达式。b．若将金属球内部挖空，使其成为一个均匀球壳，如图1所示。金属球壳的电荷量为Q，A、B是到球心的距离分别为r1和r2的两点，则A点的场强E1＝0，B点的场强E2＝kQr2（2）万有引力定律与库仑定律有相似的形式，因此质点的引力场与点电荷的电场也有很多相似的规律。已知引力常量为G。a．类比点电荷电场强度的表达式，写出一个质量为m的质点在与之相距r处的引力场强度EG的表达式。b．假设沿地轴的方向凿通一条贯穿地球两极的隧道，隧道极窄，地球仍可看作一个半径为R、质量分布均匀的球体。如图2所示，以地心为原点，向北为正方向建立x轴，请在图3中作图描述隧道中地球引力场强度随x变化的规律，并说明作图依据。类比是一种重要的科学思想方法。在物理学史上，法拉第通过类比不可压缩流体中的流速线提出用电场线来描述电场。（1）静电场的分布可以用电场线来形象描述，已知静电力常量为k。①真空中有一电荷量为Q的正点电荷，其周围电场的电场线分布如图1所示。距离点电荷r处有一点P，请根据库仑定律和电场强度的定义，推导出P点场强大小E的表达式；②如图1所示，若在A、B两点放置的是电荷量分别为+q1和﹣q2的点电荷，已知A、B间的距离为2a，C为A、B连线的中点，求C点的电场强度的大小EC的表达式，并根据电场线的分布情况比较q1和q2的大小关系。（2）有一足够大的静止水域，在水面下足够深的地方放置一大小可以忽略的球形喷头，其向各方向均匀喷射水流。稳定后水在空间各处流动速度大小和方向是不同的，为了形象地描述空间中水的速度的分布，可引入水的“流速线”。水不可压缩，该情景下水的“流速线”的形状与图2中的电场线相似，箭头方向为速度方向，“流速线”分布的疏密反映水流速的大小。①已知喷头单位时间喷出水的体积为Q1，写出喷头单独存在时，距离喷头为r处水流速大小v1的表达式；②如图3所示，水面下的A点有一大小可以忽略的球形喷头，当喷头单独存在时可以向空间各方向均匀喷水，单位时间喷出水的体积为Q1；水面下的B点有一大小可以忽略的球形吸收器，当吸收器单独存在时可以均匀吸收空间各方向的水，单位时间吸收水的体积为Q2。同时开启喷头和吸收器，水的“流速线”的形状与图2中电场线相似。若A、B间的距离为2a，C为A、B连线的中点。喷头和吸收器对水的作用是独立的，空间水的流速和电场的场强一样都为矢量，遵循矢量叠加原理，类比图2中C处电场强度的计算方法，求图3中C点处水流速大小v2的表达式。练出高分一．选择题（共10小题）1．（2023•海口一模）如图所示，a、b两点位于以正点电荷+Q（Q＞0）为球心的球面上，c点在球面外，则（）A．a点的电场强度比b点的大 B．b点的电场强度比c点的小 C．将电荷量为+q的试探电荷从a点移到b点，电场力做正功 D．b点的电势比C点的高2．（2023•莆田模拟）当空气中电场的电场强度大小超过E0时，空气会被击穿。孤立导体球壳充电后，球壳所带电荷量为Q，已知静电力常量为k，则为了保证空气不被击穿，球壳半径的最小值为（）A．kQE0 B．E0kQ C．Q3．（2023•山东模拟）如图，真空中正四面体abed的四个顶点各固定一个点电荷，其中Qa＝Qc＝+Q（Q＞0），Qb＝Qd＝﹣Q，M、N、P、O分别为ab、be、bd、ac的中点。关于M、N、P、O四点的电场强度和电势，下列说法正确的是（）A．O、P两点电场强度大小相等，电势相同 B．O、P两点电场强度大小不相等，电势不同 C．M、N两点电场强度大小相等，电势相同 D．M、N两点电场强度大小不相等，电势不同4．（2023•驿城区校级二模）均匀带电的球壳在球外空间产生的电场等效于电荷集中于球心处产生的电场．如图所示，在半球面AB上均匀分布正电荷，总电荷量为q，球面半径为R，CD为通过半球顶点与球心O的轴线，在轴线上有M、N两点，OM＝ON＝2R，已知M点的场强大小为E，则N点的场强大小为（）A．kq4R2-E B．kq4R2+E C5．（2023•张掖模拟）将金属板靠近带负电的塑料板，金属板下表面与接地金属柱接触，在金属板上表面撒细纸屑，上抬金属板至某一位置时，可以看到静置的纸屑从金属板上飞溅出来，这就是“静电飞花”实验。关于本实验下列说法正确的是（）A．金属板碰触接地金属柱后不带电 B．上抬金属板，金属板容纳电荷本领增强 C．纸屑飞离的瞬间，金属板的电势降低 D．纸屑是因为带负电相互排斥而不断飞出6．（2023•重庆模拟）如图所示，在边长为a的等边三角形的三个顶点A、B、C上，分别固定三个电荷量相等的点电荷，其中A、B处的点电荷均带正电，C处的点电荷带负电，O为三角形中心。已知点电荷Q的电势表达式为φ=kQr，式中k为静电力常量，A．O点的电场强度大小为9kQaB．O点的电场强度大小为3kQ4C．O点的电势为k3D．O点的电势为-7．（2023•山西模拟）如图所示，在演示带电体间的相互作用时发现，用绝缘细线悬挂在支架上质量为m的带电小球B，在均匀带电小球A的作用下保持静止。且知细线与竖直方向夹角α＝45°，两球心连线与水平方向所成角β＝15°，重力加速度为g，则下列判断正确的是（）A．细线中张力的大小为2mg B．小球A所受静电力的大小为2mg C．细线中张力的大小为3mg D．小球A对小球B的引力要大于小球B对小球A的引力8．（2023•渭南一模）如图所示，电荷量为+q和﹣q的点电荷分别位于边长为a的正方体的顶点，设静电力常量为k，则正方体中心的电场强度大小为（）A．0 B．163kq9a2 C．9．（2023•永丰县校级一模）甲和乙图分别是半径为R、带电均匀的六分之四圆环和半圆环（两环的材料和横截面积相同），带有同种电荷，且两环上单位长度所带电荷量相等，它们的圆心分别是O1和O2。已知O1点的电场强度大小为E0，则O2点的电场强度大小为（）A．233E0 B．34E0 10．（2023•泰州模拟）如图所示，一固定的不带电金属球壳接地，半径为R，球心为A，将一带电量为+q的点电荷固定在离球心为2R的B点，D、E是AB连线上的两点，BD＝BE，BC与球壳相切于C点，球壳静电平衡时，C点的场强EC=3A．C点电势低于A点 B．D点电势低于E点 C．A点的场强EAD．球上的感应电荷在C处的场强大小E二．计算题（共3小题）11．（2022•北京）如图所示，真空中平行金属板M、N之间距离为d，两板所加的电压为U。一质量为m、电